| 研究課題/領域番号 |
21K03902
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| 研究機関 | 東海大学 |
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研究代表者 |
野原 徹雄 東海大学, 総合科学技術研究所, 研究員 (40718186)
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| 研究分担者 |
落合 成行 東海大学, 工学部, 教授 (40407995)
高橋 俊 東海大学, 工学部, 准教授 (60553930)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | マクロ~ミクロスケール高速可視化 / 気液二相混相流 / PIV-DDM＋データ同化 / 表面微細加工 / 液滴微粒化・AI液滴認識 / ライデンフロスト現象 / 尿素SCRシステム / NOx/CO2低減・吸収・回収 |
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| 研究実績の概要 |
e-fuel(カーボンニュートラル合成燃料)使用によるディーゼルエンジンの継続使用可能性が示唆されているが，搭載している様々な移動/固定機器から高温燃焼により排出されるNOxの安定した高効率低減やCO2を吸収・回収するカーボンポジティブの実現には至っていない.
本研究では, a. NOx浄化用として使用される尿素SCRシステムでの尿素水噴霧→均一NH3ガス化をミキサー(液滴衝突拡散板)による気液混相流内での微粒化メカニズム解明, b.ミキサー上にバイオミメティクス(生体模倣)にヒントを得た表面微細加工を施し，液滴やガスその他に帯電している静電気力や電場アシスト技術も検討しながら低エネルギーでの完全微粒化制御の開発, そしてそれらの技術を適用したc. 排ガス内への溶液噴霧→液滴衝突微粒化によるCO2吸収/回収手法の検討を目的としている．
これらの目的を具現化するために本年度(2021年度)の研究成果として、まず①排ガス内での気液混相状態の把握・解析のための高精度・高速可視化を実現した. 実際の排ガス流量/温度に昇温可能な可視化実験装置(尿素SCRシミュレータ)を設計・製作し，高分解能高速度カメラにてこれまで殆ど報告がなかった排ガス内でのミクロ~マイクロ秒での気液混相状態および噴霧液滴の微粒化度合いを明らかにした．それらの実験データを基に気液混相流のPIV-DDM(粒子画像流速測定＋離散液滴法)解析＋データ同化と液滴認識用AIにて液滴挙動の再現や他の条件での予測について新たな最短・最適計算手法を見出した.
次に②噴霧液滴を衝突させ微粒化コントロールするための表面微細加工を施したテクスチャプレートの開発を行った．ハスの葉表面を模したディンプル形状に着目し，様々な穴径や深さ，温度違いによる液滴衝突後の微粒化度合いやライデンフロスト現象の発現有無をWe数との新たな相関を得られた．
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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
申請時の本年度(2021年度)研究計画では“新たな表面微細構造による気液混相流内での低エネルギー液滴衝突・微粒化制御”を予定していた．それに対して尿素水を噴霧衝突させるプレートへ液滴衝突後のコア部が残ったままの不均一な微粒化を均一化させる新たな表面微細構造を創生した．具体的にはバイオミメティクス形状に径や深さも変更した新たな表面微細構造をデザインし,それらに直接噴霧した際の微粒化度合いの観察に成功した．
次いで尿素SCRシミュレータ内にガス温度/流量を実際の車両相当条件で液滴噴霧衝突させ, 可視化耐熱ガラス管内でのガス流内で未加工プレートでの気液混相流内の微粒化度合いを確認し，ガス温度200℃，ガス流量200kg/hでは液滴噴霧してから150mm後方になるSCR触媒まではほぼ温度蒸発していない事も判明した．また次年度用の静電気力や電場アシストによる微粒化アシストの実験準備としてエンジンルームや車体に帯電している静電気力や静電気発生要因やプロセスについても調査・事前確認した．更に最終年度用の先行調査・事前確認として尿素SCRシミュレータ内にCO2ガス2%濃度を流した中で精製水だけを噴霧した実験では0.03%の低減を確認し，微量だが微粒化噴霧によるCO2吸収可能性を示唆する事が出来た．
これらの進捗事から，おおむね研究は順調に進展していると考えられる．
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度(2022年度)は尿素水/CO2吸収液を衝突させるプレートへ本年度新たに創生した表面微細構造を施した後，それらをミキサープレートとして尿素SCRシミュレータ内へ設置しガス温度/流量を実際の車両相当条件で液滴噴霧衝突させ, 可視化耐熱ガラス管内でのガス流内での気液混相流内の微粒化度合いやCO2吸収量を確認する．その後に静電気力や電場アシストによる微粒化アシスト実験も実施する．
最終年度(2023年)は最適表面微細構造＋静電気や電場アシストを使った低エネルギー超微粒化技術にて排ガス中のCO2吸収および回収手法を確立する. まずCO2吸収材の噴霧衝突後の微粒化面積と吸収度合いの相関を確認し最適微粒化状態を導く.更にCO2回収機構のデザインや材質・形状を検討し，それらへのCO2残留度合いも測定することでシステム最適設計へ導く.
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| 次年度使用額が生じた理由 |
材料不足による実験装置メーカーの製品納期が大幅に遅れており、実験に必要な部品や装置の発注が遅れているため。今年度中には発注および納入可能の予定。
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