詳細反応に何が できるのか？

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詳細反応に何が
できるのか？
東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻
三好 明
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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連鎖反応
chain reactions
連鎖反応 － 分岐連鎖
H2-O2 －分岐連鎖・連鎖爆発
H + O2  OH + O
O + H2  OH + H
OH + H2  H2O + H
—————————
net: 2 H2 + O2  OH + H + H2O
指数関数増加
10 13
Conc. / cm-3
3
 exp(maxt)
10 12
H
10 11
O
OH
10 10
- 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
Time / s
 x    R1
  
 y     R1
 z   R
   1
R2
 R2
R2
R3  x 
 
0  y 
 R3  z 
x   si e
i t
i
(1つの)固有値  > 0 … 解の発散
爆発限界: 最大固有値 = 0
H2:O2 = 2:1 混合気の爆発限界
10000
H + O2  OH + O
H + O2  HO2
1000
O + H2  OH + H
OH + H2  H2O + H
 x    R1  R4
  
R1
 y   
 z  
R1
  
R2
 R2
R2
P / Torr
4
R3  x 
 
0  y 
 R3  z 
x   si e
i
i t
Slow
max < 0
Reaction
…
沈静
 max
<
=0
100
Explosion
 max
>0

>0
10
max
… 発散(爆発)
400
500
450
T / °C
550
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自着火 — 分岐連鎖反応
— 連鎖担体 (OH, O, H etc.) の自己増殖
水素 (H2) - 空気
H + O2  OH + O
O + H2  OH + H
incubation time
炭化水素 (n-C7H16) - 空気
H
branch
OH
O
R + O2  RO2  QOOH (+O2) 
O2QOOH  HOOPO + OH
HOOPO  OPO + OH
incubation time
'分岐' の速度と程度が 傾き = 自着火性 を決定
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プレイグ
preignition
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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
プレイグ温度と自着火特性
— プレイグ温度は MON とよく相関
1000
a) T PI vs. RON
b) T PI vs. MON
c) T PI vs. T AI
900
T PI
8
800
alkanes
alkenes
alkanes
alkenes
700
60
80
100
60
80
100
alkanes
alkenes
300
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
400
500
MON と RON
— 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?
120
100
80
MON
9
60
40
alkanes
naphthenes
alkenes
aromatics
20
0
0
20
40
60
RON
80
100
120
燃料成分の自着火特性, MON と RON
ign
log10(
/ s)
ign
/ s)
— RON...低温の着火性
MON...高温の着火性
log10(
10
11
プラズマ支援自着火
Plasma Assisted Autoignition
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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.
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[OH] と [RO2] の時間履歴
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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
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[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
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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