燃料物性・特性から迫る、純アルコールディーゼル機関実現に向けた自着火制御技術開発

• Project/Area Number: 22K03974
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Sojo University
• Principal Investigator: 内田 浩二 崇城大学, 工学部, 准教授 (00454950)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: 再生可能エネルギー / アルコール燃料 / 噴霧 / 混合気形成 / 自着火 / 燃焼 / ディーゼル機関 / 可視化 / 噴霧混合気形成過程 / 噴霧蒸発

Outline of Research at the Start

石油資源に脆弱な我が国において生産できる再生可能なバイオ燃料は植物由来アルコールに限定される．このため，アルコール燃料に対応する定置型/移動型転用可能なディーゼル型高効率エンジンシステムを開発することには意義がある．従来の物理的なエンジン改造ではなく，燃料の物性・特性を考慮した自着火燃焼制御法を確立すれば，アルコールのみならず多彩な燃料に対応するエンジン開発が可能となる．特に問題となる着火遅れに影響する因子は既に特定し，相関付けが可能なレベルに達している．本研究では噴霧可視化実験を通し，上記要因に加え，噴霧混合気形成における蒸発過程を把握し，それを基にした自着火燃焼制御法を具体的に提案する．

Outline of Annual Research Achievements

エネルギー・環境問題を背景に、本研究は植物由来アルコールをはじめ、様々なバイオ燃料に適した高効率ディーゼル型エンジンシステム実現に向け、そのキー技術である自着火・燃焼制御法の確立を目指そうとするものである。
これまで行ってきたアルコール噴霧の混合気形成過程に対する理論検討ならびに定容燃焼炉を用いた噴霧可視化実験を通し、噴霧による混合気形成および自着火現象を支配する要因には、燃料物性（理論空燃比と蒸発潜熱）に関わる内部要因と周囲ガス条件（圧力・温度・酸素濃度）に関わる外部要因があることが分かった。昨年度は純アルコール燃料の噴霧自着火を捉えるため、予混合燃焼を利用したガス加熱方法を採用した定容燃焼炉を新たに構築し、噴霧可視化実験を実施した。その結果、エタノール（特級：99.5%）の噴霧混合気形成過程を可視化することができたが、装置周辺からのガス漏れおよび観測窓ガラスの破損等により、エタノール噴霧の自着火現象を捉えることはできなかった。本年度は装置改修を主に行い、実験を繰り返し行ったが、高圧環境を維持できず、エタノールの自着火を捉えることはできなかった。現在は装置設計変更を含め、再検討を進めている段階である。
一方では、最終年度に予定していた実機関における自着火・燃焼制御法の検証実験に向け、燃料噴射系の改良（ジャーク式からコモンレール式燃料噴射への変更）およびエンジン整備が概ね完了した。現在、試運転を実施し、燃料噴射量増加（エタノールの低位発熱量が軽油等より低いため）に向けた改良を施しながら調整を進めている。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

本年度は昨年度構築再した予混合燃焼によるガス加熱利用の定容燃焼炉用いて噴霧可視化実験を行い、エタノールの着火遅れと自着火支配要因を定量的に評価する予定であった。しかしながら、観測用窓ガラスの破損および装置周辺からのガス漏れにより、高圧環境を維持できず、エタノール噴霧の自着火現象を捉えるまでには至らなかった。この問題に関する情報収集のため、国際会議The 13th TSME-ICoMEに参加中、過去定容燃焼炉を開発されたRajamangala University of Technology Lannaの教授を訪ね、打合せを行った。現在、ご教授頂いた方法を参考に装置改修を進めている。
一方で、本年度実施を予定していたDBI法構築に向け、光源を超高速で切り替える制御回路を開発すべく、国内企業を調べた。しかしながら、基礎回路はあるものの、コスト面および技術面において折り合いがつかず、難航している。現在はレーザー加工機等を製造している企業を中心に再検討を進めている段階である。

Strategy for Future Research Activity

現時点においては装置不具合により計画が相当に遅れている。装置が完成すれば、パラメータ試験自体は短時間で実施可能であるため、実験期間は圧縮できると考えている。しかしながら、装置改修に充てる時間も限られていることから、本年度は最終年度に実施を予定していた実機関による性能評価を前倒しするべく、その整備を並行して行ってきた。現在、燃料噴射系を改造（コモンレール式燃料噴射式）したエンジンの整備が完了し、計測系を含めて試運転できる環境まで整った。次年度は実機関に純エタノールを供試して着火・燃焼特性試験を実施し、燃料噴射方法（噴射時期や多段噴射）がエンジン性能に及ぼす影響について調べる予定である。
噴霧可視化実験については8月までに装置本格稼働を実現し、低級アルコール（エタノールからペンタノールまでの4種類）を供試した実験によって、燃料物性・特性と着火遅れの関係を詳細に調べる予定である。その後、周囲ガス条件（圧力・温度）をパラメータとした実験を通し、純アルコール燃料の着火遅れと自着火支配要因の関係を示す3Dマップを作成する。これにより各燃料の着火遅れに対する自着火支配要因依存性を把握するとともに、実機関による着火・燃焼特性試験結果と照らし合わせることで、自着火・燃焼制御法に関する独自の方法論を提案する予定である。