噴霧・燃焼工学研究室

カーボンニュートラル社会を支える次世代内燃機関研究

　当研究室では、カーボンニュートラル社会の実現に向け、世界中で幅広く活用されている内燃機関（エンジン）の究極の高効率化とゼロエミッション化を目指しています。特に水素、合成燃料（e-fuel）、バイオ燃料といった次世代燃料の有効利用に焦点を当て、実験・数値解析の両面から研究を展開しています。

現象解明とモデリング

　エンジンシリンダ内では、ピストン運動に伴って圧力・温度・容積が時々刻々と変化する中で、燃料噴霧の微粒化・蒸発・混合から燃焼反応に至る一連の過程が、わずか数十ミリ秒という極めて短い時間で進行します。このような複雑な非定常現象をin-situかつreal-timeで光学的に可視化・観察し、得られたデータに基づいて、物理的メカニズムを重視したモデリングを行っています。この状況を模式化したものを図1に、また、これらの現象を数値シミュレーションするための手法を図2に示します。

先端計測技術

Nd:YAGレーザー等の各種光源を用い、シュリーレン法やLIF（レーザー誘起蛍光法）などの高度な光学計測・可視化技術を構築しています。

流体　　　  ：レーザードップラー法やPIV法による流速・乱れの解析

噴霧・相変化：エキサイプレックス蛍光法等による液相・気相分布の特定

燃焼反応      ： 二色法や化学種計測による火炎温度・スス濃度の同時計測

今後の展開： LCA（ライフサイクルアセスメント）解析

従来のエンジン研究を、「CO₂低減」から「CO₂フリー（カーボンニュートラル燃料の有効利用）」へと発展させ、さらにその先を見据えたグローバルなLCA解析や社会デザインにも取り組んでいます。現象解明やモデリング研究にとどまらず、持続可能な街づくり、再生可能エネルギーの最適利用、さらには低炭素交通体系に対する体系的なLCA解析を通じて、研究成果の社会実装を見据えたシステムデザインを提案しています。 当研究室では、内燃機関における噴霧燃焼から地球規模の環境評価に至るまで、多角的な視点から持続可能なエネルギーシステムの実現を目指しています。

Ⅰ.光応用計測
・新規光学系による非定常噴霧の内部不均一構造の測定手法確立、過濃領域の噴霧粒径・液滴計測系構築

CO2低減の研究

Ⅱ.噴霧・燃焼研究
・大型車両用ディーゼル機関における高効率燃焼実現のための噴霧形成および噴霧火炎形態の提案
・火花点火機関における流動場での混合気形成過程、冷間始動時及び暖気過程の燃料噴霧壁面衝突挙動の解明
・ディーゼル機関における排気後処理技術に関する研究（尿素SCRシステムの尿素水噴霧挙動および排気管内中間生成物に関する研究）

Ⅲ.数値解析・モデリング
・LESによる噴霧構造および燃焼過程の数値解析
・実用機関適用に向けた噴霧・数値解析研究
・燃料噴射ノズル内のキャビテーション現象と噴霧計算達成のための数値解析手法の構築
・水素火花点火機関の安定燃焼を実現する噴射システムの研究
・高効率水素エンジンを実現する混合気形成に関する研究

CO2フリー分野の研究

Ⅳ.新エネルギエンジン燃焼研究
・カーボンニュートラル燃料の高効率燃焼法
・水素燃焼における冷却損失低減のための混合気制御
・次世代型バイオ燃料の噴霧・燃焼の実験および数値解析研究
・カーボンニュートラルエネルギ利用による熱エネルギ変換過程のLCA解析

Ⅴ.再生可能なエネルギシステム研究（次世代トランスポーテーション）
・次世代パワートレインの動向予測研究

Ⅵ.製造分野における熱プロセスの脱炭素化研究
・アンモニア・水素燃焼炉およびボイラにおける高効率・低環境負荷燃焼技術の研究

カーボンニュートラルに向けたLCA解析

Ⅶ.サスティナブル・エネルギ・デザイン
・都市廃棄物・バイオマス完全エネルギー転換システム　LCA解析研究