機械情報工学科
八房 智顯
教員紹介
プロフィール
- 【専門分野】
-
○自動車工学
○燃焼工学
○超音速燃焼
- 【担当科目】
- 熱力学I/II 、 知能機械工学実験 、 総合ゼミナール 、 知能機械工学演習
- 【研究テーマ】
-
1.マルチイオンプローブを用いた詳細燃焼計測技術の開発
2.火花点火機関におけるノッキング現象の研究
3.デトネーションの伝播機構の解明
- 【ひとこと】
エネルギー問題はこれからわれわれが直面する最も大きな問題の一つです。"Think globally, Act locally"身近なところから、問題解決の方法を探っていきましょう。
研究紹介
八房 智顯YATSUFUSA Tomoaki
工学部 機械情報工学科 教授
“燃焼”現象を深く理解すれば
省エネ化やカーボンニュートラルにもっと貢献できる
PROLOGUE
地球に負荷をかける温室効果ガスを減らし、カーボンニュートラルを実現しよう、と世界が動き出しています。自動車などの移動体分野で言うと電動化に注目が集まりがちですが、近年は電動化一辺倒の政策により様々な問題が出てきているいるため、水素や合成燃料の使用も含めた総合的戦略をめざす方向へと切り替わってきています。そういう状況を踏まえた時、重要になるのがエンジンの燃費効率の大幅な向上です。ここに焦点をあて研究を続けるのが八房先生。「車はもちろん、飛行機や発電所など、人々の日常は“燃焼”と深く結びついています。私たちは燃焼エネルギーの効率的な利用法について、もっと探求しなければなりません」と先生は語ります。
燃焼における燃費効率向上に欠かせない計測技術
移動体分野では、電動化一辺倒でなく、水素や合成燃料も含めた総合的戦略でカーボンニュートラルをめざそう、という流れになってきています。しかし、水素や合成燃料を用いる場合、資源量に限りがある状況を考えると、エンジンの燃費効率を従来よりも大幅に向上させなければなりません。
エンジンにおいて燃費効率を向上させるには、燃焼室の圧縮前後の体積比である圧縮比を高めれば良いことが知られています。ところが、圧縮比を高め過ぎると内燃室内で異常燃焼が起き、エンジンを損傷してしまいます。異常燃焼を避けながら圧縮比を高めないと、燃費効率の向上は実現しないわけです。
異常燃焼を避けるには、どういう条件の時に異常燃焼が起こるのか、特性を詳細に知らなければなりません。そのためには、燃焼室内の燃焼を正確に調べる計測技術が必要になります。
しかし、金属で密閉された空間である燃焼室の中をのぞくことは、通常はできません。自動車メーカーは「強化ガラスのような透明な材料で特殊なエンジンを製作し、燃焼の様子を直接観察する」か「圧力センサで燃焼圧力を調べる」といったやり方を用いています。しかし、いずれも詳細な計測には限界があります。そこで私たちは、独自に開発した「マルチイオンプローブ計測法」について研究を進めています。
イオンプローブを燃焼室の
内壁の複数箇所に設置。
火炎が通過した際の電気信号を捕捉し、
その時間を記録します
火炎の電気伝導性に着目。火炎の燃え広がり方を可視化
私が注目したのは、火炎中にはイオン分子がわずかに存在しており、火炎が「電気を通す」性質を持つ、という点です。火炎の電気伝導性については古くからわかっていたのですが、百万分の1秒という猛スピードで拡大する燃焼の状況を、微弱な電流から捉える方法が以前はありませんでした。しかし電子チップの高速化により、従来では難しかった高速な燃焼現象を正確に捉えられる可能性が出てきました。
火炎の電気伝導性と高速な電池チップを利用して、複数のイオンプローブと火炎の接触を検知するのが、私たちの着目する計測法です。燃焼室の内壁に複数のイオンプローブを設置し、微弱な電流信号がいつ発生したかを記録します。各プローブが電気信号を捉えたということは、その時に火炎がプローブの設置箇所を通過したことを示します。つまり、各プローブが電気信号を捉えた時間を観測してつなぎあわせると、火炎がどれくらいのスピードで、どのように広がったか、まるで燃焼室内をカメラで撮影したかのようにわかるわけです。
当ゼミでは、複数のプローブを使ったマルチイオンプローブ計測法の基本技術開発と、計測法の特性や限界性能を調査するための定容燃焼管を用いた研究を行っています。加えて、エンジンに適用する上で必要な要素技術の開発しようと、ガソリンエンジンを用いた研究にも取り組んでいます。
120点のイオンプローブを用いて計測。
そのデータを基に、火炎の燃え広がり方を
再構成して可視化しました。
32点のイオンプローブを取り付けて計測。
エンジンが最大出力で運転された時、
エンジン内部で火炎が
どう燃え広がるかを捉えました。
マルチイオンプローブ計測技術が、多くの研究室で活用されている
私たちの開発したマルチイオンプローブ計測技術は現在、燃焼やエンジンを研究している複数の国内大学の研究室や、エンジン機械を生産するメーカーでの燃焼研究に用いられています。当ゼミではこの計測法の計測性能を検証し、さらなるレベルアップを図ることで、システムを構築していきたいと考えています。そして、より多くの研究者・開発者の方々に利用していただくのが目標です。
マルチイオンプローブ計測法で燃焼現象を詳細に理解できれば、エンジンに代表されるような、燃焼を利用する各種機械製品の省エネ化に貢献するでしょう。それは、SDGsが掲げる「エネルギーをみんなに、そしてクリーンに」という目標の達成にも寄与すると期待しています。