2020 Fiscal Year Research-status Report
Advanced application of low-temperature plasma for reduction of environmental impact in heat engines
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20K04939
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
段 智久 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (80314516)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
赤松 浩 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (10370008)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 低温プラズマ / 放電特性 / プラズマ支援燃焼 / エンジン排ガス / 温暖化効果ガス削減 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は熱機関の環境負荷低減を目的とし，高電圧を電極に印加して生じる放電によって生成するプラズマをガス燃料等あるいは空気との混合気に，また燃焼反応の途上にある中間生成物群に照射して，燃焼改善を行うことを目指している．とくに大気圧よりも高い雰囲気圧力場で，熱非平衡のプラズマ（低温プラズマ）を安定的に発生させること，また燃焼に与えるその効果を同定することを行う．
初年度は高気圧場での放電効果を確認するために，上下フランジ（ふた）と円環からなる定容容器を試作して実験を行った．円環部は，エンジン（研究室所有の小型高速直接噴射式噴霧燃焼機関）への適用を考えて，シリンダブロックとシリンダヘッドの間に挿入する部品装置を兼ねるものとした．
直流高圧電源を用いた放電現象を確認するために，電極をインコネル素材で作成し，中心部に長手方向に長さをもつ細目ねじを，外周部に同程度の長さをもつ円環（電極の外部との気体交換が可能なように円形の貫通穴を敷設）によって作製した．ねじ部に巻線構造（先端突起部）を設けることで，外周電極との間で直流電源においても安定した放電がおこることを確認できた．
また高圧パルス電源によってプラズマ生成が可能なように，制御電気回路の製作を行い，同軸円環・円柱電極間において大気圧雰囲気場でプラズマが生成できることが確認できた．
さらに，試作した定容容器部品を研究室で所有するエンジンに適用して，製作・検証した同軸円環・円柱電極を取り付けてエンジン運転を行い，電極に印加する高電圧を一定のまま，電流値を変化させて，電圧・電流の変化とエンジン運転状況との比較検証を行った．詳細には明らかにはなっていないが，エンジン燃焼室内でもプラズマ生成が行われる条件があることを確かめた．
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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
本年度，低温プラズマの安定的な生成を目的にして，1)電極の素材や構造を検討して試験，2)構成部品がエンジン試験で利用できるような定容容器を設計・作製して雰囲気の条件（組成，圧力）をパラメータにして試験，3)エンジン内に1)で制作した電極を挿入して試験運転を実施，4)直流高圧電源にかえて高圧パルス電源によるプラズマ生成を検討など，多角的な検討を行って，それぞれに知見を得ている．
定容容器を用いた実験では，窒素雰囲気，窒素＋酸素雰囲気で放電特性を測定（電流・電圧値変化を計測）した．その結果，①放電特性は試作した電極により火花放電およびアーク放電が発生しにくいことを得た．②放電によって生じるオゾン濃度測定では，測定値にばらつきが大きく，電極温度が影響を与えていることが示唆された．③電極に流れる電流方向を変えて電極の正負を反転させた場合，コロナ放電を発生させることが困難であることを確認し，正極は針状の形状が望ましいと考察した．
さらに，定容容器の側面部品をエンジンのシリンダ延長ブロックに転用して，同電極をエンジン内に保持する形とし，その電極との干渉を防ぐピストンを試作した．オリジナルのエンジンよりも機関圧縮比が下がるものの，軽油による通常の運転が可能であることを確認した．
また，将来的なエンジンにおけるプラズマ放電実現を目指し，高圧パルス電源を試作した．その結果，１秒程度の短時間運転において，12kVのナノ秒パルス電圧の発生を確認し，それによって前述の同軸型電極において安定した放電現象を確認することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
高圧雰囲気場（大気圧に比較して）における低温プラズマ発生とエンジンにおける低温プラズマ生成方法を引き続き検討する（神戸大学）．プラズマ支援燃焼の効果は”生成オゾンによる“ことが有意であると示唆された．これを帰納的に実証していく．具体的には，地球温暖化効果ガス削減の観点から，1)定容容器内においてメタンあるいは亜酸化窒素を含む雰囲気場を形成し，雰囲気圧力をパラメータにしてプラズマ効果を検証する．エンジン適用の観点から，2)簡易風洞を作成して流動場におけるプラズマ現象を検証し，3)エンジンにおけるプラズマ生成に適した電極構造についてさらに検討をすすめる．
つぎに，ナノ秒パルス電源によるプラズマの発生と活性種の同定を行う（神戸市立工業高等専門学校）．プラズマ発生用の電源を立ち上がりが急峻なナノ秒パルス電源としてプラズマを生成する．一般的な低温プラズマ生成に用いられる低周波交流高電圧電源に対してナノ秒パルス電源で生成するプラズマの特徴を明らかにするため，乾燥空気中でプラズマを発生したときの放電特性およびラジカルを評価する．
つぎに，ラジカル発光計測により，本研究の低温プラズマの特性を同定する（富山県立大学）．パルス電源を用いて空気および窒素の低温プラズマを生成し，低温プラズマ特性を同定する．窒素+燃料混合気の低温プラズマを生成し，その特性を評価する．その測定結果から低温プラズマによるラジカル生成の効果と燃焼特性の関係を考察する．
以上は，次世代船舶機関への適用を視野にいれている．「国際海運におけるゼロエミッションロードマップ（国土交通省 R2年3月）」において，アンモニア直接燃焼およびメタン直接燃焼が候補として挙がっている．これらは，毒性や地球温暖化係数の高い物質が大気に放出する可能性があり，本研究で構築する「高圧場におけるプラズマ放電効果」によって削減あるいは解消できる可能性がある．
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| Causes of Carryover |
初年度、コロナ対応で共同研究が細部まで実施できなかった。
本来は研究者相互に実験室を見学して、意見交換する予定であったが、すべてキャンセルとなった。
今年度はやはりコロナ感染拡大で自粛が必要であるが、できるだけスムーズに実験を遂行していきたい。
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