高速多重衝突噴流の圧縮燃焼原理に基づく多用途・高効率エンジンの原理研究
| Project/Area Number |
18J22401
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Research Field |
Thermal engineering
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| Research Institution | Waseda University |
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| Research Fellow |
小長谷 礼美 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
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| Keywords | 多重衝突噴流 / エンジン / 衝撃波 / 断熱 / 数値計算 / 高圧縮 / ロケットエンジン / 自己着火 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に非燃焼状態で噴流群の衝突による圧力上昇度を定量化した多重衝突パルス噴流圧縮原理に基づくプロトタイプエンジンを用いて、今年度は燃焼実験を行い、「燃焼時の中央一点自己着火と気体断熱効果」について評価した。
まず、新たに燃料噴射信号や流入圧力も測定することで、燃料噴射タイミングの最適化を行った結果、燃焼実験の着火成功率が昨年に比べて大幅に向上した。次に、向かい合う位置に2つの同型の圧力センサを設置したところ、燃焼室中心軸付近で自己着火が発生していることが確認できた。また、燃焼室径が18 mmとかなり小さいにも関わらず、燃焼によって圧力が上昇している間に壁面の温度は大気レベルを保っており、壁面での断熱効果を示唆する結果が繰り返して得られた。
さらに、エンジンの燃焼実験において、ピーク値で150 N以上の推力が繰り返し得られた。これを、燃料の当量比、および1サイクルあたりの推力を算出するための時間平均の両方について換算し、既存の小型ロケットエンジンの定常状態での推力と比較しところ、同程度のオーダーかそれ以上である可能性が確認できた。
以上の研究成果を、査読付き主著者学術論文として発表した。さらに、昨年度定量化した非燃焼状態の圧縮度合いについても、2件の査読付き主著者学術論文として公開した。また、国際会議での論文および口頭発表が評価され、計2件の受賞を受けた。
なお、炭化水素等の燃料と生命内分子群を加速因子と抑制因子に大別し、化学反応の急低下予知制御の新たな方法論も提示して、エンジンへの適用も検討し、1件の査読付き主著者学術論文として公表した。
また、研究で用いた流体の数値計算方法を高精度化する研究も行った。全体的および局所的な数値誤差の両方を低減する新しい補正方程式を提案し、その有効性を理論および数値解析によって示した。これについても2件の査読付き主著者学術論文として公表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度も、3つの研究課題について、多数の査読有の学術論文と4つの受賞等、期待以上の研究成果を提示し、大きな進展を得ることができた。
1つめは、多重衝突パルス噴流圧縮原理の「非燃焼状態における中心点圧力」についての実験と数値解析を査読のある学術論文で公開し、更に高速な噴流条件でも実験も行なった点である。
2つめは、昨年度を大幅に超える回数の燃焼実験を行いながら、新たに、燃焼時壁面圧力を複数の点で計測して、燃焼室中央部で安定に自己着火燃焼が起きていることも確認した上で、査読のある学術論文を公開した点である。なお、これらの成果を踏まえて、学外でロケットの基礎実験を今年度に実施すべく準備を進めてきている。
3つめは、高精度な数値解析を可能にする理論・方法を独自に提案し、査読のある学術論文として公表した点である。
2019年度には、国際学会での発表も6件（国外4件、国内2件）行った。また、上記の成果に対して、4つの受賞をなしとげた。そのうちの2つは学生に対する国際的な賞であり、それ以外の2つは、ポスドクや教員等を含む研究者を対象としたものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、多重衝突パルス噴流圧縮燃焼原理を用いたプロトタイプエンジンの燃焼実験において、実験条件の変更や、エンジン本体の形状改善を行うことにより、より安定に燃焼できるようにする。
まず、燃焼実験における推力の測定も継続して行い、比推力と合わせて既存のエンジンとの比較を行う。また、引き続き、燃焼室壁面の向かい合う2か所に設置した圧力センサで圧力を測定することで、燃焼室中央で衝突圧縮していることを確認する。
次に、形状改善を行ったエンジンを用いて実験を行う。昨年度までに実施した、三次元数値解析と実験の両方を用いた非燃焼時における圧縮度の定量化によって、燃焼室径に対する噴流群の吸気管径を太くし、衝突する噴流群の本数を増やすと圧縮度が高まることが分かった。よって、そのように噴流群の衝突形態を改善した、改良型プロトタイプ機を3Dプリンターも用いて製作中である。それを用いて、まずは、非燃焼状態での作動確認を行い、以前のエンジンよりも噴流衝突による圧縮度合い、燃焼安定性が上がることを確認する。
なお、この改良型プロトタイプ機での燃焼実験に備えて、安全対策も更に追加する。さらに、この改良型プロトタイプ機の燃焼実験を、学外の実験設備で実施する計画を進める。そのための実験装置の追加制作、および学内の実験装置の移送も行う。加えて、燃焼安定度の予測に関する理論的な考察も検討する。
また、多重衝突パルス噴流圧縮燃焼原理に関してこれまで行ってきた非燃焼および燃焼状態での研究成果等をまとめ、博士論文を執筆する。
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Report
(2 results)
Research Products
(21 results)
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[Journal Article] Two prototype engines with colliding and compression of pulsed supermulti-jets through a focusing process, leading to nearly complete air insulation and relatively silent high compression for automobiles, motorcycles, aircrafts, and rockets2020
Author(s)
R. Konagaya, K. Naitoh, T. Kobayashi, Y. Isshiki, H. Ito, H. Makimoto, Y. Kobayashi, Y. Tada, N. Kikuchi, A. Hosoi and Y. Fujii
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Journal Title
SAE Technical Paper
Volume: 2020-01-0837
Pages: 1-31
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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[Journal Article] Silent Strong Compression, Nearly Complete Air-Insulation, and High Thrust Repeatedly Obtained by Pulsed Rocket Engine Based on Colliding Supermulti-jets2019
Author(s)
Remi Konagaya, Sota Kawaguchi, Junya Mikoda, Kodai Kinoshita, Hiroki Makimoto, Yoshiki Kobayashi, Tomotaka Kobayashi, Yusuke Tada, Shi Lujiang, and Ken Naitoh
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Journal Title
AIAA Paper
Volume: 2019-4312
Pages: 1-13
DOI
Related Report
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[Presentation] Silent Strong Compression, Nearly Complete Air-Insulation, and High Thrust Repeatedly Obtained by Pulsed Rocket Engine Based on Colliding Supermulti-jets2019
Author(s)
Remi Konagaya, Sota Kawaguchi, Junya Mikoda, Kodai Kinoshita, Hiroki Makimoto, Yoshiki Kobayashi, Tomotaka Kobayashi, Yusuke Tada, Shi Lujiang, and Ken Naitoh
Organizer
AIAA Propulsion & Energy Forum 2019
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