ユニバーサル燃焼反応モデル研究分科会報告 (第50回燃焼シンポジウムワークショップ 2012年12月5日名古屋)

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詳細反応に何ができるのか？

三好 明

東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻

連鎖反応

2

chain reactions

3連鎖反応 － 分岐連鎖

H + O2 OH + OO + H2 OH + H

OH + H2 H2O + H—————————

net: 2 H2 + O2 OH + H + H2O

- 連鎖担体 (H, O, OH) 自己増殖

自己加速 連鎖爆発0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

1010

1011

1012

1013

H

O

OH

Time / s

Con

c. /

cm-3

H2-O2 －分岐連鎖・連鎖爆発

(1つの)固有値 > 0 … 解の発散

zyx

RRRRR

RRR

zyx

321

21

321

0i

ii

te sx

指数関数増加 exp(maxt)

4爆発限界: 最大固有値 = 0

H + O2 OH + OH + O2 HO2

O + H2 OH + HOH + H2 H2O + H

zyx

RRRRR

RRRR

zyx

321

21

3241

0

400

10

100

1000

10000

500 550T / °C

P/T

orr

450

max < 0

SlowReaction

max > 0Explosion

=

max < 0… 沈静

max > 0… 発散(爆発)

i

ii

te sx

H2:O2 = 2:1 混合気の爆発限界

5自着火 — 分岐連鎖反応

O + H2 OH + H

— 連鎖担体 (OH, O, H etc.) の自己増殖

水素 (H2) - 空気 炭化水素 (n-C7H16) - 空気

R + O2 RO2 QOOH (+O2) O2QOOH HOOPO + OHHOOPO OPO + OH

'分岐' の速度と程度が 傾き = 自着火性 を決定

incubation time incubation time

H + O2 OH + O H OOH

branch

プレイグ

6

preignition

7燃料のプレイグ特性

— 過給ダウンサイジングエンジンのプレイグ温度はオレフィンの多い燃料で低い

佐川, 曽根, 渡邊, 横尾, 中田, 川竹, 石油製品討論会, 2010年11月4日

8プレイグ温度と自着火特性

a) TPI vs. RON

60 80 100

700

800

900

1000

alkenesalkanes

T P

I

b) TPI vs. MON

60 80 100

alkenesalkanes

c) TPI vs. TAI

300 400 500

alkenesalkanes

T AI

TPI : プレイグニション温度

TAI : 発火点 (Autoignition Temperature)RON: リサーチ法オクタン価

MON: モーター法オクタン価

— プレイグ温度は MON とよく相関

9 MON と RON

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

alkanesnaphthenes

aromaticsalkenes

RON

MO

N

— ほとんどのオレフィンで MON < RON— ナフテンでも MON がやや小さい ... Why?

10燃料成分の自着火特性, MON と RON

log10

( ig

n / s

)

log10

( ig

n / s

)

— RON...低温の着火性MON...高温の着火性

プラズマ支援自着火

11

Plasma Assisted Autoignition

12プラズマアシスト HCCI

— 早期誘電体バリア放電 (無声放電) は自着火を促進

T. Shiraishi, "A Study on the Effect and Mechanism of Plasma Assisted Gasoline HCCI Combustion by Low Temperature Plasma," COMODIA 2012, July 23–26, 2012, Fukuoka.

13 [OH] と [RO2] の時間履歴

14着火時期の [X]0 依存性

— log[X]0 にほぼ線形に依存

— 低当量比でやや小さい

15 [X]0 依存性の解釈

— 断熱定容計算

• 着火誘導期中の指数関数的増加の始点が変わる

• 活性種添加は 1 (冷炎着火遅れ時間) にのみ影響する

• (相対的に 1 の短い) 低当量比では効果が小さい

• 活性種の添加は着火の不均一性を増幅する

16化学反応は制御できるか？

— 神の摂理は変えられない

— 敵を知り、御することはできる

• 知彼知己，百戦不殆