| 研究課題/領域番号 |
20K04940
|
|---|
| 研究機関 | 岡山大学 |
|---|
研究代表者 |
河原 伸幸 岡山大学, 自然科学研究科, 研究教授 (30314652)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| キーワード | 燃焼 / 熱機関 / 分光計測 / 燃焼CFD / 副室式ガスエンジン |
|---|
| 研究実績の概要 |
二酸化炭素の排出削減の観点から，熱機関にはさらなる熱効率向上が求められている．燃焼室に主体となる主室とは別に副室を形成する副室式では希薄運転が可能と考えられるが，副室内のガス燃料と空気の混合比が重要となる．副室内のガス燃料と空気の混合比がどのように希薄熱機関の着火安定性に影響を与えているのかが学術的問いである．副室内点火プラグ近傍燃料～空気混合気計測結果を基に圧縮膨張装置における副室燃焼ガスジェットの可視化および3次元CFDシミュレーションによるモデルの高度化および解析結果より，副室内混合気への着火特性および副室から噴出される燃焼ガスジェットの燃焼メカニズムの解明に迫りたい．
2020年度は，(1)SIBS光学手法の構築，(2)燃料～空気混合比基礎データベース構築，(3)副室形状決定に向けた熱流体解析プログラムの導入，を行った．(1)SIBS光学手法の構築に関して，SIBS光学系を組み込んだ点火プラグを構築した．露光時間を短くできる分光器を導入し，露光時間を10sと短くすることで，精度良く計測できるようになった．
(2)実際の副室内の高温・高圧環境での燃料～空気混合比基礎データベースの構築を行うため，圧縮膨張機関において当量比を変更した均一混合気により，実験を行った．露光時間を短くすることで，精度良く基礎データベースを構築できた．また，流れ場の影響を受けない定容容器においても雰囲気温度・圧力を変化させ，燃料～空気混合比基礎データベースを構築した．
(3)副室の形状を決定するために，CADデータを用いて計算格子を構築できる熱流体解析プログラムを導入した．まず，圧縮膨張機関の燃焼室のCADデータを用い，計算格子を構築した．計算格子の分解能を変更し，燃焼室内流動への影響を評価した．また，熱流体解析プログラムにおいて，天然ガス噴流を模擬する方法を検討した．
|
| 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
2020年度は，(1)SIBS光学手法の構築，(2)燃料～空気混合比基礎データベース構築，(3)副室形状決定に向けた熱流体解析プログラムの導入，を行った．
(1)SIBS光学手法の構築に関して，M12点火プラグの中心電極に穴をあけ，光ファイバを貫通させた．点火電極で発生する火花放電スペクトルを分光器により計測する．ただ，使用していた分光器では露光時間を短くすることができず，ノイズ発光を含んだ火花放電スペクトルを取得していたため，計測精度に問題があった．露光時間を短くできる分光器を導入し，露光時間を10sと短くすることで，精度良く計測できるようになった．
(2)実際の副室内の高温・高圧環境での燃料～空気混合比基礎データベースの構築を行うため，圧縮膨張機関において当量比を変更した均一混合気により，実験を行った．露光時間を変更し，計測した基礎データベースの精度検証を行った．露光時間を短くすることで，精度良く基礎データベースを構築できた．また，流れ場の影響を受けない定容容器においても雰囲気温度・圧力を変化させ，燃料～空気混合比基礎データベースを構築した．まず，実験の安全性を確保するために，燃料～窒素混合気を用い，水素／窒素原子発光強度比に与える影響を評価し，燃料～窒素混合気でも精度良く燃料～空気混合比基礎データベースを構築できることがわかった．ただ，雰囲気圧力の影響が大きく，さらなる実験条件下での基礎データベース構築を実施する必要があることが分かった．
(3)副室の形状を決定するために，CADデータを用いて計算格子を構築できる熱流体解析プログラムを導入した．まず，圧縮膨張機関の燃焼室のCADデータを用い，計算格子を構築した．計算格子の分解能を変更し，燃焼室内流動への影響を評価した．また，熱流体解析プログラムにおいて，天然ガス噴流を模擬する方法を検討した．
|
| 今後の研究の推進方策 |
2021年度以降では，(1)副室を有する圧縮膨張機関の構築，(2)圧縮膨張機関や定容容器を用いた副室燃焼ガスジェットの可視化，(3)熱流体解析プログラムを用いた点火・燃焼モデルの高度化，を実施する．
(1)2020年度に熱流体解析プログラムの導入を完了した．この熱流体解析プログラムを用いて，副室形状の検討を行う．副室内に気体燃料噴射を行い，噴孔数・径・角度などが副室内流動・混合気濃度分布に与える影響を評価する．特に，主室から副室への希薄混合気の流動，点火プラグ近傍での燃料濃度分布の時間変化に注目する．副室形状を決定し，圧縮膨張機関のシリンダヘッド部に副室を設置する．副室には，気体燃料を噴射できるように燃料噴射弁と点火プラグを取り付ける．
(2)副室を設置した圧縮膨張機関において，点火プラグにより副室内で点火・燃焼を行い，主室への燃焼ガスジェットを用いた燃焼実験を行う．圧縮膨張機関では，延長ピストンに取り付けた石英窓から燃焼室内の可視化を行うことができる．また，定容容器での副室燃焼ジェットの可視化実験を検討する．本学には，予燃焼方式により高温・高圧環境を構築できる定容容器を有している．この定容容器に副室を設置し，高温・高圧環境下での服室からの燃焼ジェットを可視化することを検討する．この定容容器の内容積は大きく，副室噴孔からの燃焼ガスジェットを詳細に可視化できると考えられる．圧縮膨張機関／定容容器による副室からの燃焼ジェット可視化を通じ，副室からの拡散燃焼ガスジェットによる希薄予混合気の着火・火炎伝播特性の評価を行う．
(3)熱流体解析プログラムを用いて，副室内着火から副室からの拡散燃焼時ガスジェットおよび主室予混合気の着火・火炎伝播のモデル化を実施する．副室から拡散燃焼ガスジェットの着火メカニズムを把握する.
|
