2022 Fiscal Year Research-status Report

Advanced application of low-temperature plasma for reduction of environmental impact in heat engines

Research Project

Project/Area Number	20K04939
Research Institution	Kobe University
Principal Investigator	段智久神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (80314516)
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) 大嶋元啓富山県立大学, 工学部, 講師 (40511803)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
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 / プラズマ可視化 / ナノパルス放電
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題の目的は「エンジン燃焼室における低温プラズマ生成の影響を検証し、プラズマ支援燃焼を熱機関の性能向上に資する」ことにあり、研究実施は「低温プラズマを発生させる電極を作成し、定容容器および二元燃料エンジンを試作して、放電の効果を実験的にとらえる」という計画である。圧力容器（既得）内に積層型の電極（正極：ピッチ10mm鋸刃上電極、負極：長方形平板）を設置し、電極にかける電源を電圧30[kV]、電流値を0.5、1.0、2.0、3.0[mA]と設定した。ヒーター加熱によって雰囲気温度を変化させた場合（10～55[℃]）、温度上昇とともにオゾン生成量も増加することが確認することができた。微量濃度の亜酸化窒素（3[ppm]）を混入し、室温条件での放電試験も行い、亜酸化窒素濃度の変化量を計測した。その結果、放電時間・設定電流値の増加とともに、その濃度が増加する結果となった。同軸円筒電極系において、円筒内に定常的な低温プラズマを形成するための電極系の提案とプラズマ点灯実験を実施した。放電方式を誘電体バリア放電とし、交流高電圧を印加することで定常的なプラズマの発生が認められた。また、円筒電極の長さ100mmに対して，プラズマへの投入電力は7.5 Wであった。燃焼室内および排気管内の雰囲気条件の模擬のため、高圧容器を作成した。また、容器内にプラズマを投入できるような電極形状の検討と生成されるプラズマの可視化およびスペクトル測定を行った。放電方式には誘電体バリア放電を採用した。電圧および電極間はパッシェンの法則を基に検討した。その結果、印加電圧電12 kV、極間距離1 mmのとき、安定的にプラズマを生成することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 過年度までに試作を行った二元燃料エンジンを用いて、エンジン燃焼室内部で放電を行って機関性能の変化を試験した。使用した放電用の電極は、正極はM3x135[mm]のネジ棒にナット状のスペーサを取り付けたもの、負極は外形10[mm], 内径8[mm]のシリンダー状で表面に放電が行えるスペース（直径2.5[mm]）を複数設けたものである。放電電流値を変化させて実験を行った。軽油のみの運転では、0.5[mA]から2.0[mA]の付近で熱発生率は向上し、燃焼性が改善されたと考えられる。一方、二元燃料運転の場合では放電を行うと熱発生率は低下し、天然ガス噴射時間3[msec.]では電流値の増加と熱発生率の増減に相関性が見られなかった。機関改造によって、安定した着火が行えなかったことが原因と考えら、今後の吸入空気の加給を行うなど、安定燃焼を得ることを検討したい。また、ナノパルス放電の試みでは、低温プラズマを安定かつ定常的に形成できる電極系の試作が進んでいる。今後は耐熱性を考慮したものに改良することで燃焼室内部に導入する実験が実施できる見込みである。さらに、プラズマ可視化については、電極の検討が終了し、大気圧での定常的な低温プラズマの生成に成功した。現在、高圧容器内に電極を設置する作業が進んでいる。今後、燃焼室、排気管の条件を模擬した低温プラズマ点灯実験を進める見込みである。以上より、当初計画した「エンジン燃焼室における低温プラズマ生成の影響を検証する」という目的は、おおむね順調に進展していると考える。
Strategy for Future Research Activity	最終年度の延長継続期間には、本研究課題の研究成果をさらに精緻にするための追加実験と論文による総括を行う予定である。これまでに、定容容器を用いた実験から、温度・組成など雰囲気の気体条件を変化させた場合の低温プラズマの効果をオゾン濃度の計測から効果を類推してきた。また、電子制御式に燃料噴射を改造した小型直接噴射式ディーゼルエンジンをもとに、吸気管にガス燃料を噴射して筒内への軽油噴射によって着火させる二元燃料エンジンを試作した。追加実験では、試作エンジンの基本運転性能をさらに向上させるために、過給や燃料噴射タイミングをパラメータにした試験を実施する。また、CNG以外の気体燃料を適用できるかの検討を行う。定容容器を用いた実験では、湿度をパラメータにした試験を追加で行い、水素ラジカル介在の効果を検証する。ナノパルス放電の研究では、・耐熱性を考慮した電極系を作製し、大気圧下での低温プラズマの生成を試みる。さらに・大気圧を超える高気圧下において安定な低温プラズマを形成するため、交流高電圧電源の高電圧化と電源容量の増大を実施する。プラズマ可視化の研究では、・高温、高圧における電極を検討する。さらに・雰囲気組成の変化による低温プラズマ生成状態を可視化およびスペクトル測定により評価する。以上により、本研究課題で目的とした「エンジン燃焼室における低温プラズマ生成の影響を検証し、プラズマ支援燃料を熱機関の性能向上に資する」ことを達成したいと考える。
Causes of Carryover	予定をしていた海外での学術講演会参加が、大会開催が延期となり、渡航費を含めて交通費・参加費に支出がなかったため残金がでた。また定容容器における実験において、当初見込みの研究設備（N2O濃度計測器）が現有する機種に故障があり、そのレンタル手配に時間を要したため、十分な結果を得るまでには到達しなかった。二元燃料エンジンの試作機は完成したので、各種パラメータ変化での実験を重ねているが、さらに精緻な結果を得るために、継続延長された期間に総まとめの結論が得られるように努める。