ポート形状によるガス流動と混合気形成

最初に先の項にて評価を行ったガス流動比較に用いたポート形状の 3 種、タンブル強化型ポート（Hi Tumble Port）、吸気流動抵抗低減型ポート（Hi Flow Port）、バランス型ポート（Balanced Port）に関し吸気行程中と圧縮行程中の当量比分布を CFD 解析した。 図 4-3-1 にはポート仕様 による吸気行程中のボア中央断面で見た当量比分布、図 4-3-2 には同じく吸気行程中のピストン冠 面側から見た当量比分布を示し比較した。 タンブル渦の強さの影響を受け燃料の移送に差が出ている 様子がわかる。また、ピストン冠面側から見た様子から吸気弁側に噴射弁を配置しているため、ガス流動 により壁付着量に差が出ていることがわかる。

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Fig.4-3-1 Mixture Formation comparison of Port Design during Intake Stroke Cycle

Fig.4-3-2 Mixture Formation comparison of Port Design during Intake Stroke Cycle

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続いて図 4-3-3 にはポート形状による圧縮行程中のボア中央断面で当量比の分布を示す。 同図に 示す矢印のようにタンブル強化ポートでは混合気の移送が最も速く行われピストン冠面に付着した燃料 の蒸発も早いことがわかる。 ただし、図 4-3-4 に示す圧縮行程後半での燃焼室内の当量比分布を見 ると、点火時期代表点である 20[°BTDC]においてバランス型ポートが燃焼室をアンチスラスト方向 (吸 排気方向に横断する方向) の流れの影響を受け、混合気が亜成層状態を作り出している様子がわか る。 このバランス型ポートとタンブル強化型ポートは、吸気流動抵抗低減型ポートに対し吸気行程中に 作り出された強いタンブル渦流れの影響で、圧縮行程中にも燃料の混合を促進しているのがわかる。 ク ランク角ごとの点火栓近傍の当量比の変化を図 4-3-5 に示す。 ガス流動の影響を受け、点火栓近傍 の当量比は変動するが点火時期に近づくと安定し亜成層状態を作り出す。

図 4-3-6 には図 4-3-5 の拡大図を示す。 このクランク角ごとの点火栓近傍の当量比と筒内平均当 量比の比を式(23)に示す亜成層シフト率 X と定義しポート形状による比較を行い図 4-3-7 に示す。

X= ^𝝋

𝝋

(23)

𝜑

𝜑

この点火栓近傍当量比の筒内平均当量比に対する比 X の比較から、バランス型ポートはタンブル強 化型ポートよりも点火時期代表クランク角度において点火栓近傍の混合気が亜成層化し過濃側にシフ トすることがわかった。

Fig.4-3-3 Mixture Formation comparison of Port Design during Compression Stroke Cycle

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Fig.4-3-4 Mixture Formation comparison of Port Design during Compression Stroke Cycle

Fig.4-3-5 Transient Equivalence Ration around Sp. Plug Port Comparison

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Fig.4-3-６ Transient Equivalence Ration around Sp. Plug Port Comparison （Zoom up）

Fig.4-3-7 Transient Sub Stratified Shift Ratio Port Comparison （Zoom up）

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このポートによるガス流動の差がもたらす影響は、第三章にて実機での燃焼と性能への影響を与える乱 れ強さの影響として図 3-15-1 と図 3-15-2 にその効果をすでに報告したが、この第四章において述べ る混合気形成にも大きな影響を与えており、その関係を表 4-2 にまとめ整理した。 タンブル強さとトレー ドオフする流動抵抗重視型のポートでは混合気の点火時期代表クランク角 20[°BTDC]においての混 合気亜成層シフト率 X も小さく、比較した他の 2 ポート（タンブル強化型とバランス型）に対し初期燃 焼期間に差異が見られた。

Table 4-2 8000[rpm] WOT Port Comparison Simulation & Engine Test