Effects of Sustainable Aviation Fuel Components on Jet Engine Combustion and Exhaust Gas Dynamics

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H01676
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 津江 光洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50227360)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡井 敬一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (00358516) ; 中谷 辰爾 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00382234) ; 藤原 仁志 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (40358453)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: ジェット燃料 / 持続可能な航空燃料 / 燃焼不安定性 / 振動燃焼 / ジェットエンジン / 燃焼器 / 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

様々な成分を持つ持続可能な航空燃料(Sustainable Aviation Fuel: SAF)の燃焼特性を明らかにするため，JetA-1およびSAF燃料の燃焼特性に関して，高エンタルピー風洞におけるモデル燃焼機を用いて燃焼試験を行った．HEFAをSAFのベース燃料とし，HEFAに粘性，引火点，セタン化を考慮し，官能基に着目し燃料成分を加えることで燃焼試験を実施し，希薄吹き飛び限界を実験により調べた．実験は一定当量比で燃焼させた後，バルブをステッピングモータで駆動させることで徐々に小さくしていった．高引火点，高粘性，高芳香属成分，低セタン価，シクロアルカン，ナフタレン，ノルマルアルカン，イソアルカン等の燃料成分を加えることで，それらの影響を調べた．
一般的に，当量比を希薄限界に向けて下げていくと，希薄限界付近で火炎の保炎位置がばらつき始めた後，最終的には吹き飛ぶことで消炎した．それらの希薄吹き飛び限界は成分によって影響を受け，付加した燃料成分の違いにより吹き飛び限界が変化した．また，これらの吹き飛び限界に及ぼす影響をセタン価，動粘性係数，ノルマルアルカン質量分率、イソアルカン質量分率，シクロアルカン質量分率，芳香族成分質量分率で調べた．
GCxGC-MSにおいて，計測装置の改良を行った．窒素発生機による窒素供給を行うことで，長時間の計測を可能とした．これらの燃料成分の二次元スペクトル測定を実施した．上記の燃料に関して，測定パラメータを調整することで，二次元スペクトルを得ることができた．
エミッションインデックスを考慮した，航空機のジェット排気による飛行機雲形成による地球温暖化を評価する全球大気シミュレーションの予備計算を実施した．他コードを用いた過去の研究と比較して概ね同オーダの結果が得られており，信頼性のある数値計算手法を構築することができた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

高エンタルピー風洞を用いた実験に関して，ステッピングモータを用いたバルブ制御により希薄吹き飛び限界付近を精度良く求める手法を構築した．それによりHEFAに各種の炭化水素成分を加えた実験を実施することができ，燃料成分の違いによる希薄限界の変化を明確に捉えることができており，大型設備の利用により，実験施行回数が制限される中，効率的に代表成分を抽出することができている．GCxGC-MSを使った計測においても，長時間の実験の実施が可能となり，燃料成分のスペクトルを効率よく取得できるようになった．燃焼特性，熱物性値をこれらの燃料スペクトルと関連付けることが可能となっている．
GCxGC-MSの計測においてはパラメータの最適化を行い，条件を設定することで，明確に成分の分離を行いながら精度良く計測する手法を確立した．また，長期間の計測が可能となっており，今後スペクトルデータを効率良く測定することが可能となった．
全球大気モデルを用いたシミュレーションでは，数値計算手法を確立し，予備数値計算を実施しJetA-1を用いた場合の飛行機雲の生成特性の評価を行い，妥当性検証が行えた．今後，粒子状物質の排出量が少ないSAFの燃焼排気に対して飛行機雲の生成特性を全球大気シミュレーションで検証するノウハウを確立した．

Strategy for Future Research Activity

引き続き，ノルマルアルカン，イソアルカン，シクロアルカン，芳香族，多環芳香族といった成分をSAF燃料に添加し，希薄吹き飛び限界や熱物性値に及ぼす影響を調べ，GCxGC-MSによる燃料スペクトルの計測を実施する．理論的な式に基づく物性値の推論に加え，計測により熱物性値を求める．JetA-1，HEFA，HEFAに各燃料成分を加えた燃料に対して，パラメトリックに計測を実施する．燃料成分の追加を行う．
GCxGC-MSによって得られた燃料成分の二次元スペクトルをガウス過程潜在変数モデル等により低次元の潜在空間にマッピングし，上記で得られた希薄吹き飛び限界，熱物性値等と関連づける．同時に敵対的生成モデルを応用したオートエンコーダを利用することで，それらの特性をあらかじめ想定した分布を持ついくつかのグループに分類することで，それらの特性を分類したり予測に応用する．それらによりどのようなスペクトル成分がそれらに影響するかを明確にする．
上記の燃焼はエアブラストアトマイザによるダブルスワールのパイロットバーナにおいて実施される．今後は，それらに加えメインバーナを持つステージドバーナを用いた実験も行う．希薄燃焼時の燃焼不安定性に及ぼす燃料の影響を調べる．
SAFを使用した航空機が地球環境に及ぼす影響を評価するため，航空機の排気による影響の中で特に大きな影響を占めると言われている飛行機雲による温暖化に着目し，全球大気シミュレーションを実施する．芳香族成分の含有量により粒子状物質の生成が大きく変化すると考えられる．一方で，現在のSAFの運用においては一定量の芳香族成分の付加が義務付けられるため，純粋なSAFから芳香族成分の変化によりSootのエミッションインデックスを変化させ，飛行機雲による放射強制力の変化を調べることで環境負荷への影響を調べる．