噴霧燃焼火炎の光学的計測手法の紹介

(1)

噴霧燃焼火炎の光学的計測手法の紹介

著者和田好充

雑誌名第6回技術セミナー「噴霧燃焼過程の光学的計測手

法の基礎と応用」

ページ 1‑18

発行年 2005‑12‑10

権利同志社大学エネルギー変換研究センター

URL http://doi.org/10.14988/re.2017.0000015742

(2)

Doshisha University–Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –

噴霧燃焼火炎の光学的計測手法

・同志社大学大学院噴霧・燃焼工学研究室

・エネルギー変換研究センターリサーチ・アシスタント

和田好充

学術フロンティア共同研究プロジェクト

｢次世代ゼロエミッション・エネルギー変換システム｣

技術セミナー「噴霧燃焼過程の光学的計測手法の基礎と応用」

同志社大学

2005. 12. 10 同志社大学京田辺校地光喜館

光学的計測技術の利点

非接触測定

被測定対象に対して非接触であり，対象の場を乱さずあるがままの状態

(in-situ)な測定が可能である．

高時間分解能

数ナノ秒から数十ナノ秒オーダまでの高い時間分解能で，ほぼ凍結された現象が捕捉される．

高空間分解能

任意の微小な局所領域の光を抽出することが可能であり，高い空間分解能が得られる．

二次元断面計測

一次元のポイント計測や光路長積算計測に比べ，ある断面上の二次元情報を得ることが可能であり，非定常現象のある空間情報を取り出すことに優れる．

(3)

内容

化学発光計測

噴霧火炎のシャドウグラフ計測

画像 2 色法

LII と LIS の同時計測

Doshisha University

内容

化学発光計測

噴霧火炎のシャドウグラフ計測

画像 2 色法

LII と LIS の同時計測

(4)

電子の状態

基底状態：Pauliの原理で許されるような方法で，すべての電子をできるだけ低い軌道に集めた状態．

※Pauliの原理(排他律)・・・2つ以上のフェルミ粒子が全く同じ量子状態を持つことはできない

(主量子数n，方位量子数l，磁気量子数m

_l，スピン量子数s)

原子の電子状態例えばO原子(電子8個)の励起

2pの価電子4個

K L

n

l 0 0 1

s s p

m

_l

0 0 1 0 -1

s

定員

2 2 6

殻定員

2 8

・・・

*価電子のうち1つが3sに上がる場合

L=0, 1, 2, 3 S，P，D，F l

i

L

，

( l

_i

) 1

，

( l

_i

) 2

，・・・，，

1 0

2 S n 1

2 n 2

2 n

2 1 0

，，，・・・，

or S=2, 1, 0

2S 1

M M=5，3，1

S L S L S L S L

J , 1 , 2 ,...,

J

M

L

³

P

_J

,

¹

D

_J

,

¹

S

_Jなどが確認されている

電子の状態

二原子分子の電子状態

例えばC₂の準位

(「気体の燃焼物理」著者：金原寿郎出版：裳華房)

通常は基底と同じ系に存在する方が大文字になる

A’は後に発見され付け

足された

L=0, 1, 2, 3 S，P，D，F =0, 1, 2, 3

，，，

原子分子

(5)

化学発光の原理

r

E

M N

r

₀

P

o

M’ N’

r

KE PE

A + B → C + D +

余剰エネルギ

E (E _e + E _v + E _r ), KE, PE

E

_e

: 電子的エネルギ E

_v

: 振動エネルギ E

_v

: 回転エネルギ KE : 運動エネルギ

(両原子核間の振動) PE : 位置エネルギ

(両原子核間の位置)

例）H₂

/O

₂炎からのOHスペクトルの発生機構

H(

²

S

_1/2

) + O(

³

P

₂

) → OH(

²

2.26eV 2.58eV 0.41eV 4.43eV - 4.05eV = 0.38eV

OH*(A

²

例えばCH ^* の化学発光 (Gaydon’s reaction)

C

₂

(X

³

) + OH(X

²

) → CO(X

¹

CH(X

²

) ^=4.07eV

0eV

CH(A

²

) CH(B

²

) CH(C

²

)

2.88eV 3.19eV 3.94eV

( i ) 余剰エネルギ全てがCH(X

²

)に与えられる場合

(h=6.6261×10

^-34

J・s, c=299,792,458 m/s, 1J=6.2415×10

¹⁸

eV)

=h =hc/ =1240/

CH(X

²

) CH(C

²

) CH(X

²

)

314.3nm

( ii ) 余剰エネルギの一部がCH(X

²

)に与えられる場合

CH(X

²

)

^の一部

CH(B

²

) CH(X

²

) 431.5nm CH(X

²

)

^の一部

CH(A

²

) CH(X

²

)

390.0nm

(6)

各種炭化水素系成分における化学種の生成機構

OH ^* : CH + O ₂ → OH ^* + CO CH ^* : C ₂ H + O → CH ^* + CO

C ₂ H + O ₂ → CH ^* + CO ₂ C ₂ + OH → CH ^* + CO C ₂ ^* : CH ₂ + C → C ₂ ^* + H ₂

(CH + H → C + H ₂ ) CH + CH → C ₂ ^* + H ₂ CH + C → C ₂ ^* + H CO ₂ ^* : CO + O → CO ₂ ^*

Swanバンド

u

g

X

A

³ ³

( =516.5nm)

2

X

A

( =302.1nm)

可視域での

強い連続スペルトル

各種炭化水素系成分における化学種の生成機構

HCHO :

CH ₃ + O ₂ → HCHO + OH +

これが全てエネルギとして与えられても

=539nm EmeleusのCool Flameバンド

=340.5nm〜522.7nm (370〜480nmが特に強い)

？？

CH ₃ + HO ₂ → HCHO + H ₂ O +

=2.30eV

=340nmが説明可能

=5.41eV

(7)

ディーゼル噴霧火炎の燃焼初期における化学発光波長

(Ref: SEA 982685)

900 K, 16.6 kg/m

³

可視化ディーゼル機関において撮影された化学発光画像

(Ref: SEA 982685)

(8)

Combustion vessel

DVS PC

W e are F uel Desig ner

Image intensifier

(I.I.) CCD camera

equipped with band pass filter

I.I. controller Quartz window

First-stage ignition

Hot flame

Center wavelength:429.9nm FWHM: 8nm

Center wavelength:307.8nm FWHM: 10nm

化学発光計測の光学系

(*M

_x

=0.69)

High

te n s it y o f In e it n s m o ta n c T f ra n s is io s n a tu ra l fl a m e e m m e g a s i y ra p s Low High

Low

Liquid phaseGas phase

C13

First-stage ignition

C13/iC5* C13/iC8* C13/HMN*

A x ia l d is ta n c e f ro m n o z z le e x it [ m m ] A x ia l d is ta n c e f ro m n o z z le e x it [ m m ]

70 0

35 70 0

35 Hot flame

単成分燃料および混合燃料の着火過程における化学発光

(9)

内容

化学発光計測

噴霧火炎のシャドウグラフ計測

画像 2 色法

LII と LIS の同時計測

シャドウグラフ撮影の光学系

– Rapid Compression Expansion Machine

(10)

噴霧火炎のシャドウグラフ画像

X

_CO2

=0.0

X

_CO2

=0.8

2.0 3.0 5.0 6.33 7.67 10.3

Time after injection start [ms]

噴霧火炎のシャドウグラフ画像 + 化学種自発光画像

X

_CO2

=0.0

X

_CO2

=0.0

X

_CO2

=0.8

X

_CO2

=0.8 (Shadowgraph)

(OH)

(Shadowgraph)

(OH)

(11)

0

50 100 X

_C5H12

=0.0

D is ta n c e f ro m n o z z le [ m m ]

0

50 100 X

_C5H12

=0.50

D is ta n c e f ro m n o z z le [ m m ]

0

50 100 X

_C5H12

=0.75

D is ta n c e f ro m n o z z le [ m m ]

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

Time after injection start [ms]

噴霧火炎の透過光写真

内容

化学発光計測

噴霧火炎のシャドウグラフ計測

画像 2 色法

LII と LIS の同時計測

(12)

火炎2色法の測定原理(1)

T C C

J

₀ ₁ ⁵

exp

²

Wienの式（black bodyからの単色ふく射輝度とその波長および温度の関係式）

Black bodyとnonblack bodyからの発光輝度の比を火炎の単色射出率 E

とすれば、nonblack bodyからの単色ふく射輝度は

T C C

E

J

₁ ⁵

exp

²

C

₁

=3.742×10-16 [W･m

²

], C

₂

=1.439×10-2 [m･K]

プランクの放射定数

T

a

C C

J

₁ ⁵

exp

²

(1)

(2)

nonblack bodyからの単色ふく射輝度に対応する輝度温度をT

_aとすれば

(3)

すす粒子からの単色射出率についてHottel-Broughtonの式が成り立つと仮定すると

E 1 exp KL (4)

(4)⇒(2)

＝

(3) より

T T KL C

a

1 exp 1

1 ln

²

(5)

T T KL C

a

1 exp 1

1 ln

²

(5)

火炎2色法の測定原理(2)

,

， ₂の2波長について得られる輝度温度T_a1，

T

_a2を(5)式に代入しKLを消去すれば

2 2 1

1

1 exp 1

1 1 exp 1

1

2 2 2 1

1 2

T T C T

T C

a a

(6)

火炎の真温度Tが求まる．なお，真温度Tを(5)式に代入すればKL値が得られる．

(可視域における指数はおよそ1.38)

<標準電球による検定>

T E 0 . 4655 0 . 01558 0 . 2675 10

⁴

0 . 7305 10

⁴

標準電球は650nmにおける輝度温度のみが校正されている．

⇒選択波長の輝度温度は下式で与えられるタングステン電球の単色ふく射率と(2)を用いて求められる．

T C C

E

J

₁ ⁵

exp

²

(2)

(7)

(13)

High speed video camera 1

High speed video camera 2 ND filter

Dichroic mirror

Constant Volume Combustion Vessel

PC Quartz glass

Band pass filter

( =649nm , 10nm FWHM ) Band pass filter

( =482nm , 18nm FWHM )

火炎二色法の光学系

Flame Temperature [K]

2500<

<1700

2500<

<1700

KL factor

0.0 4.0<

KL factor

0.0 4.0<

0.6 0.8 1.0 1.2

Time after start of injection [ms]

0

70 35

0

70 35

Distance from nozzle orifice [mm]

Fuel1

Fuel2

(a) Flame temperature

(b) KL factor

0.6 0.8 1.0 1.2

0

70 35

0

70 35

Fuel1

Fuel2

0 1 2 3 4

2100 2200 2300

Mean flametemperature [K]

RME Gas oil

RME RME Gas oil Gas oil

0 1 2 3 4

1000 2000 3000

Integrated KL factor [mm2]

RME Gas oil RME RME Gas oil Gas oil

二色法により得られた火炎温度と KL 値の時系列画像

Fuel2 Fuel1

Fuel2

Fuel1

(14)

内容

化学発光計測

噴霧火炎のシャドウグラフ計測

画像 2 色法

LII と LIS の同時計測

Doshisha University–Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory –Spray and Combustion Science Laboratory, DOSHISHA University

Soot particle temperature increases rapidly by high energy laser.

Soot

In addition, LII signal intensity f

_v

Soot incandescence(LII signal) irradiates.

→Visualization of soot distribution Radiation Laser sheet

LII法の原理

(15)

可視化機関を用いたLII・LIS同時計測の光学系

Band Pass Filter

透過中心波長531.9nm 半値幅1nm

Cylindrical lens

Nd : YAG laser (532 nm)

Test engine

Mirror Pin hole

Beam Splitter

DVS-3000 DVS-3000

CCD camera with I.I.

Image processor

Control circuit

Personal Computer Cylindrical lens

Nd : YAG laser (532 nm)

Test engine

Mirror Pin hole

Beam Splitter

DVS-3000 DVS-3000

CCD camera with I.I.

Image processor

Control circuit

Personal Computer Band Pass Filter

透過中心波長497nm 半値幅70nm

Elongated cylinder liner Piston-crown window Elongated piston Fuel injector

Image

Cylinder head

Windows 16 ゜

Mirror Laser

Sheet

Original piston

Original cylinder liner Elongated cylinder liner Piston-crown window Elongated piston Fuel injector

Image

Cylinder head

Windows 16 ゜

Mirror Laser

Sheet

Original piston

Original cylinder liner

試験機関の断面図

(16)

8 12 15 20 28

-4 -2 T.D.C. 2 4

Crank angle [deg. CA ATDC]

Strong Relative intensity

Weak -5

10 6

(Upper: LIS images, Lower: LII images)

LII・LIS同時計測画像

相対すす粒径および相対すす粒子数の定義

D

3

N I

_LII

D

6

N I

_LIS

Simultaneous distribution of fuel droplets and soot particles

Distribution of soot particles

Original image

New image Logical AND Operation & New Image Logical AND Operation & New Image LIS

LII

New images consist of both LIS and LII

Signals Elimination of information on fuel droplets

3 /

)

1

/ (

_LIS _LII

r

I I

D N

_r

( I

_LII

)

²

/ I

_LIS

相対すす粒径相対すす数密度

D

^LII

I

^{：LIIの輝度}

D

^{：すす粒子径}

I

LIS ：LISの輝度

N

：すす数密度

)

4 .

0 (

(17)

Small

Large

Crank angle [deg. CA ATDC]

-4 -2 -1 TDC 2

4 5 6 7 8

10 12 15 18 20 28

相対すす粒子径の２次元分布

Crank angle [deg. CA ATDC]

Low

High

-4 -2 -1 TDC 2

4 5 6 7 8

10 12 15 18 20 28

相対すす数密度の２次元分布

(18)

君は神を見たか！？

Could you catch up

a finger print of the God!?

Thank you for your kind attentions !

(19)

Doshisha University–Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Laboratory – Flame Temperature [K]

2500<

<1700

2500<

<1700

KL factor

0.0 4.0<

KL factor

0.0 4.0<

0.6 0.8 1.0 1.2

0

70 35

0

70 35

Distance from nozzle orifice [mm]

Gas oil

RME

(a) Flame temperature

(b) KL factor

0.6 0.8 1.0 1.2

0

70 35

0

70 35

Gas oil

RME

0 1 2 3 4

2100 2200 2300

Mean flametemperature [K]

RME Gas oil

RME RME Gas oil Gas oil

0 1 2 3 4

1000 2000 3000

Integrated KL factor [mm2]

RME Gas oil RME RME Gas oil Gas oil

噴霧燃焼火炎の光学的計測手法の紹介

噴霧燃焼火炎の光学的計測手法の紹介

著者 和田 好充

雑誌名 第6回技術セミナー「噴霧燃焼過程の光学的計測手

法の基礎と応用」

ページ 1‑18

発行年 2005‑12‑10

権利 同志社大学エネルギー変換研究センター

URL http://doi.org/10.14988/re.2017.0000015742

噴霧燃焼火炎の光学的計測手法

・同志社大学大学院 噴霧・燃焼工学研究室

・エネルギー変換研究センター リサーチ・アシスタント

和田 好充

光学的計測技術の利点

(in-situ)な測定が可能である．

内容

化学発光計測

噴霧火炎のシャドウグラフ計測

画像 2 色法

LII と LIS の同時計測

内容

化学発光計測

噴霧火炎のシャドウグラフ計測

画像 2 色法

LII と LIS の同時計測

電子の状態

(主量子数n，方位量子数l，磁気量子数m

2pの価電子4個

K L

n

l 0 0 1

s s p

m

0 0 1 0 -1

s

2 2 6

2 8

*価電子のうち1つが3sに上がる場合

L=0, 1, 2, 3 S，P，D，F l

L

( l

) 1

( l

) 2

1 0

2

S n 1

2

n 2

2 n

2

1 0

or S=2, 1, 0

2S 1

M M=5，3，1

S L S L S L S L

J , 1 , 2 ,...,

L

P

,

D

,

S

電子の状態

(「気体の燃焼物理」 著者：金原寿郎 出版：裳華房)

A’は後に発見され付け

L=0, 1, 2, 3 S，P，D，F =0, 1, 2, 3

化学発光の原理

r

E

M N

r

P

o

M’ N’

r

KE PE

A + B → C + D +

E (E e + E v + E r ), KE, PE

E

著者和田好充

雑誌名第6回技術セミナー「噴霧燃焼過程の光学的計測手

権利同志社大学エネルギー変換研究センター

・同志社大学大学院噴霧・燃焼工学研究室

・エネルギー変換研究センターリサーチ・アシスタント

和田好充

(「気体の燃焼物理」著者：金原寿郎出版：裳華房)

E (E _e + E _v + E _r ), KE, PE

例えばCH ^* の化学発光 (Gaydon’s reaction)

) ^=4.07eV

OH ^* : CH + O ₂ → OH ^* + CO CH ^* : C ₂ H + O → CH ^* + CO

C ₂ H + O ₂ → CH ^* + CO ₂ C ₂ + OH → CH ^* + CO C ₂ ^* : CH ₂ + C → C ₂ ^* + H ₂

(CH + H → C + H ₂ ) CH + CH → C ₂ ^* + H ₂ CH + C → C ₂ ^* + H CO ₂ ^* : CO + O → CO ₂ ^*

CH ₃ + O ₂ → HCHO + OH +

CH ₃ + HO ₂ → HCHO + H ₂ O +