冷たい炎

冷炎は、典型的な温度が約400 °C（752 °F）の炎です。 ^[1]通常の高温の炎とは対照的に、反応は激しくなく、熱、光、二酸化炭素をほとんど放出しません。冷炎は観察が難しく、日常生活ではめったに見られませんが、エンジンノック（内燃機関における低オクタン価燃料の望ましくない、不規則で騒音の多い燃焼）の原因となります。^[2]^[3]^[4]

歴史

冷炎は 1810 年代にハンフリー・デイビー卿によって偶然発見されました。デイビー卿は、熱い白金線を空気とジエチルエーテル蒸気の混合物に挿入しました。「エーテルのゆっくりとした燃焼に関する実験を暗闇で行うと、白金線の上に淡い燐光が見えます。もちろん、白金線が点火されなくなったときに最も顕著になります。この現象は、酸性の特性を持つ独特の刺激性の揮発性物質の形成に関連しています。」^[5]^{: 79} 特定の種類の炎では指が火傷したり、マッチが点火したりしないことに気づいた後、デイビー卿は、それらの異常な炎が熱い炎に変わる可能性があること、また特定の組成と温度では、火花や熱い物質などの外部の点火源を必要としないことも発見しました。^[2]^[5]^[6]

ハリー・ジュリアス・エメレウスは初めてその発光スペクトルを記録し、1929年に「冷炎」という用語を作り出した。^[7]^[8]

パラメータ

冷炎は、炭化水素、アルコール、アルデヒド、油、酸、ワックス、^[9]、さらにはメタンでも発生する可能性があります。冷炎の最低温度は明確に定義されておらず、通常は暗い部屋で炎を目で確認できる温度に設定されています（冷炎は日光ではほとんど見えません）。この温度は、燃料と酸素の比率にわずかに左右され、ガス圧に大きく左右されます。ある閾値以下では冷炎が形成されません。具体的な例としては、50% n-ブタン–50%酸素（体積比）の場合、冷炎温度（CFT）は 165 mmHg（22.0 kPa）で約 300 °C（572 °F）です。最も低い CFT の 1 つ（156 °C（313 °F））は、300 mmHg （40 kPa）でのC ₂ H ₅ OC ₂ H ₅ + O ₂ + N ₂混合物で報告されています。^[10] CFTは従来の炎の自己着火温度（AIT）よりも大幅に低い（表^[8]を参照）。^[2]

冷炎のスペクトルはいくつかのバンドで構成されており、青と紫のバンドが支配的であるため、炎は通常淡い青色に見えます。^[11]青色の成分は、炎の中で化学反応によって生成されるホルムアルデヒド（CH ₂ O*）の励起状態に由来します。 ^[8]

CH ₃ O・ + ・OH → CH ₂ O* + H ₂ O

CH ₃ O• + CH _n O• → CH ₂ O* + CH _n OH

冷炎は閾値圧力と温度が加えられてもすぐには燃え始めず、誘導時間がある。圧力が上昇するにつれて誘導時間は短くなり、グローの強度は増加する。温度が上昇すると、上記のグロー反応に必要な過酸化ラジカルが消失するため、強度は低下する可能性がある。^[8]

酸化剤の流れにオゾンを加えることで、自立した安定した冷拡散炎が確立されました。^[12]

機構

熱い炎では分子が小さな破片に分解され、酸素と結合して二酸化炭素を生成する（つまり燃焼する）のに対し、冷たい炎では破片は比較的大きく、互いに容易に再結合する。そのため、放出される熱、光、二酸化炭素ははるかに少なく、予混合燃焼プロセスは振動しており、長時間持続することができる。冷たい炎の点火時の典型的な温度上昇は数十℃であるのに対し、熱い炎の場合は1,000℃（1,830℉）程度である。^[2]^[13]

ほとんどの実験データは、冷炎を熱発生速度が熱損失速度よりも高い遅い化学反応とみなすモデルで説明できます。このモデルは、冷予混合炎の振動特性も説明します。反応は熱を多く発生させるにつれて加速し、熱損失が顕著になり、一時的に反応が停止します。^[11]

クールな拡散炎

冷たい予混合炎とは異なり、冷たい拡散炎（CDF）は当量比勾配の存在下で燃焼します。CDFは2012年に国際宇宙ステーションの液滴実験で初めて観察されました。^[14]それ以来、CDFは液滴とガスを燃焼する微小重力球状炎^[15]や通常の重力逆流^{[12]および成層炎}^[16]で観察されています。

アプリケーション

冷炎はエンジンノック（内燃機関における低オクタン価燃料の望ましくない、不規則で騒音を伴う燃焼）の一因となる可能性があります。^[2]通常の火花点火エンジンでは、高温の予混合炎が点火プラグから燃焼室内をスムーズに移動して、前方の燃料/空気混合物を圧縮します。しかし、同時に圧力と温度が上昇すると、最後の未燃焼燃料空気混合物（いわゆるエンドガス）に冷炎が発生し、エンドガスの自己着火に関与する可能性があります。

この突然の局所的な熱放出により衝撃波が発生し、燃焼室を伝わり、その急激な圧力上昇によりノッキング音が聞こえます。さらに悪いことに、衝撃波によりピストン表面の熱境界層が乱され、過熱して最終的に溶解します。出力が低下し、スロットル (または負荷) をすぐに切断しないと、数分以内にエンジンが損傷する可能性があります。冷炎点火に対する燃料の感度は、温度、圧力、組成に大きく依存します。

ノックプロセスの冷炎開始は、低圧で冷炎が観察されるため、高度に絞り込まれた運転条件でのみ発生する可能性が高い。通常の運転条件では、冷炎によって引き起こされることなく自己着火が発生する。燃焼の温度と圧力は主にエンジンによって決定されるが、その組成はさまざまなノック防止添加剤によって制御できる。後者は主にラジカル（前述のCH ₂ O*など）を除去し、冷炎の主な発生源を抑制することを目的としている。^[17]

参照

参考文献

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^
その後、他の多くの調査員も冷たい炎を観察した。
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- Boutigny、Pierre Hippolyte (1840)「Phénomènes de la caléfaction」、Comptes rendus … 、12 : 397-407。ブティニーは 400 ページで、ジエチルエーテルを赤熱した白金るつぼに滴下すると、刺激性の酸性蒸気が発生したと述べています。「… il est bien à présumer qu'il s'opère là une burns lente, …」 (… そこではゆっくりとした燃焼が起こっていると推測するのが適切です…)
- Boutigny、Pierre Hippolyte (1857) Études sur les corps à l'état spheroidal: Nouvelle Branche de physique [回転楕円体状態の物体に関する研究: 物理学の新しい分野]、第 3 版。パリ、フランス: Victor Masson、165-166 ページ。 166 ページで、ブティニーは、熱いるつぼにジエチルエーテルを注いだときのことを次のように述べています。クルーゼドントエルレンプリットトゥートラキャパシテ。稀な炎と透明性を保ちながら、より深い変化をもたらす信号を見つけて、空気を吸わないで、活気に満ちた怒りを表現してください。」 (実験のどの段階でも、深い暗闇の中で、るつぼを完全に満たす目立たない明るい青色の炎が波打っているのが見えます。このまれで透明な炎は、エーテルが受ける重大な変容の兆候です。鋭く突き刺さるような臭いの蒸気を放出し、鼻粘膜や結膜（目）を強く刺激するのが特徴である。
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さらに読む

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[8] (Döbereiner) (1834) "Sauerstoffabsorption des Platins" (プラチナによる酸素吸収)、Annalen der Physik und Chemie、31 : 512。512 ページより: "Eine andere nicht uninteressante Beobachtung von Döbereiner ist: das Aether Schon bei der Termperatur von 90° R. verbrrennt, und zwar mit einer nur im Dunkeln wahrnehmbaren blassblauen Flamme, die nicht zündend wirkt, aber selbst so entzündbar ist, dass sie sich bei Annäherung einer brennende Kerze augenblicklich in eine hochlodernde, hellleuchtendeフランム（ドーベライナーのもう一つの興味深い観察は、エーテルはレオミュール90度の温度でも、暗闇でのみ知覚できる淡い青色の炎で燃え、それが発火を引き起こすことはないが、エーテル自体が非常に可燃性であるということである。燃えているろうそくに近づくと、それは瞬時に燃え盛る明るく輝く炎に変わる。

[9] Boutigny、Pierre Hippolyte (1840)「Phénomènes de la caléfaction」、Comptes rendus … 、12 : 397-407。ブティニーは 400 ページで、ジエチルエーテルを赤熱した白金るつぼに滴下すると、刺激性の酸性蒸気が発生したと述べています。「… il est bien à présumer qu'il s'opère là une burns lente, …」 (… そこではゆっくりとした燃焼が起こっていると推測するのが適切です…)

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