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流れ 2007年12月号 目次

― 特集: 大気圧プラズマ流 ―

I:低温プラズマ流

1-(1). 大気圧プラズマ流の研究動向と医療分野への展開
佐藤岳彦(東北大学)
1-(2). DBDプラズマアクチュエータ -バリア放電を利用した新しい流体制御技術
藤井孝藏(JAXA),松野隆(鳥取大学)
1-(3). 大気圧ナノ秒パルスコロナプラズマを利用したごみ焼却炉排気中のダイオキシン分解のパイロットプラント試験
大久保雅章(大阪府立大学),吉田恵一郎(科学技術振興機構),
山本俊昭(武蔵工業大学)
1-(4). 反応性大気圧プラズマ流が拓く先進ナノテクノロジー
野崎智洋(東京工業大学)
1-(5). 高周波またはマイクロ波を用いた液中プラズマプロセス
野村信福,豊田洋通(愛媛大学)

II:熱プラズマ流

1-(6). 水プラズマによる廃棄物処理プロセス
渡辺隆行(東京工業大学)
1-(7). 大気圧マイクロ波プラズマ流による低電力プラズマ溶射
安井利明(豊橋技術科学大学)
1-(8). 機能性に特化したアーク流動システム
高奈秀匡,西山秀哉(東北大学)
1-(9). 混合作動ガスを用いたプラズマジェット点火器
滝田謙一(東北大学)

― ASME/JSME合同流体工学会議報告 ―

2. 第5回ASME/JSME合同流体工学会議報告
日本側共同議長 塚本 寛(九州工業大学)

編集後記
米村 茂(東北大学)、永山勝也(九州工業大学)、阿部浩幸(宇宙航空研究開発機構)

 

混合作動ガスを用いたプラズマジェット点火器


滝田謙一
東北大学

1. はじめに

 プラズマジェット(PJ)トーチは高温熱源であると同時に燃焼反応を促進する活性ラジカルの供給源であり,ガスタービンやスクラムジェットエンジンの強制点火器としての利用が検討されている.これまで多くの研究者によってアルゴン,酸素,窒素等種々の単独作動ガスを用いたPJの着火特性が調べられてきた.著者は作動ガスを2種類以上の混合ガスとすることにより,着火・燃焼促進効果が増す可能性があることを示してきた.着火・燃焼促進効果は個々の燃料の分子構造や酸化過程に強く依存し,さらに雰囲気圧力や雰囲気温度にも影響を受ける.それらの条件において,着火・燃焼促進効果を最大にするプラズマ作動ガスの混合組成を見出せれば,有効な点火器の開発につながるであろう.

2. 水素/窒素混合作動ガスPJ

 水素単独ガスのPJは安定性が悪いが,水素に窒素を混合させることにより低電力でも安定したPJを発生させることができる.また,混合ガスに含まれる水素の全てが解離するわけではなく,かなりの割合の水素は高温の水素分子としてPJ中に存在することになる.この高温の水素が主流空気流において拡散燃焼,発熱することにより主燃料の着火性を高める.図1には超音速流中に噴射されたPJプルームの温度を熱電対により測定した結果である.同じ投入電力で比較した場合,投入エネルギーが分子の解離に費やされるほどPJの温度は低下すると考えると,PJ温度は窒素PJ,窒素/水素PJ,酸素PJの順であると予想される.しかし,測定結果は窒素PJよりも窒素/水素PJのほうが温度が高く,非解離水素の燃焼による発熱の効果があることは明らかである.図2は,水素(50%)/窒素(50%)PJの分光分析結果である.

図1 PJ噴流温度の比較   図2 水素(50%)/窒素(50%)PJの発光スペクトル

3. 酸素/窒素混合作動ガスPJ

 作動ガスに酸素/窒素混合気が用いられた場合や,空気流中にPJが噴射された場合の空気と高温PJとの混合,反応によって,NOx(NOおよびNO2)が生成される.図3は超音速流中に噴射された酸素PJであるが黄緑色の帯がNOxと考えられる.それらNOxはOラジカル等の活性ラジカル種よりかなり安定である.近年,NOxの触媒反応により,水素および炭化水素系燃料の着火が著しく促進される場合があることが報告されている.

 
図3 超音速流に噴射された酸素PJの直接写真

 水素に対してはNOの触媒反応による着火促進性が現れ,それは次のような反応によるものである.

(1)
(2)

上記の触媒反応は,以下のHとO2の競合反応において,HO2の生成が支配的となる第2爆発限界よりも高圧側(低温側)で顕著となる.

(3)
(4)

 一方,最も基礎的な炭化水素系燃料であるメタンに対しては以下のような触媒反応によりNO, NO2,に着火促進効果が現れる.

(5)
(6)
(7)

上記の触媒反応において反応(5)が三体反応であるため,水素同様,高圧ほどNOxの着火促進効果が大きくなる.また,NOおよびNO2の割合が多くなりすぎると,以下のようなラジカル連鎖停止反応が支配的となり,着火遅れ時間は増加する.

(8)
(9)

 水素,メタンそれぞれの燃料において着火促進効果を最大にするNOx濃度が存在することになり,その最適量を作動ガスの混合割合を変化させることにより供給できるならば,ラジカル失活が早い高圧雰囲気でも有効な点火器となりうるであろう.

4. 水素/酸素/窒素混合作動ガスPJ

 前節においてNOxの触媒効果により着火が促進されることを示した.NOxに加えてHO2が少量存在すると触媒効果がさらに大きくなることが知られている.水素に対しては反応(1)においてHO2の濃度を増加させることになる.また,メタンの場合は次の反応(10)により,HO2が反応(7)のNO2と同様の働きとなり,着火を促進する.

(10)

 水素を混合ガスに含めればPJの組成にHO2も含まれるであろう.NOx同様,HO2も一旦生成されると安定であり,NOxとHO2の共存効果が期待できる.水素と酸素を混合させる場合,それらの濃度が可燃範囲となると作動ガスとしては使用できないため,水素割合をかなり低くしなくてはならず効果的なHO2濃度を達成できない可能性もある.図4は著者が着火実験を行った水素(1%)/酸素(64%)/窒素(35%)PJを異なる雰囲気圧力下で噴射した場合の直接写真,図5には大気圧中に噴射した同PJの分光分析結果を示す.H, O, N各ラジカルの存在が確認できる.


図4 水素(1%)/酸素(64%)/窒素(35%) PJの直接写真

 

(a) 紫外領域  (b)可視および赤外領域
図5 大気圧中に噴射された水素(1%)/酸素(64%)/窒素(35%) PJの発光スペクトル

 また水素/酸素混合作動ガスPJであればOHラジカルを燃焼場に直接供給できるが,水素/酸素の混合気の作成は安全性の観点から困難であり,水素濃度0.1%, 酸素濃度99.9%の混合ガスが限界であった.OHの供給には水蒸気を作動ガスとしたPJが考えられ,その着火促進効果は興味深い研究対象であろう.

5. おわりに

 著者は,本報告で示した混合作動ガスの有利性を実験によって確認することを試みているが,まだ十分な結果は得られていない.実験条件が限られていることが一因であり,広範囲の実験条件で検証する必要がある.本報告のように燃料個々の酸化反応過程に踏み込んで着火・燃焼促進効果を追及することにより,より効率的なプラズマ点火器の開発が達成されうると考える.

関連文献

(1) Takita,K., Moriwaki,A., Kitagawa,T., Masuya,G., Combust. Flame, 132 (2003), 679-689.
(2) Takita,K., Combust. Sci. and Tech., 175 (2003), 743-758.
(3) Abe,N., Ohashi,R., Takita,K., Masuya,G., Ju,Y., AIAA Paper 2006-7971 (2006).
(4) Takita,K., Abe,N., Masuya,G., Ju,Y., Proc. Combust. Inst., 31 (2007), 2489-2496.
更新日:2007.12.2