2014 Fiscal Year Research-status Report
バイオガスの過膨張サイクルと直噴成層燃焼による高熱効率化と蓄電池への充電実証
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25420149
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
志賀 聖一 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (00154188)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荒木 幹也 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (70344926)
GONZALEZ・P JUAN 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (30720362)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | バイオマス / 熱効率 / 燃焼期間 / 圧縮比 / 成層燃焼 / 超過膨張サイクル / ガス燃焼 / 蓄電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
２年目として，(1)模擬バイオガス燃焼，(2)実バイオガス燃焼，(3)急速圧縮機による直噴成層燃焼，そして(4)超過膨張サイクルによる熱効率増大に関する実験的研究を行った．以下に概要を述べる．
(1)模擬バイオガスを，高乱流環境をディーゼル機関のボウルインピストン燃焼室で実現したなかで燃焼実験を行った．その結果，乱流強度をスキッシュ強度で，圧縮比をすきま体積でそれぞれ制御してその影響を明らかにした．その結果，実験範囲内において，乱流強度の影響が熱効率に顕著に影響するほどではないこと，圧縮比の増大も単純に熱効率を増大するわけではないこと，などが明らかとなった．また，水素割合の増大はノック限界を低下することなどがわかった．
(2)実バイオガス燃焼を，圧縮比12のコージェネ用小型天然ガス機関を用いて実験を行った．性能評価は，触媒を用いた低温ガス化で発生させたガスを用いて行い，交流のままでの電気抵抗での消費，およびブリッジ整流，コンデンサでの平滑，およびニッケル水素電池への充電，という方法での蓄電の二つの方法で実施した．その結果，前年度に比べて発生ガス条件の非常に低い条件で両条件とも実験を行うことができ，最高正味熱効率30%という標準の天然ガス燃焼以上の熱効率を達成することができ，従来の結果の妥当性を証明することができた．さらに，蓄電におけるダイオード効率や変圧器効率が低いという問題は，計測法の問題により発生すること，両効率ともにほぼ100%であることが示唆されたが，さらなる検証が必要である．
(3)急速圧縮機による直接噴射燃焼実験は，従来の再現性の問題解決をめざして実験を行った．
(4)超過膨張サイクルによる熱効率増大に関する実験的研究は，均一予混合自発点火燃焼(HCCI)の適用を中心として，図示熱効率45%を達成できることなどを明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度までに(1)～(4)の各項目についての達成度は以下のようであり，総合的に上記の自己点検結果となった．
(1)模擬バイオガス燃焼については，実験装置づくりを初年度に完了し，２年目として乱流強度の制御や圧縮比の影響はある程度明らかになったが，高圧縮比が可能なガス燃料で問題になると予想された燃焼期間については，その傾向が現れるに至っていない．燃料の組み合わせなどが限定的であることに起因することの確証が得られていない．さらに，熱効率の絶対値が図示において40%に到達しておらず，チャンピオンデータとしては不十分である．
(2)実バイオガス燃焼は，すべてのなかで最も達成度の高い項目であり，来年度分がメインとして予定していた蓄電実験まですでに実施しており，十分な達成度である．今年度は予想を超えて，ニッケル水素バッテリの個数が必要であったことから，実効ある結果が期待される．
(3)急速圧縮機を用いたガスの成層燃焼については，懸案の再現性検証を中心に実施してきた．とくに，燃料噴射弁の噴射率の影響を明らかにしてきたが，予想された大幅な希薄燃焼限界の変化が現れてこないなど，十分な達成度とは言えない．
(4)超過膨張サイクルによる熱効率増大については，低オクタン燃料である正ヘプタンを中心として，自発点火燃焼との組み合わせ効果を明らかにしてきた．燃焼効率の重要性や，超過膨張効果の利用など，超過膨張効果の観点からは十分な成果と言える．しかしながら，ガス燃料利用の観点からは着手しておらず，上記の模擬バイオガスとの関係を検討しながら再検討を要する段階にあると思われる．
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| Strategy for Future Research Activity |
全体的には，ガス燃料の利用という大きな目標に向かっており，動機付けも，シェール革命を含む天然ガス利用を視野に，次世代ガス燃焼の方向付けを与えるとの観点は正しい．しかしながら，４項目にわたる目標設定は広く，収束年度としては，バイオマス燃料の燃焼と蓄電に直接的な成果を，ほかの二つの項目については，間接的な成果になると思われるが，それぞれ以下の方向ですすめる．
(1)模擬バイオガス利用の最適化研究： ここでは，燃焼期間が熱効率に及ぼす影響が圧縮比の増大とともに顕著になること，そして，燃焼期間短縮でどこまで熱効率を増大できるかを明らかにすることに目的を集約する．そのことで，水素置換率や希釈率などのガス燃料組成設定条件を決めることとする．
(2)実バイオガスの燃焼と蓄電特性： 本申請テーマのメインテーマである．実バイオガスとして，ニッケル系触媒を用いた低温ガス化で生成したガスを用いていた．これは，他研究者から提供されるものであったが，別な研究者から，高温ガス化でも高効率でガス化できる可能性のあるガスの提供が打診された．そこで，今年度は，実バイオガスの一つとして，高温ガス化で生成されたバイオガスの適用を検討する．蓄電については，計測手法が確立されつつあるので，早急に充電効率の評価を確立するとともに，放電効率の計測も確立する．さらに，運転変動を伴う場合の充放電実験手法を検討し，バイオガス生成の変動を蓄電によって解決できる可能性を明らかにする．
(3)ガスの成層直噴燃焼： 急速圧縮機を用いた成層燃焼特性の再現性確保を早急に実現する．加えて，エンジン実験に適用可能なガス噴射弁について，その基礎燃焼特性を明らかにする．すなわち，安定した成層燃焼実現の可能性を，燃焼効率と希薄限界から急速圧縮機内で基礎的に明らかにする．
(4)上記噴射弁を超過膨張サイクル機関に適用し，ガス成層燃焼の究極の熱効率を求める．
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| Causes of Carryover |
ニッケル水素バッテリの発注個数の見積もりが少なかった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
今年度に新たに発注したい．
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Research Products
(5 results)
