燃料濃度の時空間的変動スケールに着目した予混合火炎の燃焼特性に関する基盤研究

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自動車用エンジン等の燃焼器の低燃費化とCO2の排出抑制には，燃焼室内における緻密な燃料濃度分布の制御が鍵となる．本研究課題の目的は，ガソリンエンジン内の燃料濃度分布の非定常変化に対する予混合火炎の応答特性を理解することである．令和4年度は，当量比の変動振幅を時間に対して増幅させたときの火炎の応答特性を調査した．ルイス数効果の影響を調査するために，燃料にはメタンとプロパンの二種類を使用した．メタン空気火炎とプロパン空気火炎の平均当量比φmは，定常火炎において燃焼速度が等しい，φm=0.85(メタン)と0.8(プロパン)を選んだ．当量比変動振幅aは0.05とし，当量比変動を与えてから30秒後にaを増幅させた．その結果次のことが明らかとなった．（１）当量比変動周波数fが5Hzの場合，燃料の種類によらず，火炎は当量比変動に追従して応答し，当量比変動振幅aがある値をこえると，火炎は単調に消炎した．（２）f=20Hzにおいて，消炎形態に違いがみられた．すなわち，プロパン空気火炎のCHラジカル発光強度は，aを増幅させていくと，CHラジカル発光の変動振幅も増加していくが，aがある値を超えると，CHラジカル発光は単調に低下して消炎に至る．しかし，メタン空気火炎では，aを増幅させ，aがある値を超えても，周期的に変動するCHラジカルの最大値は，徐々に低下し，やがて消炎に至る(消炎が遅れる)ことが明らかとなった．このことは，濃度変動を与えている火炎が，一時的に消えそうになっても，完全消炎には至らないことを意味しており，当量比変動を与えた場合のメタン火炎はプロパン火炎よりも希薄可燃限界がより希薄側へ拡大することを意味する．