2020 Fiscal Year Research-status Report
軽油・重油へのファインバブル添加による燃費改善および排ガスクリーン化
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20K05409
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| Research Institution | Kurume National College of Technology |
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Principal Investigator |
中武 靖仁 久留米工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (30280481)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ファインバブル / ディーゼル機関 / 燃料消費率 / 有害排気ガス / 燃焼解析 / 燃焼促進 / 微粒化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ファインバブルを添加したディーゼル燃料の燃焼改善のメカニズムとしては，燃料がシリンダー内部へ噴射された直後，ファインバブルの再析出や膨張破裂により，噴霧燃料の微粒化の促進と混合気形成の向上を引き起こす．さらに，噴霧された液滴燃料表面の揺らぎを誘発し，伝熱・蒸発・燃焼の促進を引き起こす．結果として，着火性の向上，燃焼時間の短縮，燃えきり性の向上による燃費の低減，およびNOx，黒煙、PMの低減から排ガスクリーン化へつながるものと考えられる．
しかしながら，大型船舶や火力発電所等の燃料であるＣ重油は，高温（150℃程度）・高圧（0.5 MPa程度）・高粘度（100cSt程度）という過酷な環境下で使用されている．ファインバブル添加の有利性を最大限に発揮させるためには，機関サイズやタイプの異なる各種ディーゼル機関に，最適な気泡径と気泡量にコントロールする必要がある．
そこで本研究は，高温・高圧・高粘度な劣悪ディーゼル燃料中へのファインバブル添加技術開発と，それによる燃費改善と排ガスクリーン化を目的とした．
まず，ファインバブル生成器ならびに大気泡の分級を含めた装置開発として，それぞれのファインバブル生成器ごとの操作条件（燃料/空気の圧力・流量）の及ぼす，ファインバブル特性（サイズ・量）への影響について，実験的に検討した．これまでの研究では，大気圧化で燃料にファインバブルを添加していたが，Ｃ重油への対応として，まずは，Ａ重油を用いて燃料圧力の影響について検討した．実用上の目標となる数値は，大気圧下のＡ重油に対して燃費改善効果の実績（5％改善）のある算術平均気泡径40m，添加量としてはボイド率（流体に占める気体の体積割合）5％とした．続いて，Ｃ重油を用いて，温度，動粘度とファインバブル特性の影響について検討を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ファインバブル生成器ならびに大気泡の分級を含めた装置開発として，ループ式と加圧溶解式ファインバブル生成器について，操作条件（燃料/空気の圧力・流量）の及ぼす，ファインバブル特性（サイズ・量）への影響について，実験的に検討するために，循環式の実験装置を構築した．その結果，加圧溶解式よりループ式の方が，気泡径が小さく，気泡量が多いことがわかった．また，空気供給量が多いほど、燃料温度は低いほど気泡混入量が多くなることがわかった．
加圧・可視化燃焼性試験装置による燃費改善メカニズムの解明を目的に，試験装置の再検討を行った．結果として，加圧・可視化可能なバッチ式の試験装置では，ファインバブル燃料の供給再現性が困難であることから，現有装置の燃料配管系統，機関温度一定化などの改良を行うことで，精度の高い実験装置を設計，製作した．
さらに，Ｃ重油を用いて，温度，動粘度とファインバブル特性の影響について検討を行った．その結果，ファインバブルをＣ重油へ添加することで，動粘度が小さくなることがわかった．
最後に，新型コロナの影響で，研究活動が制約された．また，令和2年度後期，実験室の改修工事に伴う，実験装置の移設のため，その間，進捗がやや遅れた．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究において，ファインバブルを添加した燃料のディーゼル燃焼は，燃料噴射時期の遅れ，燃焼速度の向上，燃焼時間の短縮が確認された．そこで，より実験の精度と再現性を高く評価できるように，燃料の噴射圧力と噴射時期を任意に設定できる既存のコモンレール式試験装置の燃料配管の見直しやエンジン温度恒温化に改造した．本実験装置を用いて，ファインバブル添加燃料の燃費改善メカニズムの解明とさらなる燃費改善効果の向上に関する実験を遂行する．
次に，ディーゼル機関の燃費性能が改善されたメカニズムの詳細を探り，更なる性能改善に対する検討としてファインバブル内のガス種の影響について検討を行う．すなわち，ファインバブル添加による燃料の微粒化が原因なのか，ファインバブルとして添加した気体の拡散燃焼促進が原因なのかに対する検討を行う．添加気体としては，酸素，窒素や二酸化炭素とするが，重油焚きボイラー燃焼のカロリーアップとして期待される可燃成分である水素などについて検討を行う．
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| Causes of Carryover |
設計，製作予定の加圧・可視化燃焼性試験装置では，ファインバブル燃料の評価が困難であることが判明したため，既存のコモンレール式試験装置の燃料配管系統やエンジン温度恒温化の改造を行った．そのため，改造個所の一部が，新型コロナウィルス，および実験室の改修工事も重なって納品が遅れた．
次年度以降は，ほぼ予定通り研究が遂行可能と考える．
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