2020 Fiscal Year Research-status Report
An ignition control method with optimizations of the composition of mixture and turbulence characteristics based on molecular diffusion characteristics
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20K04311
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
中原 真也 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (20315112)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 予混合燃焼 / 着火促進 / 微小火炎 / ガス流動 / 燃焼速度 / 火炎伸長 / 天然ガス / 水素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者は、これまでに主に層流（静止場）での着火や微小な火炎核形成において分子拡散特性やルイス数が、一般的なサイズの火炎に増して重要であることを明らかにしてきた。本研究では、この知見を応用し、限りある炭化水素燃料の高度有効利用および水素の安全利用を担保するために、燃焼特性のみならず分子拡散特性に優れた水素の活用による混合気組成および乱流特性の最適化により、超希薄や高強度の乱流場まで適応できる包括的な着火制御法の構築を目的とする。
そこで、初年度となる本年度は、高強度の２つの異なる乱流特性場での着火と火炎核形成の燃焼特性評価法を確立するために必要な、次の予備的な事項を主に検討した。
まず、等方性乱流場を得ることが出来る乱流燃焼定容器では、高強度乱流場での検討を実現するための改修を行った。その結果、乱れ強度はu’は3.5m/s程度まで発生できることを確認できた。同時に、高強度乱流場に対応した、最小点火エネルギ－調査用点火システム、火炎半径が5mm以下の微小火炎の燃焼速度特性を把握するための高速シュリーレン撮影法の構築を行った。また、静電探針や自発光分光の観測についても予備的な実験を実施した。
一方、スワール流場である旋回流を発生できる扁平円筒状型定容燃焼器でも、高強度旋回流場を実現するために改修を行った。その結果、点火電極位置の旋回流速度Ulを60 m/s以上の超高速にできることを確認できた。同時に、実験の精度を向上させるために予混合気の作成法、混合気の噴出法や点火システムの改修も実施した。
また、初年度に使用した混合気は、主に層流燃焼速度を揃えた炭化水素混合気を対象とした。ここでは、分子拡散特性に着目する観点から炭化水素には、LPGの主成分で分子量が大きく拡散速度が酸素より小さなプロパン、LNGの主成分で分子量が比較的小さく拡散速度が酸素より大きなメタンを使用した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」で述べたように、当初の計画のとおり、等方性乱れ場とスワール流(旋回流)場の２つの異なる高強度乱流特性場での着火と火炎核形成の燃焼特性評価法を確立するために必要な改修や予備的な検討を行った。
また、分子拡散特性を活用した組成と乱流特性の最適化による着火制御法を検討するために、初年度は、層流燃焼速度SL0を揃えたプロパン混合気およびメタン混合気を対象とした。
等方性乱流場での実験は、最初にガス流動の静止場（層流場）で最小点火エネルギ－EiminLの計測および火炎半径が5mm以下の微小火炎の燃焼速度と火炎サイズの関係の定量化を行った。特にプロパン混合気において、相対的な乱れ強度を大きくするためにSL0を25cm/sのみならず15cm/sについても当量比0.5～1.4について検討した。その結果、火炎半径４mmの微小火炎の燃焼速度SLl@4とルイス数Leとの関係には、メタン混合気を含めた混合気の広い範囲に対して、線形的な関係があること等を明らかにできた。
続いてu’=2.8m/s程度までの乱流場で最小点火エネルギーEiminTについて定量的検討を行った。その結果、EiminT/ EiminLはLeが増加すると増大するという定性的な傾向があることがわかったが、定量的な関係はみられなかった。さらに着火制御法の構築に向け前倒しして次の事を検討した。すなわち、層流場で得られたSLl@4を基準としたカーロビッツ数（火炎伸長度）KaT4を用いると乱流場で着火が困難になる領域とそうで無い領域に分けられる可能性があることを明らかにできた。
一方、スワール流場では旋回流速度60m/sの超高速ガス流動場でも層流燃焼速度を揃えた希薄炭化水素混合気では、予備的に実施した水素添加により、燃焼が安定化する可能性があることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目となる令和３年度は、さらに分子拡散特性を活用した組成と乱流特性の最適化による着火制御法を構築するために検討を進める。特に、分子拡散特性の影響も検討するために、水素を炭化水素に添加した混合気について検討を進める。
等方性乱流場では、初年度に明らかにした、層流場で得られたSLl@4を基準としたカーロビッツ数（火炎伸長度）KaT4に関して、包括的に乱流燃焼場での着火特性の整理が可能なのかに着目した検討を進める。具体的には、初年度に比べ分子選択拡散効果にも着目したさらに広い混合気を対象にし、まず静止場での微小火炎の燃焼速度特性の把握、u’>3m/s以上又はu’/SL0>15の高強度乱流場での着火特性の把握を進める。
スワール流場では、等方性乱流場と同様の混合気に着目し、旋回流速度Ulを60 m/sでの着火および燃焼特性の把握、壁面熱流束の計測による壁からの熱損失の影響の把握や等方性乱流場との着火特性の比較検討などを試みる。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響により、国際会議などの学会が延期またはオンライン開催となっため、旅費等を繰り越しました。これらの繰越金は、令和３または４年度に開催の国際会議等での研究成果発表で使用する計画です。
また、購入予定だったLDVや熱流速計が高価だったために購入できなかったこと等により余剰金が発生した。そこで、LDVは現有品を改修し使用した。また、熱流速計は現有品を再校正することに因り使用可能であることがわかった。本余剰金は今後のLDVや熱流速計のメンテナンスおよび本研究に不可欠な高速度カメラのメンテナンス並びにこれらに関連する観測窓等の光学部品や燃焼器部品などの購入に有効活用する計画です。
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