2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of cold start premixed compression ignition ammonia combustion engine for zero emission
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19K04244
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
一柳 満久 上智大学, 理工学部, 准教授 (00584252)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 隆 上智大学, 理工学部, 教授 (20206494)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 熱機関 / アンモニア燃焼 / ゼロエミッション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低炭素社会の実現に向けて，水素キャリアでのアンモニア（NH3）利用は実用間近だが，NH3を燃料とした自動車用エンジンの実現には至っていない．主たる要因は，NH3は従来の燃料と比較して保炎範囲が狭く燃焼速度が遅いこと，発火点が高く難着火性であることが挙げられる．NH3単一燃料のエンジンを実現するためには，燃焼方式として副燃焼室付きの予混合圧縮自着火を採用し，冷間始動が可能な燃焼室設計及び定常運転試験による適切な燃焼条件の導出が必要である．本研究では，3次元CFD解析及び定容燃焼器実験を用いて主及び副燃焼室設計を行い，定常運転試験にて燃焼条件を最適化し，冷間始動可能なカーボンフリーNH3エンジンを開発することを目的としている．
この目的を実現するため，①3次元CFD解析及び定容燃焼器実験に基づいた燃焼室の設計，②定容燃焼器実験によるNH3着火条件の検証及び燃焼状態の計測，③主及び副燃焼室を作製し，NH3エンジンの温間始動および定常運転試験，④予熱器（グロープラグ）を併用し，冷間始動および定常運転試験を行う予定である．
2021年度の研究成果は2点ある．1点目は，定容燃焼器実験にて，NH3の燃焼条件を検討した点である．当量比および予熱器を用いた混合気の加熱条件を検討した結果，当該実験条件下にて，平均火炎速度が最速の運転条件を明らかにした．2点目は，定容燃焼器の結果を基に，実機エンジンを用いた実験を行った点である．結果として，温間および冷間始動共に，NH3-空気の混合気での燃焼には至らなかったため，NH3-ガソリン-空気の混合気を用いて実験を行った．NH3とガソリンの混合割合を検討した結果，当該実験条件下では，NH3比率66%まで安定燃焼することがわかった．一方，予熱器による加熱条件を検討した結果，加熱による着火性は向上したものの，充填効率低下による不安定燃焼を招くことがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
申請時の研究計画では，2021年度は，主及び副燃焼室を作製し，NH3エンジンの温間始動および定常運転試験が目標であった．その予定に対し，主および副燃焼室の作製については，最適化を目指して，継続して設計および作製を行っている．次いで，定容燃焼実験では，最適な当量比の同定および予熱器を用いた加熱による着火性の向上により，当該実験条件下にて，平均火炎速度が最速の運転条件を明らかにした．本運転条件は，中程度のエンジン回転数に相当するため，実機エンジンでも，NH3-空気の混合気での温間・冷間始動および定常運転の可能性が示された．最後に，定容燃焼実験の結果を基に，実機エンジンを用いた実験を行ったところ，NH3-ガソリン-空気の混合気では安定燃焼が実現されたものの，NH3-空気の混合気では不安定燃焼が生じた．この原因は，予熱器による加熱により，NH3燃焼の問題点であった難着火性は解決できたものの，充填効率の低下を招いたことで，所望の当量比を実現できなかったことにある．この結果を踏まえて，過給機を併用した実験装置の改良を行っている．従来のNH3燃焼の問題点を解決したこと，および新たに生じた問題点への原因の究明と対策を行っていることから，おおむね研究は順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は，実機エンジンに過給機を実装することで，温間始動および定常運転時にて，NH3-空気の混合気による安定燃焼を実現させる．過給機は，2021年度内に購入済みであり，現在は実装のための吸気管の改良を行っている．加えて，当該年度は，予熱器を併用することで，NH3エンジンの冷間始動も実現させる．温間始動，冷間始動，および定常運転試験を行い，各運転条件における最適燃焼条件の検討を行う．
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| Causes of Carryover |
実機エンジンに過給機を搭載する改良を，2021年度中に実施する予定であったが，Covid-19の影響により，一部の物品の納品が大幅に遅延することがわかったため，2022年度に購入することとした．以上より，次年度使用額は，2021年度に予定していた装置改良のために使用する予定である．
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