クリーン燃焼に向けた冷炎燃焼特性および低温酸化反応の解明
概要
内燃機関に対するさらなる熱効率の向上および環境負荷物質の排出低減が求められています．例えば，次世代の内燃機関として注目されている予混合圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition; HCCI）エンジンでは，本格的な着火に先立ち，低温酸化反応により微量の熱発生を伴う冷炎が形成されることが知られています．低温酸化反応の発生と冷炎の形成は，燃料の自着火現象を支配するのみならず，火炎伝播や生成物の分布・濃度にも影響を与えるため，クリーン燃焼の実現には，冷炎の燃焼特性の解明および低温酸化反応モデルの構築は不可欠です．
本研究室では，これまで定常な壁面安定化冷炎およびWeak Flameを形成するための独自の実験系を構築し，主にレーザ誘起蛍光法（Laser-Induced Fluorescence; LIF）を用いて壁面近傍における冷炎の構造および燃焼特性を調べてきました．さらに，冷炎の分布や着火・消炎過程に対する壁面の影響を調べ，冷炎に対しても表面材質によっては顕著な化学的効果が現れることを明らかにするとともに，半導体レーザ吸収分光法（Tunable-Diode Laser Absorption Spectroscopy; TDLAS）を用いて，冷炎の着火に対する圧力の影響[6]を調べました．今後，レーザ診断および直接サンプリング計測[7]などにより，冷炎の燃焼特性のより詳細な調査および低温酸化反応の精緻化を行うとともに，冷炎を対象とした表面反応モデルの構築を進めていく予定です．
図1. 壁面安定化冷炎を形成するための実験装置．DME冷炎中のHCHO分子の分布に対する計測および数値解析結果（Lee et al., 2019）．
図2. SiO2表面とNi表面近傍におけるDME冷炎分布の比較．（左）HCHO濃度，（中）CO濃度，（右）ガス温度分布（李・鈴木, 2021）
図3. SiO2，Pt，Fe表面上でのDME冷炎の着火特性の比較．(a)HCHO-PLIF計測結果，(b)表面反応モデルを考慮した数値解析結果（Lee et al., 2021）．
図4. SiO2，Ru，Fe表面上での直鎖アルカン冷炎の着火・消炎特性の比較．(a)ヘプタン，(b)オクタン，(c)デカン冷炎に対する計測結果．(d)材質および炭素数による着火・消炎温度の変化（Mizuno et al., 2023）．
図5. SiO2，(a)昇圧環境下で二次元の壁面安定化冷炎を形成するための実験装置．(b)HCHO濃度およびガス温度の同時計測のためのTDLAS光学系（Li et al., 2023）．
プロジェクト:
日本学術振興会科学研究費 若手研究「冷炎の着火・消炎過程における壁面の化学的効果の解明研究代表者」[2021-2023年度, 研究代表者：李 敏赫]
NEDOグリーンイノベーション基金／CO2等を用いた燃料製造技術開発／乗用車および重量車の合成燃料利用効率の向上とその背反事象の改善に関する技術開発[2023-2024年度, 研究代表者：自動車用内燃機関技術研究組合（AICE）]
日本学術振興会科学研究費 国際共同研究強化（B）「冷炎における壁面効果の解明と制御」[2018-2020年度, 研究代表者：鈴木 雄二]
スズキ財団科学技術研究(若手)助成「直鎖アルカン冷炎の可燃特性の解明に関する研究」[2022年度, 研究代表者：李 敏赫]
主たる共同研究者：
范 勇 主任研究員（産業技術総合研究所）
丸田 薫 教授（東北大学）
齋木 悠 准教授（名古屋工業大学）
Yiguang Ju 教授（プリンストン大学）
Olaf Deutschmann 教授（カールスルーエ工科大学）
最近の発表論文
冷炎に対する壁面の化学的干渉効果
- Zhou, M., Suzuki, Y., and Lee, M.,
“TOF-MS Measurement of Intermediate Species in Wall-stabilized Premixed Cool Flames,”
20th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2023), Sendai, Japan, Nov. 6-8, (2023). (to be presented) - Li, G., Suzuki, Y., Lee, M.,
“Investigation of Premixed Cool Flame Ignition Characteristics under Mildly-Elevated Pressures by Using TDLAS,”
日本燃焼学会誌, 65巻, 213号, pp. 178-184, (2023).
(doi: 10.20619/jcombsj.2301) - Mizuno, T., Suzuki, Y., and Lee, M.,
“Ignition and Extinction Characteristics of n-Alkane Cool Flames on a Heated Wall with Different Surface Reactivity,”
Fuel, Vol. 348, (2023), 128587.
(doi:10.1016/j.fuel.2023.128587) - Lee, M., Fan, Y., Ju, Y., and Suzuki, Y.,
“Ignition Characteristics of Premixed Cool Flames on a Heated Wall,”
Combust. Flame, Vol. 231, 111476, (2021).
(doi:10.1016/j.combustflame.2021.111476) - 李 敏赫, 鈴木 雄二,
「予混合冷炎の着火過程における壁面の化学的効果」
日本燃焼学会誌, 63巻, 204号, pp. 93-100, (2021).
(doi:10.20619/jcombsj.63.204_93) - Lee, M., Fan, Y., Reuter C.B., Ju, Y., and Suzuki, Y.,
“DME/Oxygen Wall-Stabilized Premixed Cool Flames,”
Proc. Combust. Inst., Vol. 37, pp. 1749-1756, (2019).
(doi:10.1016/j.proci.2018.05.059) - Wan, S., Fan, Y., Maruta, K., and Suzuki, Y.,
“Wall Chemical Effect of Metal Surfaces on DME/air Cool Flame in a Micro Flow Reactor,”
Proc. Combust. Inst., Vol. 37, pp. 5655-5662, (2019).
(doi:10.1016/j.proci.2018.05.165)
壁面における火炎中のラジカルクエンチング効果
- Y. Fan, J. Guo, M. Lee, N. Iki, and Y. Suzuki, ,
“Quantitative Evaluation of Wall Chemical Effect in Hydrogen Flame Using Two-Photon Absorption LIF,”,
Proc. Combust. Inst., vol. 38, no.2, pp. 2361-2370, (2021).,
(doi:10.1016/j.proci.2020.06.021)
- Saiki, Y., Kinefuchi, I., Fan, Y., and Suzuki, Y.,
"Evaluation of H-atom Adsorption on Wall Surfaces with a Plasma Molecular Beam Scattering Technique,"
Proc. Combust. Inst., Vol. 37, pp. 5569-5576, (2019).
(doi:10.1016/j.proci.2018.08.061) - Fan, Y., Saiki, Y., Sanal, S., and Suzuki, Y.,
“H-TALIF Measurement for Wall Radical Quenching Modeling in Microscale Combustion,”
J. Phys.: Conf. Ser., Vol. 1052, 012040 (2018).
(doi:10.1088/1742-6596/1052/1/012040) - Fan, Y., Lin, W., Wan, S., and Suzuki, Y.,
“Investigation of Wall Chemical Effect Using PLIF Measurement of OH Generated with Pulsed Electric Discharge,”
Combust. Flame, Vol. 196, pp. 255-264 (2018).
(doi:10.1016/j.combustflame.2018.06.005) - Saiki, Y., Fan, Y., and Suzuki, Y.,
“Radical Quenching on Metal Surface in a Methane-air Premixed Flame,”
Combust. Flame, Vol. 162, pp. 4036-4045 (2015).
(doi:10.1016/j.combustflame.2015.07.043) - 斎木 悠, 鈴木 雄二,
「マイクロチャネル内メタン・空気予混合火炎における金属壁面の化学的消炎効果」
日本燃焼学会誌, 55巻, pp. 80-87, (2014).
(CiNii)
- 齋木 悠, 鈴木 雄二,
「マイクロ燃焼場における壁面の熱的・化学的効果」
日本燃焼学会誌, 第55巻172号, pp. 138-146, (2013).
(CiNii)
- Saiki, Y., and Suzuki, Y.,
“Effect of Wall Surface Reaction on a Methane-Air Premixed Flame in Narrow Channels with Different Wall Materials,”
Proc. Comb. Inst., Vol. 34, Issue 2, pp. 3395–3402, (2013).
(doi: 10.1016/j.proci.2012.06.095)
最終更新: 2023-10-01