Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

冷炎 / 低温酸化反応 / 壁面の化学的効果 / HCHO / PLIF / TDLAS / 燃焼 / エネルギー / 低環境負荷

本研究では，壁面安定化冷炎のコンセプトを利用して，冷炎の可燃特性および冷炎における壁面の化学的効果を調べた．まず，燃料の炭素鎖長が冷炎に及ぼす影響を調べるため，衝突壁の温度を一定の速度で上昇・降下することにより，壁面近傍で冷炎を着火・消炎させた．冷炎の着火・消炎過程は，平面レーザ誘起蛍光法（PLIF）を用いたHCHO濃度変化計測により同定した．さらに，冷炎に対する壁面の化学的効果を調べるため，衝突壁表面にMEMS技術を用いて200 nm厚の金属もしくは金属酸化物の薄膜を形成し，熱的境界条件を一定に保ったまま化学的境界条件のみの変更を可能とした．燃料は，ヘプタン（C7）からデカン（C10）までの直鎖型アルカンを用い，石英，鉄，ルテニウムなどの材料の影響を調べた．その結果，炭素鎖長および酸素濃度の増加に伴い冷炎の着火・消炎温度が低下する結果を得た．また，石英表面に比べて鉄やルテニウム表面では冷炎の着火・消炎温度が最大100 K程度高くなり，金属における表面反応により低温酸化反応が抑制されることを明らかにした．一方，ルテニウム表面については，炭素数9以下の燃料では消炎・着火過程にヒステリシスが現れるが，デカンの場合はヒステリシスが失われ，また炭素鎖長の増加に伴い壁面の化学的効果が弱くなることを示した．
一方，冷炎着火特性に対する圧力の影響を調べるため，高圧環境下で冷炎の形成を可能とする実験系を構築した．冷炎中のHCHO濃度計測の定量性と時間分解能，感度の向上を目的として，半導体レーザ吸収分光法（TDLAS）を新たに導入した．また，レーザ光軸上において一定濃度場を形成するため，スリットノズルバーナを用いて二次元冷炎を形成した．計測の結果，圧力の上昇に伴い，DME冷炎の着火温度が増加するとともに同一温度におけるHCHO濃度が低下し，低温酸化反応の開始および進行が抑制されることを示した．

ジェットエンジン / バイオ燃料 / 環境 / 粒子状物質 / 燃焼不安定性 / 液滴燃焼 / ジェット燃料 / 噴霧燃焼 / ケルビン・ヘルムホルツ不安定性 / すす / 希薄燃焼 / 燃焼 / 環境負荷物質 / 高効率化 / エネルギー / 窒素酸化物

JetA-1およびバイオ合成パラフィンケロシン（Bio-SPK）の一種であるHEFAの燃焼挙動を，液滴燃焼試験およびRQL燃焼器などに使用されるダブルスワールバーナを用いて大気圧環境，高温高圧環境，実燃焼器環境において調べた．圧力測定と化学発光画像ベース診断手法を用いて，ジェットエンジン燃焼メカニズムを明らかにした．ジェット燃料とHEFAの燃焼挙動の違いを液滴径測定，燃焼速度測定により明らかにした．
実燃焼試験を用いた排気サンプリング試験においては，HEFAおよびジェット燃料において窒素酸化物，一酸化炭素，炭化水素成分の差異はほとんど無かったが，粒子状物質の生成が大幅に抑制されることが示された．

航空機において地球温暖化を抑制するためにバイオ合成燃料の使用が考えられる．ジェット燃料の物理性状に近いバイオ合成燃料が混合されて使用されるが，ジェット燃料の組成と比べて方向族化合物などの成分が大きくことがなるため，その燃焼安定性や排気特性が大きく異なる．本研究は実験室環境，高温高圧環境および実用燃焼器環境において航空機に使用される噴射器を使用して燃焼試験を実施した．また，単一液滴に着目した基礎燃焼試験を実施し物性値の影響を調べた．ジェットエンジン燃焼器におけるバイオ合成燃料とジェット燃料の燃焼挙動および排気特性の違いを，燃料性状および化学特性の違いに着目し明らかにした．

【研究分担者】
中谷辰爾	東京大学	大学院工学系研究科(工学部)	准教授	(Kakenデータベース)
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	(Kakenデータベース)