エネルギーシステムの脱炭素化のために、再生可能エネルギー由来のアンモニアを燃料として利用することが注目されています。燃焼によるエネルギー変換は機器の体積や重量当たりの出力が大きく、大規模な負荷変動の追従性が良好であることから、アンモニアの直接燃焼は発電、加熱、移動体動力として、様々なエネルギーシステムに利用されることが期待されています。一方で、アンモニアの燃焼特性は従来の炭化水素の燃焼特性と大きく異なるため、アンモニアに適した燃焼方式の探索や燃焼器の改良が必要です。このためには、アンモニアの基礎燃焼特性を理解したうえで、これを正確に表現可能な燃焼反応モデルを構築し、燃焼数値シミュレーションを進める必要があります。

当研究分野では、第一原理計算を援用したアンモニア燃焼反応モデルの開発を実施しています。また、反応管における反応場のガス計測（図1上）や、対向流バーナにおける層流火炎の消炎条件の計測（図1下）を行い、これらの計測結果を用いてアンモニア燃焼反応モデルを検証しています。現実的な脱炭素化にはアンモニア／炭化水素の混焼も重要であることから、混焼特性の解明とモデル化も進めています。当研究分野で開発されたアンモニア燃焼反応モデルは様々な燃焼機器の燃焼数値シミュレーションに利用されています。

図2はヤンマーホールディングス株式会社殿との共同研究で、アンモニア／ディーゼル内燃機関の燃焼数値シミュレーション結果の例です。本シミュレーションには当研究分野で開発したアンモニア／ノルマルヘプタンの燃焼反応モデルが用いられています（ノルマルヘプタンをディーゼル模擬燃料として使用）。燃焼数値シミュレーションは良好にエンジン筒内圧力履歴やNOxおよび未燃アンモニアの排気特性等のエンジン試験結果を予測できました。エンジン筒内における燃焼挙動やNOx生成・還元過程の可視化を実現できたことにより、高効率・低エミッションアンモニア／ディーゼル内燃機関の設計開発につながることが期待されています。