top of page

2014年度~2018年度

SIP 戦略的イノベーション創造プログラム~革新的燃焼技術~(国家プロジェクト)

過去の研究アンカー

その他の研究

過去の研究テーマ

CONCEPTUAL MODEL OF IGNITION AND SOOT FORMATION PROCESSES IN A DIESEL SPRAY FLAME

 

(Ref.: Kosaka, H., Aizawa, T. and Kamimoto, T., “Two-dimensional imaging of ignition and soot formation processes in a diesel flame,” International Journal of Engine Research 6(1), 21-42, 2005)

 

Ignition model: In the early stage of ignition process formaldehyde is formed in the leading portion of spray. This means that the low temperature oxidation of fuel occurs before the hot ignition in a diesel spray. When the hot ignition occurs formaldehyde is consumed rapidly therefore this hot ignition region can be detected as dark spots in LIF image of formaldehyde. The initial ambient gas temperature affects the position of the first hot ignition. At the initial ambient temperatures lower than the NTC temperature range, the lean mixture in the spray periphery is ignited first in a spray due to its high temperature. At the temperatures in NTC region, the rich mixture in the central region of spray is ignited first, because the oxidation of lean mixture in the spray periphery is suppressed extremely by the NTC effect.

Soot formation model: In the early soot formation process the soot precursor is formed in the whole leading portion of spray flame immediately after the ignition. The soot precursor located in the periphery of spray flame is converted to soot particle firstly. During the diffusion combustion period the soot precursors is formed through the central fuel rich region between 40 and 55 mm (270 to 370 times nozzle orifice diameter) downstream of the nozzle orifice which is surrounded by the adjacent fuel lean region where the OH is formed.

Soot growth and oxidation model: The young soot particles formed in the central fuel rich region surrounded by OH region grow by surface growth and are coagulated during convection to the spray head. In this process the size of soot particles increases and the number density of particles decreases. At the spray tip the soot particles are pushed aside to the spray periphery by the motion of head vortices. Finally the soot particles are convected to the upstream side of head vortices and re-entrained into the lean side of flame, where the concentration of OH is high, and are oxidized rapidly.

 

多波長レーザー光源を用いた火炎内すす生成過程の分光計測

 

多波長励起光を用いて励起された蛍光を,X軸に発光波長,Y軸に励起波長をとって2次元マトリクス上に表示したものを励起発光マトリクス(EEM)と呼びます。サンプル中の複数の化学種はEEM上で蛍光が観測される位置から同時に同定でき,各化学種の濃度はその蛍光強度から求めることができます。すす前駆物質として知られる様々な多環芳香族炭化水素(PAH)の蛍光をEEM上での位置により特定化しつつ蛍光強度を測定すれば、火炎内の複数のPAHを同時に同定、濃度測定でき,火炎内すす生成過程の分析に役立つと考えられます。下図はラマンセルを用いた多波長レーザーを光源として測定された拡散火炎のEEMと、代表的PAHのEEM模式図です。火炎上流部でナフタレン等の2~3環程度のPAH,火炎下流部で3環以上の様々なPAHが観測されていることがわかります。(日本機械学会論文集(B編)70巻,690号,pp.496-502,2004)

衝撃波管を用いた高温・高圧下の多環芳香族炭化水素の分光計測

 

蛍光分光法による火炎内PAH計測のこれまでの研究例のほとんどは、測定されたスペクトルの解析に常温液相でのPAHのスペクトル文献値を用いており,解析精度の向上には火炎温度での気相PAHのスペクトルが必要であることが指摘されています。高温気相PAHの蛍光スペクトルはこれまでにも測定されていますが研究例は少なく、またこれらの研究では,火炎中にPAH蒸気を噴射するか,あるいはセル中でPAHを電気加熱するといった方法で測定を行っているため,加熱中のPAHの熱分解などの影響により正確なスペクトルが測定できていない可能性があり、また加熱できる温度及び圧力条件にも限界があります。私たちの研究室ではPAH蒸気の加熱に衝撃波管を用い,PAH蒸気を1500K、10気圧程度まで瞬時に加熱・昇圧した直後、数msの時間内にレーザー計測を行っています(下図:実験装置概要)。これにより熱分解の影響を受けない高温・高圧気相PAHのスペクトルを計測し、エンジン内すす生成過程解析の基礎データとすることを目指しています。(SAE Paper 2003-01-1785, 2003)

LIF法によるディーゼル噴霧火炎内すす生成過程の分光計測

 

高度な燃焼制御と様々な後処理技術を統合した最近のエンジンシステムにおける排気微粒子の低減には,化学反応を含めたすす生成過程の詳細な理解が必要とされます。このような観点から,ディーゼル噴霧火炎内においてすす前駆物質からすすに至るまでのすす初期生成過程を実験的に調べることは重要です。我々の研究グループではこれまでに、レーザー誘起蛍光法(LIF法)及びレーザー誘起赤熱法(LII法)を用いて,ディーゼル噴霧火炎内のすす前駆物質とすす固体粒子の同時2次元可視化を行いました。その結果, 下図に示すように何らかのすす前駆物質によると考えられるLIFが噴霧中心部の燃料過濃領域で観察され(図中青),すす粒子からのLIIがその周辺部及び下流域で観察される(図中赤)ことを明らかにしました。現在、LIFを発するこれらのすす前駆物質についてより詳しく調べるため、LIFスペクトルの計測を進めています。 (日本機械学会論文集(B編),69巻,680号,pp.981-987,2003) (SAE Paper No.2002-01-2669, 2002)

感熱燐光体を用いたディーゼル機関燃焼室壁面温度の画像計測

 

感熱燐光体とは,無機物の母材に数パーセントの希土類を添加した物質で,レーザなどで励起した際に燐光の強度,スペクトル,寿命が温度に依存して変化することが特徴です.本研究では,感熱燐光体にLa2O2S:Euを用い,ディーゼル機関燃焼室壁面の二次元温度分布を求めることを目的としています.現在,燃焼期間における燃焼室壁面の温度変化を二次元的に計測した例は少なく,燃焼室壁面における熱伝達機構の解明に役立つと考えられます.下図に示すのは,燃焼室壁面の温度計測に先立ち拡散バーナー火炎により加熱される壁面の温度計測を行った実験結果です.実験結果を見ると,加熱時間が長くなるにつれて壁面の温度分布が変化しているのが観察できます.今後,本計測手法をエンジン燃焼室壁面の温度計測に適用する予定です。(日本機械学会2004年度年次大会講演論文集Vol.III,p.177-178)

Copyright Environmental Opto-Diagnostics Lab. 2018, All Rights Reserved.

bottom of page