2017 Fiscal Year Annual Research Report
バイオ燃料を用いた環境適合型ジェットエンジンの燃焼ダイナミクス
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16H04586
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
津江 光洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50227360)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中谷 辰爾 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00382234)
藤原 仁志 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (40358453)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | バイオ燃料 / ジェットエンジン / すす / 希薄燃焼 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
航空機用エンジンにおけるジェット燃料，バイオ燃料およびバイオSPKの燃焼挙動の把握および環境負荷物質の低減を目的とし，基礎研究を実施した．本年度は，燃料劣化挙動の把握のため，バイオ燃料におけるエイジングの効果を実験的に調べた．恒温槽において燃料に空気バブリングを行い，粘度の変化および燃焼特性の変化を調べた．オレイン酸メチルなどのエステル燃料においては，質量分析器による定性解析の結果，液相内化学反応による生成物が確認された．また，劣化後には燃料の色の変化が観察され，粘度も増大した．これらの液滴燃料に対して燃焼試験を実施したが，液相内化学組成の変化により液滴燃焼時には，パフィング挙動を含む非定常燃焼挙動が確認された．一方でラウリン酸メチルでは，これらの影響は限定的であった．分子構造の影響が観察された．
ダブルスワールバーナを用いた試験においては，室温環境化における燃焼試験を実施した．燃焼試験において，安定した燃焼形態の実現に至った．可視化燃焼器を使用した試験においては，ジェットAおよびバイオSPK各々に対し，当量比を変化させて燃焼試験を実施し燃焼ガスのサンプリングを実施し，燃焼効率を求めた．同時に，圧力測定，およびCH*化学発光の高速度測定を行った．高速度の化学発光画像に対し，独立成分分析を実施した．それにより，燃料の違いによる燃焼安定性に関する知見および支配的な周波数の特定を行うことができた．スワール燃焼モードを含む燃焼メカニズムをモード分析により示した．また，前倒しで高温試験用の燃焼器の開発も実施し，実際に風洞試験において燃焼試験を実施した．点火系の不具合が有り実験は失敗であったが，次年度で実施する試験のシステムの構築を終了した．
実用燃焼器環境を模擬した燃焼試験においては，ジェットAおよびバイオSPKなどに対して，当量比を変化させた場合の燃焼効率が測定されている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，液滴燃焼，スワールバーナを用いた燃焼器による基礎燃焼挙動，実用的燃焼器環境下における燃焼挙動といったいくつかの手法で燃焼試験を実施している．それらの試験結果を総合し，ジェット燃料，バイオ燃料およびバイオSPKの燃焼メカニズムを明らかにすることを目的とする．各々の燃焼実験装置は非常に複雑であり，特にバーナー試験においては安定して希薄で燃焼させることは困難である．本研究では，バーナーの開発と安定した燃焼状態の実現がひとつのハードルで有ったが，スケジュール通りバーナーを開発することができた．さらに，燃料と空気の流量比が希薄な環境下において保炎できる必要が有るが，本年度に達成されている．輝炎の発生がほとんど無い燃焼状態が実現できており，今後の研究の発展に寄与する．計測として，燃焼効率の測定に加え，光学計測ベースの主成分分析による解析が行われた．また，高エンタルピー風洞を使用した試験に関しては，次年度に予備試験も含め実施予定であったが，実験装置の開発およびシステムの構築を行った．予備試験において，問題が明らかになり，実験装置の改良を前倒しで実施することができた．
燃料成分の解析に関しては，液相成分，気相成分の未知燃料成分に対する定性的分析手法の確立および，定量的測定手法の確立を行った．ガスクロマトグラフおよび質量分析器を使用し，線速度およびカラム温度や昇温温度を経験的に決定する必要がある非常に難しい測定ではあるが，おおむねノウハウを確立することができた．
一方で，数値計算コードの開発においては，液滴燃焼および気液二相の数値解析においては若干遅れている．しかしながら，気体の燃焼場においては，Eddy Disipation Conceptを用いた乱流燃焼の解析が実施された．気相の乱流燃焼挙動の研究が既に実施され始めている．以上により概ね順調に進展していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究においても，ジェット燃料，バイオSPKおよびバイオ燃料の燃焼を基礎的に調べるため，ミクロからマクロな視点で研究を実施する．引き続き，高温度環境下における液体燃料の劣化や液相内挙動の観察に加え，液滴燃焼挙動を様々な燃料に対して実施する．液相および気相の定性および定量分析を実施する．それらの劣化燃料の燃焼特性に関する知見を獲得する．
ダブルスワールバーナー試験においては，バーナーの基礎燃焼特性を画像ベース診断手法および圧力測定により得ることができた．本年度はそれらのメカニズムを明らかにするため，バーナー場の液滴分布や流速分布を把握するため，場の状態量の計測をレーザー等を用いて実施する．PIVによる流速分布測定や液滴粒径分布測定を実施する．流動と微粒化特性を含め，燃焼挙動メカニズムの把握に必要なパラメータの取得を行う．それらの基礎的な測定を実施した後，いくつかの燃料において燃焼試験を実施する．ダブルスワールバーナーを使用し，室温環境下において燃焼試験を実施する．また，高温，高圧力環境化における試験に関しては，東京大学の柏キャンパスにある高エンタルピー風洞を利用した燃焼試験を実施し，圧力データ，化学発光データ，ガスのサンプリングを実施する．サンプリングされたガス成分をガスクロマトグラフにより高精度で測定を行い，燃焼効率と排気成分の関係を明らかにする．これらのデータに基づき，燃焼を考慮したCFDによる解析を実施する．
以上の基礎的な測定結果に加え，JAXAの設備を利用した実燃焼器環境における燃焼試験を実施する．ジェット燃料およびバイオSPKの燃焼挙動を実験的に調べ，粒子状物質濃度や窒素酸化物の濃度を測定することで，多方面からバイオ燃料燃焼挙動のメカニズムを明らかにする．
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Research Products
(1 results)
