| 研究課題/領域番号 |
17K06185
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| 研究機関 | 茨城大学 |
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研究代表者 |
金野 満 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (90205576)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 新燃料 / ジメチルエーテル / 改質 / 排熱回収 / 流量特性 / 水素 |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、DMEの理論空気量の低さ、PM生成傾向の低さ、改質平衡温度の低さといった特色を最大限に活かし、排気熱を利用したDME の吸熱改質反応を用いて、排気エネルギーの回収、改質成分による着火制御および希薄化により、石油系燃料では達成できない高効率・クリーン内燃機関を実現するための基礎的知見を得ることを目的とする。
2017年度の詳細素反応モデルを用いた反応解析の結果では、既往研究の結果から、改質温度がガソリン等の石油系燃料より低く、希薄域でも改質反応が進むことを予想していたが、改質温度はガソリンの場合と変わらず、希薄域での改質は難しいことが判明した。また、DMEの改質反応は空気過剰率に敏感なことが判明し、改質触媒システムを構築する上で、DMEと排気の混合が重要なことが示唆され、触媒システムへのDMEの流動・噴射特性の把握が重要な課題として浮上した。このことに対応するため、2018年度は一部計画を変更し、DMEの流動特性の把握を課題として数値解析によるノズル流路内挙動の把握を試みるとともに、検証のための可視化実験装置の構築に取り組んだ。そして、噴射圧が一定圧を超えると流量が一定となるチョーク現象を起こすことを実験的に明らかにした。数値解析によりその原因について検討した結果、流路内で発生したキャビテーションによって実効流路面積が減少することがチョークの主要因であり、さらに発生したボイドにより音速が急激に減少することもチョーク要因となっている可能性が示唆された。また、数値解析の結果を検証するための、ノズルを模擬した可視化装置を構築し、一部可視化の予備実験を実施するとともに改質特性検証のための反応解析装置を構築し、次年度の改質実験の準備を整えた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
2017年度における解析結果から、予想に反してDMEの改質反応は空気過剰率に敏感なことが判明したため、2018年度は高精度のDME供給装置構築のための流動特性の把握に取り組んだ。数値解析は順調に進み、可視化装置も構築できたが、当初可視化観察窓に用いた透明硬質アクリルはDMEによって浸食され、良質な画像を得ることができなかった。そこで石英ガラス製の観察窓に変更したが、チョーク現象が生じる30MPa程度の圧力では、少ない実験回数で破壊したため、十分な可視化実験を実施することができなかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
観察窓の破壊の原因は、装置の入口と出口の圧力差に基づく応力の偏りと推察される。観察窓の材料としてより強度の高い材質を選定するとともに、観察窓の保持方法を工夫して応力の分散を図りたい。その上で、キャビテーションの発生に着目してノズル流路内のDME挙動の高速度可視化観察を実施したい。また、2018年度に構築した改質反応装置を用いて、反応モデルによる数値解析結果の検証を行い、DMEの改質特性の把握を試みる。
当初の計画では、研究の最終年度に実機改質装置を製作して、試験エンジンを用いた改質実験を実施する予定であったが、上述のようにDMEの流動特性の把握が新たな課題となり、その解明のために工数と予算を割いたため、年度内の実施は困難な状況にある。ただし、DMEの流量制御のための重要な知見である流動特性を明らかにすることができ、さらに基礎的な反応改質装置を用いた改質特性の検証と併せて、DMEの改質特性ならびに排熱回収効果の把握は可能と考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
2018年度に実機改質評価システムを用いて、改質ガス種毎に混合濃度がDME噴霧燃焼に及ぼす影響を調べる予定であったが、DME供給系のチョーク現象が新たに発見され、流量制御の観点からDMEノズル内流動特性の把握が新たな課題となった。そのため、計画を一部変更して流動解析およびその検証のための可視化装置を製作したため、未使用額が生じた。また、計画変更に伴って当初予定していたシンポジウムにおける発表ができなかった。
未使用額は、次年度の可視化実験およびシンポジウムでの発表の経費に充てることにしたい。
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