| 研究課題/領域番号 |
21K03890
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
柴田 元 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70613785)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 燃料改質 / ディーゼルエンジン / バイオガス / ピストン圧縮 / 改質ガス / 水素 / 一酸化炭素 / 化学動力学計算 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，燃料をディーゼルエンジンの改質気筒でピストン圧縮により水素，一酸化炭素，メタンなどのガスに改質して着火性を変更し，そのガスを出力気筒に導入して出力気筒の運転条件に最適な改質ガスを供給し，系全体での熱効率の向上を図るものである．研究では特に改質気筒での燃料改質に着目し，改質条件（当量比，酸素濃度，改質温度）が改質効率および総合効率に与える影響を調べ，改質ガスの生成プロセスについて化学動力学計算CHEMKIN Proとエンジン実験の両面から明らかにする．この知見をベースに，例えば水蒸気改質反応や二酸化炭素改質反応を用いて改質ガスを能動的に生成する方法について提案をする．
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| 研究実績の概要 |
R3年度までの研究では窒素を多量に含む環境下で、軽油の代替としてノルマルヘプタンを用いた改質研究をエンジン実験と化学動力学計算の両面より実施し、水素や一酸化炭素の生成課程および収率を向上させる方法について検討を行った。これらのデータに基づき、R4年度は粗バイオガス（二酸化炭素とメタン）を用いたピストン圧縮改質装置を作成し、実験を実施した。
吸気としてノルマルヘプタンと空気の混合気、過濃なメタン、メタンと同量の二酸化炭素をディーゼルエンジン内に供給しピストン圧縮してノルマルヘプタンを着火源にドライリフォーミング反応を起こして一酸化炭素と水素を生成させるだけでなく、吸熱反応による排熱回収とエンジンの出力を得ることを目標としている。生成される水素と一酸化炭素は液体合成燃料（e-fuel）の原料であり再利用することができる。
メタンと二酸化炭素の供給モル比、酸素濃度、吸気加熱温度をパラメータに実験をした。その結果、メタンと二酸化炭素より一酸化炭素と水素が生成するドライリフォーミング反応がエンジン内で起こることが確認され、改質中の筒内最高温度が高いほど水素や一酸化炭素の生成割合およびメタンから水素への転化率が高くなることが確認された。また、二酸化炭素を供給せずにメタンだけを供給した場合は、ノルマルヘプタンの燃焼で生成する二酸化炭素とメタンによるドライリフォーミング反応が起こり、排気中に排出される二酸化炭素濃度を1％以下に抑制することができた。この結果は、ドライリフォーミング反応を利用してエンジンからの二酸化炭素排出削減が可能であることを意味しており、大変興味深い。
一方、高当量比環境で改質が行われるためスモークが高濃度で排出されることが課題である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究の進捗は順調であるが、新しい設備の導入などの際に時間がかかるため、同時に複数の計画を進行させることで、時間にロスが生じないように努めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまで吸気に大量の窒素を供給して実験を行ってきたが、実用化を考えると窒素希釈のない実際のエンジン環境で実施することが必要となる。過給や排気再循環などが行える設備に移管し、燃料に軽油を使用する実験を実施する。
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