2014 Fiscal Year Annual Research Report
高温高圧環境における次世代Ｃ４バイオ燃料異性体の乱流燃焼機構と排出ガス特性の解明
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26289043
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小林 秀昭 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30170343)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
早川 晃弘 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (90709156)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 高圧燃焼 / 乱流燃焼 / バイオ燃料 / 異性体燃料 / 排ガス特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，燃焼学的に未開拓な高温高圧乱流燃焼の研究において，次世代バイオ燃料として有望なC4（炭素数4）アルコール異性体の乱流燃焼機構を明らかにし，反応動力学と乱流との相互作用に基づく極限環境乱流燃焼の学理構築を図ると共に，燃焼学的根拠に基づく次世代バイオ燃料燃焼システムの設計指針を提示することを目的とする．
平成２６年度は，はじめに代表的Ｃ４アルコールであるn-ブタノール（沸点が117℃で最も高い）で十分な試験を可能にするため燃料蒸発装置の改良を行った．Ｃ３アルコールであるプロパノールもこの温度で予熱すれば全異性体で実験可能である．C4アルカンであるブタン異性体の沸点は零度以下であるため大気圧下では蒸発装置は必要ないが今後に向けて検討を行った．燃焼試験では，最高圧力0.5 MPaまでのiso-プロパノールおよびn-プロパノール，1.0 MPaまでのiso-プロパノール/空気予混合火炎の安定化に成功し，OH-PLIF計測を実施することができた．更に乱れ強さを変化させた実験を行い，１条件に対して500枚のOH-PLIF画像を解析し瞬時火炎面を検出，さらに局所火炎面密度と反応進行変数との関係を求めることに成功した．その結果，最大局所火炎面密度の大きさは，層流燃焼速度で無次元化した乱れ強さu’/SLに対して，u’/SLが１より小さい領域ではiso-ブタノールがn-ブタノールより大きく，u’/SLが１より大きくなると両者に違いが見られなくなることが明らかになった．u’/SLが１より小さいと高圧下では乱流効果よりも流体力学的不安定性および熱物質拡散相互作用による不安定性の影響が大きくなることが知られており，そのことを考慮するとブタノール/空気予混合火炎における高圧下の固有不安定に対する異性体効果が始めて明らかになった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ｃ４アルコールであるブタノールの高圧乱流燃焼実験は1.0 MPaまで成功し，高温高圧燃焼試験は当初の計画通り順調に進展している．レーザー計測系の設置と調整については，OH-PLIFは高温高圧下の計測まで成功したが， NO-PLIFの調整は励起レーザーの色素選択とOH-PLIF励起レーザー光を同一直線上に調整することが課題として残っており，平成２８年度に実施することとした．一方で燃焼ガス分析はNOxおよびCO濃度計測に関して現有のガス分析計を用いて前倒しで計測を開始している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度以降は，アルコール系バイオ燃料の燃焼特性をアルカン燃料と比較するため，炭素数４のアルカン異性体に拡張し，1-ブタン，2-ブタンに対する高温高圧燃焼実験を実施する．アルカン燃料は含酸素燃料でないため燃料濃度が大きいと高圧下ではすす生成が激しくなり，火炎のレーザー計測が困難になることが考えられる．その場合，混合気をN2で希釈して火炎温度を低下させすす生成を抑制することも考慮する．ブタン燃料に対しもOH-PLIF計測を実施し，平均反応変数を求めてC4ブタノールにおける火炎構造，乱流燃焼速度，平均火炎領域体積と比較し，平成２６年度度取得したデータと併せてフラクタル解析を実施し，乱流火炎構造を特徴付ける乱流火炎帯凹凸スケールの情報を得る．ブタン異性体の影響もこれらの計測から明らかにする．NO-PLIFについては光軸調整を完了させる．NOは蛍光強度が弱いため積算画像計測実施も考慮に入れておく．ブタノール異性体とブタン異性体のNO-PLIF結果と比較し，NO生成に対する含酸素燃料の影響，異性体の影響を調べる．燃焼ガス分析も引き続き行い，異性体効果ならびに含酸素燃料の効果を明らかにする．特に，重要な研究目的である高圧下のすす生成機構やNOx生成機構ならびに乱流燃焼特性の違いが，含酸素燃料とアルカン燃料の違いに起因するのか，異性体構造に起因するのかを明らかにする研究を進めていく．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が数千円のため、繰り越したほうが次年度有効に利用できるため.
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は、今年度の研究を効率的に推進したことに伴い発生した未使用額であり、平成27年度請求額とあわせ、平成27年度の研究遂行に使用する予定である.
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