| 研究課題/領域番号 |
22K03938
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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 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
小橋 好充 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (80469072)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 内燃機関 / デュアルフューエル / オゾン / カーボンニュートラル燃料 / ガス燃焼 / 着火 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
カーボンニュートラル社会の実現には，自然エネルギー由来の水素および水素と二酸化炭素から合成可能な低級炭化水素 (気体燃料：メタン，プロパンおよびブタン) および高級炭化水素 (液体燃料) の高熱効率な燃焼法の構築が不可欠である．そこで，本研究では，高級炭化水素とガス燃料のデュアルフューエル燃焼に微量のオゾンを導入することで，安定かつ燃焼完結性の高い超希薄燃焼法の構築を試み，最終的にはその燃焼方式の実現可能性ならびに最適ガス燃料組成を明らかにする．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，2023年度までに，再生可能エネルギー由来の水素および二酸化炭素から合成可能なメタンを主成分とするガス燃料を用い，高着火性の軽油を着火源とするデュアルフューエル燃焼エンジンにおいて，微量のオゾンを吸気に添加することを試みてきた．その結果，オゾンがエンジンの圧縮行程早期に活性の高い酸素ラジカルを生成し，天然ガスの着火を促進すること，この特性を活用することで高熱効率な運転が可能になることを明らかにした．
2023年度は，これまでと同一のエンジンにおいて過給機を用い，吸気量を変化させながら，天然ガスの希薄燃焼条件下における燃焼解析を行った．その結果，オゾンを吸気に導入せず吸気量を増大させる場合，軽油着火後に生ずる天然ガスの火炎伝播が緩慢化し，天然ガスの自着火が阻害される一方で，吸気量の増大に対し吸気へ導入するオゾン量を増大する場合，火炎伝播による熱発生率を高く維持することができ，火炎伝播による断熱圧縮効果とオゾン由来の中間生成物による化学的効果があいまって天然ガス自着火が促進されることを実証した．本実験では，軽油噴射時期を上死点近傍で固定したこと，およびオゾンの導入量が装置的な制約を受けたことにより，運転可能な天然ガス当量比の最小値は0.32であったが，図示熱効率は天然ガス当量比0.37で最大となった．エネルギバランスの解析から，オゾン添加と過給による高熱効率が可能となった理由は，オゾン添加により高い発熱の等容度と燃焼効率を維持したまま，希薄燃焼による火炎温度低下により冷却損失が低減したことが主要因とわかった．その一方で，本実験の範囲内ではオゾン添加でも天然ガス当量比0.32では燃焼悪化を回避することができず，今後の課題となった．また，化学反応解析によって，オゾンによる酸素ラジカルの生成は圧縮行程早期に酸化反応を促し，中間生成物を蓄積する効果があることを明らかにした．
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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
2023年度までに，数百ppmレベルの微量なオゾンと着火源となる燃料の噴射時期適正化によって天然ガスを主燃料とするデュアルフューエル燃焼の改善が可能なことを明らかにしている．さらに，2023年度は過給条件下においてオゾン添加量を調整し，種々の天然ガス当量比における詳細な燃焼解析を実施することができている．このことから，おおむね順調に進展していると判断している．
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| 今後の研究の推進方策 |
2024年も引き続き同一のエンジンを用いた実験を行う．デュアルフューエル燃焼の高効率化と低NOx化に関しては，複数の過給条件下において，オゾン添加に加え，着火源となる燃料の噴射時期適正化を試みることで，一層の改善を試みる予定である．
また，2023年度の実験により，オゾンから生成された中間生成物は，天然ガスの火炎伝播と自着火の両方を促進すること，および天然ガスが希薄なほどその効果が顕著となることが明らかとなっている．2024年度は化学反応解析ソフトウェアも併用しながら，そのメカニズム解明に取り組む．
最終的には，広い運転負荷範囲に対し，高熱効率・低NOxを実現する方法とそれを実現するメカニズムをまとめ報告する．
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