超臨界アンモニア燃料噴霧の流動機構解明と着火性・保炎性向上手法の提案

• 研究課題/領域番号: 23K04264
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分24020:船舶海洋工学関連
• 研究機関: 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所
• 研究代表者: 川内 智詞 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 海上技術安全研究所, 研究員 (20549993)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2025年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 超臨界 / アンモニア燃焼 / 超臨界噴霧

研究開始時の研究の概要

アンモニアを燃料とする筒内直接噴射式エンジンでは，アンモニアの高い蒸発潜熱によって噴霧内温度が大きく低下し，これが噴霧の着火や保炎性能を低下させる要因となっている．この問題を解決するため，超臨界状態にある噴霧の性質を利用し，着火・保炎性能に優れ，たCO2削減効果の高いアンモニアの燃焼制御手法を確立する．

研究実績の概要

GHG削減を背景に、船舶燃料として燃焼時にCO2を排出しないアンモニアが注目されている。燃料としてのアンモニアは、発火点が高く、燃焼速度も低いなど難燃性である。また、アンモニアは、蒸発潜熱が非常に高い。そのため、エンジンにおいて液相状態で噴射されるアンモニアは、噴霧混合気を形成する過程において周囲から多くの熱を吸収し、混合気の温度を低下させる。研究提案者は、この高い蒸発潜熱による混合気の温度低下が、アンモニアの難燃性を助長する要因となっていると考えている。本研究の目的は、超臨界の性質を利用してアンモニアの潜熱による噴霧内温度低下を抑制し、難燃性であるアンモニアの保炎性能を向上することである。研究代表者は、舶用実機スケールのシリンダ内燃焼過程を観察できる大型の可視化装置の開発を進めている。提案する研究は、本試験装置を用いて実験を実施する計画としており、研究初年度となる当該年度では、提案した研究課題を遂行する上で必要となるアンモニアの噴射系ならびに、パイロット燃料噴射系を設計した。具体的には、アンモニアの高圧噴射試験を実施している先行研究を調査し、アンモニアの噴射で必要となる継手類や高圧配管、ポンプ類の選定および、要素部品の設計を行った。また、パイロット燃料噴射弁が装置に搭載できるようにするため、装置搭載用のアダプタを設計、試作した。これにより、アンモニアエンジンで主流となっているデュアルフュエルの燃焼方式が装置で模擬できるようになった。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

当該年度は、アンモニアの噴射系を構築し、可視化試験まで実施する計画としていたが、未達成となったため、遅れていると評価した。

今後の研究の推進方策

令和5年度に設計したアンモニア噴射系を装置に実装し、アンモニア噴霧の可視化試験を実施する。また、提案時の計画にしたがい、アンモニア噴霧の3次元CFD解析に着手し、実験では評価が難しい噴霧混合気の温度・当量比の推定を試みる。