2
( 113)
Le=140 cm N= 2 0 0 0 rpm
ｌ･ｾ＠
，
0c m 90 14025 ヲ Nrpm 3.5刈Oヲ
図 8 排気管系の温度分布
が ら 管 長 全 域 に わ た っ て の 平 均 温 度 を 用 い て算出しなければならない。 従 っ て ， 排 気 孔 直 後 の 排 気 ガ ス 温 度 か ら 算 出 さ れ て い る 従来の方法は余りにも近似過ぎ， 排 気 管 長
の影響を表わすことはできないだろう。 い
ま 実 用 上 か ら 考 え る と ， 排 気 平 均 温 度
( t
側) を 個 々 の 場 合 に つ い て 求 め る と と は 極 め て 煩雑であるから或一定点， た と え ば 測 定 容 0. 2L
易 な 排 気 孔 直 後 の 温 度 (tp) との関係がわか 0 る と 便 利 で あ る 。 そζ で 図‑ 8の 実 験 結 果
1，
0K
、
込 /
0. 6
斗
A
' ‑zr‑
Le/ de
100 図‑ 9
か ら 温 度 比 ( T e m/ Tp ) を 管 長 と 管 径 の 比 ( Le/de) に つ き 整 理 す る と 図‑ 9に 示 す よ う に ， い ず れ もー曲線
u
と か な り よ く 揃 っ て い る 。 従 っ て 同 一 運 転 条 件 の も と で は 近 似 的 に 次 の 関 係 が 得 ら れる。ん( T e m/ Tp) = ‑ 0. 0393 ( Le/ de) CO. 6 ( 7 ) ここに T em= 2 7 3十t em，Tp= 2 7 3十tp，Le: 排気管長， d e : 管 径 ( m) である。
こ れ ら の 関 係 は 勿 論 ， 排 気 孔 直 後 温 度 の 測 定 位 置 や 排 気 管 の 冷 却 状 態 に よ っ て 変 る も の で あ り ， 厳 密 に は 供 試 機 関 に つ い て 二 三 点 チ ェ ッ ク し て み る 必 要 が あ る 。 さ ら に 直 管 型 排 気 管 以 外 の 排 気 管 系 に お い て は ， 図‑ 10，図 ‑ 11fこ示すように排気管系寸度lと応じて排気温度分布曲線 が変るので実験式を作ることは余り意味がない。
3・2・2 排 気 管 内 圧 力 変 動 か ら の 圧 力 伝 播 速 度 測 定
排 気 孔 直 後
( E
山 中間( E
2) および出口( E
3) に お け る 圧 力 変 動 の オ シ ロ グ ラ ム を 図‑ 12t e
。C 200
コ
100 0 0.5Le m
。ぢ
Le m 200
nu nυ nu
I
図‑1 0 排 気 管 系 の 温 度 分 布 ( 段付管)
. .
図‑1 1 排 気 管 系 の 温 度 分 布 ( 円錐管)
( 114)
ク ラ ン ク 室 圧 縮2サ イ ク ノ レ 機 関 の 給 排 気 管 内 に お け 圧 力 伝 播 速 度 に っ て 663
図 12 オシログラム
に 示 す 。 図 か ら 給 気 管 の 場 合 と 同 様 に ， 排 気 孔 閉j上後 ( E. C. ) の 脈 動 波 か ら 圧 力 伝 播 速 度 を 求 め ， 機 関 回 転 数 ( N) お よ び 排 気 管長 ( Le) に つ い て 示 し た の が 図 1 3， 図 ‑ 1 4である。
これら両図によると，排気管内圧力伝 播 速 度
(a
e) は機関回転数と共に増加し，500 排 気 管 長 が 長 く な る に つ れ て 減 少 し ， 排 気
。
管内平均温度( 九時) の測定結果( 図‑8) と全
500
a e
m
400
phJ
1
︽Hv
nu
qノ
2ち
ヲ
︽HU
X
P内〆
バザ
m川
nγ
γJ
M川
図‑1 3 排 気 管 内 圧 力 伝 播 速 度
ち00
400 m，，:
/ S
排気管長Lem
‑一」司一一ーム‑ 0 5 .10 図‑1 4 排 気 管 内 圧 力 伝 播 速 度
1 .5
く 同 じ 傾 向 を 示 し て い る 。 従 来 ， 排 気 管 内 の 圧 力 伝 播 速 度 に 関 し て は Kas t n目的が Ki r c hho妊
ＱＰＰＰｃｾＲＵＰＰｃ ＱｾＴ i nch の範囲の排気管
に お け る 管 内 圧 力 伝 播 速 度 を 計 算 し ， 表‑ 5ｾ ｍｯｲｲｩｳｯｮ
察 を 加 え て い る 。 し か し 乙 れ ら は い ず れ も そ の 管 内 の 平 均 ガ ス 祖 度 が 不 明 で あ り ， し か も 低 速 回 転 の 実 験 結 果 で は あ る が ， 本 実 験 結 果 と か な り よ く 一 致 し て い る 。 一 般 に 燃 焼 ガ ス 中 の 圧 力 伝 播 速 度 ( α) は
］ｾ ｒｔ］ｾ ｒｔ ﾱ
参 考 文 献 著 者
表‑ 5 圧 力 伝 播 速 度 の 実 験 値
機 関 の 種 類 排 気 管 径 I圧力( 平( 伝H均1播/s値)速) 度 ( cm)
4. 13 411 6. 35 384 13. 60 384 22. 5 375 7. 3 335 Pr oc. 1. A. E. V ol. 27， p. 614. 孔1uc kl ow
Pr oc. 1.乱1. E. V ol. 138， p. 367. I F a r m e r F or s c hu昭， V. D.1. B d 5， p. 226. ¥ Sc hmi dt F or s c hung， V. D.1. B d 6， p. 280. I P 配 hi時 er Pr oc. 1. M. E. V ol. 143， No. 2， p. 109. I M or r i s on
4‑ cycl e / 2‑ cycl e 750 r p m
370 r p m 1450 r p m 4‑ cycl e 1600 r p m ( Mot er ed engi ne) ( 115)
で、表わされる。乙乙l乙，T
o= 2 7 3
0
K， T : 燃焼ガス 温度である。
α .
同 時 ? j4 jl
a.=夜干R. T.
な お 上 式 に お い て a o =
. . J 扇
R To 'と 合 ま れ る 燃 料 焼ガスの比熱比( ん) および常数 ( R) は，燃焼ガスの 320 組成とiliit度 に よ っ て 変 る こ と は 給 気 管 の 場 合 と 同じ で あ る 。 い ま ， 燃 料 と し て ガ ソ リ ン ( 重 量 組 成 :
n=o. 9 C = 8 5 %， H= 1 4 .5 %， S = 0 .2 %) を考え， ま ず 完 全
燃 焼 し た 場 介 の 燃 焼 ガ ス 組 成 を 化 学 反 応 式 か ら 求 める。 次lと燃焼ガス中 lこ 合 ま れ る 各 成 分 (C 02，
内U
︽U
l
qノ
4 0 0 8 0 0 1200 燃焼ガス温度 t' C 図 15 圧 力 伝 搭 速 度 (ao)
H20 ， N2) の定圧. lt熱 ( Cp ) お よ び 定 容 比 熱 ( C，，) を用いて Dal t on の 法 則 か ら 燃 焼 ガ ス の 比 熱 比 ， ガ ス 定 数 を 決 定 す る 。 ま た 空 気 過 剰 率 が1 以 上 の 場 合 に は 酸 素 ( 02) を， 1 以 下 の 場 合 lこは ガ ソ リ ン 蒸 気 を 加 え て 計 算 す る 。 か く し て 求 め た 圧 力 伝 播 速 度 α。 イ 布 石
T
。の値を燃焼ガス 温 度 (tOC) について示したのが図 1 5で あ る 。 図 に お い て ， 供 試 機 関 に よ る 本 実 験 範 囲 の 排 気 管内平均温度( 九四)=1 5 0 ‑ ‑ 4 0 0o
C， 空 気 過 剰 率n=0. 9‑ ‑ 2では a o= 3 2 3土3 m/ s と 近 似 で き る 乙 とがわかる。
よ っ て 給 気 管 の 場 合 と 同 じ に ， 排 気 管 内 の 圧 力 伝 播 速 度 に 関 す る 実 験 式 と し て 次 の 関 係 が 得られる。
a e土 ( 323士3)
. . J
T e刀
To‑ 0. 3/ dt ( 8 ) 表‑ 6 排 気 管 内 圧 力 伝 播 速 度 の 検 討回 転 数
オシロよ
t実5) 測 値 (t求3・
tem 1I と(8)
t
式pかとら(7求)
tem 111と(8)
り求めた か ら 式 よ り 求 め 式 よ り 求 め
排 気 管 長
N
圧 力 伝 播 め た 平 均 温 た圧力伝播 al Ij ar め た 平 均 た 圧 力 伝 播 aI I I j ar
速 度 度 速 度 温 度 速 度
r p m ar mj s te明1 I oc al I mj s te叫 rl I oc
。
I I I mj s2000 430 248 436 1.013 236 430 1.000
2500 450 275 447 0. 993 263 442 0. 982
L R+( 20十10)
3000 460 312 462 1.004 324 468 1.017
3500 475 360 481 1.012 365 482 1.014
2000 420 220 424 1.009 211 420 1.000
2500 430 240 433 1.006 232 430 1.000
LR+( 50+20)
3000 438 270 446 1.018 269 445 1.015
3500 438 300 458 1.045 306 459 1.047
2000 396 160 397 1.002 148 391 0. 987
L n+( 100十20) 2500 415 180 406 0. 978 171 402 0. 968
3000 422 216 421 0. 997 221 425 1.007
( 116)
ク ラ ン ク 室 圧 縮2サイクノレ機関の給排気管内におけ圧力伝播速度にって 665 乙 の 実 験 式 の 妥 当 性 を 検 討 す る た め 実 測 せ る 排 気 管 内 平 均 ガ ス 温 度 ( temII) と(8)式を用い て 圧 力 伝 播 速 度αI I を 求 め ， こ れ を オ シ ロ グ ラ ム か ら 求 め た 圧 力 伝 播 速 度a r と 比 較 す る と 表 ‑ 6 ｾ ま た 排 気 孔 直 後 の 温 度 (tp ) と(7) 式 か ら 算 出 し た 排 気 管 内 平 均 温 度 ( temm) を用い， (8) 式 か ら 求 め た 圧 力 伝 播 速 度aIIr を も 同 表 に 示 し て い る が
ＲｾＳＥ ＨＷＩ ａ ( E‑ 125) の 実 験 値 の み
から誘導したものであり， (8) 式 の 右 辺 第2項 ( 0. 3j de) も 給 気 管 系 の 結 果 を そ の ま ま 用 い た も の で あ り ， な ん ら の 確 証 も な い 。 そ こ で 機 関B ( E‑ 50) の実験結果( オシログラム) から求めた圧 力 伝 播 速 度 ( ae) を(8) 式 に 代 入 し ， 逆lこ排気管内の平均ガス温度 (Tem) を 求 め ， 実 測 せ る 排 気 孔 直 後 の 排 気 温 度 ( Tp ) との比 ( T e mj Tp ) を L ej dc に つ い て プ ロ ッ ト す る と ， さ き に 示 し た 図 ‑ 9の ム 印 の 如 く 機 関 A ( E‑ 125) の実験曲線によく揃っており， (7) 式 お よ び(8) 式 が 充 分 妥 当 であることがわかる。
以 上 の 結 果 は 給 排 気 管 内 の 残 留 脈 動 波 の 周 期 か ら 求 め た も の で あ る 。 し か し 給 排 気 孔 開 放
ＲｾＳ
れ と 反 射 波 の 遅 れ と の 平 均 か ら 求 め よ う と 試 み た が ， オ シ ロ グ ラ ム の 精 度 上 余 り よ い 結 果 は 得 られなかった。 しかし， 排 気 管 系 に 関 す る 算 出 結 果 の 一 例 ( Le= 90) を 図‑ 13ｾ
て い る が ， 本 研 究 の 算 出 法 に よ る 結 果 と か な り よ い 近 似 を 示 し て い る 。
4. 結 言
以 上 給 排 気 管 内 の 流 休 温 度 の 測 定 と 管 内 の 圧 力 変 動 か ら 給 排 気 管 内 の 圧 力 伝 播 速 度 を 求 め る実験式を誘導し，考察したが要約すると次の通りである。
(1 )
給気管内残留脈動波の圧力伝播速度は次式から求めればよい。ai = 328，J T i m
庁
，;' ‑ 0 .3 j n mj s ( 2)Ｑｏ ｾＱＵ ＭＳ
よ い 。 ま た 特 性 数 (qi，Zi ) の 計 算 に あ た っ て は 給 気 管 長 ( Li ) ｾ ａｬ ＨＲｾＳＩｒ 施すべきである。
(2) 給 気 過 程 に お け る 圧 力 伝 播 速 度 と し て は ク ラ ン ク 室 内 平 均 温 度t km (表‑ 3) を(2) 式の
T伽の代りに用いればよい。
(3) 排気管内残留脈動波の圧力伝播速度は次式から求められる。
a e = ( 323土3 h τ
可
TO‑ 0. 3j de mj s ( 8 )
た だ し ， 上 式 は 排 気 管 内 平 均 温 度 t em=ＱＵＰ Ｂ ＴＰＰ ｯｃ ｮ］ＰＮＹｾＲ
用 さ れ ， 排 気 管 内 平 均 温 度(Tem)は 排 気 孔 直 後 の ガ ス 温 度( Tp ) を用いて次式から求められる。
ln ( T e mj T
p) ニー0. 0393 ( Lej de)O.6 (7 ) ( 117)
(4 )
排 気 過 程 に お け る 圧 力 伝 播 速 度 も 近 似 的 に ( 8) 式から求めうる。以 上 ， 従 来 不 明 確 で あ っ た 給 排 気 管 内 の 圧 力 伝 播 速 度 の 実 体 を 明 ら か に し ， 実 用 性 を 高 め 得 た も の と 思 わ れ る 。
終 り に の ぞ み ， 御 指 導 を 賜 わ っ た 東 京 大 学 浅 沼 強 教 授 ， 実 験 を 担 当 さ れ た 群 馬 大 学 工 学 部 機 械 工 学 科 昭 和3 4年 度 卒 業 研 究 学 生 久 保 修 一 ， 田 沼 篤 雄 ， 田 部 井 正 俊 の 諸 氏ζl 深 甚 な る 謝 意 を 表 す 。 さ ら に 日 頃 御 指 導 御 鞭 挺 を 賜 わ っ て い る 北 海 道 大 学 黒 岩 教 授 ， 本 学 千 谷 茂 教 授 ， 林 重 信 講 師 ， 福 島 和 俊 助 手 ， 早 川 友 吉 技 官 ， 三 田 村 ナ ミ 事 務 官 な ら び に 機 械 工 学 科 各 位 に 感 謝 す る 。
文 献
1) 沢: 機械学会論文集， 25， 156 (昭34‑ 8) . 2) 沢: 室工大研報， 4，2(昭38).
3) 沢 : 機械学会北海道支部第9回講演会前刷.
4) L or d Rayl i gh: T heor y of S ound V ol. II， 49. 5) Kas t ner : E時g. 150 ( 1949)， 301.
6) Kas t田r: E昭g. 150 ( 1940)， 301.
η G .
F. Muc k low: I. M. E. Pr oc. 143 ( 1940)， 109.8) 粟野誠一: 内燃機関ヱ学， 10.
9) 山下敬治: 数理音響学序説，山海堂， 182.
10) 熱機関大系， 7巻， 148，山海蛍.
11) 谷下市松: 熱力学，下巻， 382，機械学会.
12) I nt巴r nat i onal cri ti cal t abl es V ol . 6， 461.
( 118)
高 速 4 サ イ ク ル 機 関 の 吸 排 気 管 効 果 に つ い て
沢 則 弘
O nt he D y n a mi c Ef f ec t d u e t o S uc t ion o r E x h a u s t P ip e S y s te m i n a Hig h ‑ S p e e d F o ur ‑ S t r o k e C y c ly E n g in e
Nor i hi r o S a wa
Abs t r ac t
T o ex ami ne t he ef f ect s of a suct i on or exhaus t pi pe s y s t em on t he del i ver y rat i o ( or t he br eat hi ng capaci t y) i n ahi gh‑ speed f our ‑ st r oke cycl e engi ne ， t he pr esent wr i t er has meas ur ed t he a mount of ai r f l ow a nd anal ys ed s o me pr es s ur e di agr ams f or t he suct i on pi pe or exhaus t pi pe.
S o me concl usi on obt ai ned i n t hese exper i ment s ar e s ummar i z ed as f ol l ow:
a) T h e ma x i mu m del i ver y rat i o occur s o n ac c ount of t he i nert i a‑ ef f ect as t he s a me as i n t he case of l ow‑ s peed engi ne a nd s uc h i nert i a田ef f ect is gov er ned by t he f ol l owi ng expr es s i on
Z .
=竺 ・ ， ;
‑ γ‑ ;:L .
，!五
乱
b) I n t he cases of l ong suct i on pi pe or hi gh‑ speed， t he pul sat i on wav es i n t he i nt ake pi pe hav e i nf l uence o n t he del i ver y rat i o a nd s uc h pul sat i on e妊ect is pr巴scr i bedby t he f ol l owi ng expr es s i on
q. = 30 a. / ( NLs)
c) T h e ma x imu m e妊ect of t he e位x対三d
t he over l a p per i od a nd t he resi凶dual negat i ve wave.
1. 緒 言
4 サイクノレ機関の吸込み空気量( または機関トルク) が吸排気管系により， 著 し い 影 響 を 受 け る こ と は 古 く か ら 知 ら れ て お り ， 数 多 く の 理 論 的 乃 至 実 験 的 研 究 が 続 け ら れ て き た 。
すなわち I反 排 気 管 内 の 流 れ は 非 定 常 圧 縮 性 一 次 元 等 エ ン ト ロ ピ 流 れ と 近 似 で き ， 運 動 ， 連 続 ， 状 態 の 三 つ の 基 礎 式 を そ れ ぞ れ の 境 界 条 件 と 初 期 条 件 の 下 に 解 け ば よ く ， そ の 解 法 と し てH. Li s t およびG. Re y l の 逐 次 数 値 解 法1) や 電 子 計 算 機 の 利 用2 ) およびE. Je n n y ，と始まる特 性 曲 線 法3 )等が知られている。 し か る に ， こ れ ら 厳 密 解 は ， そ の 計 算 が 煩 雑 英 大 と な る の で 最
大の吸込効率の生成条件[ こ注目した近似王里論もある。かかる数多くの理論的または実験的研究
の結果， 吸気管による動的効果( 吸気管効果) としては， い わ ゆ る 慣 性 効 果 と 脈 動 効 果 の 二 つ が 存 在 し ， し か も 両 者 は 厳 密 に 区 別 さ れ る べ き で あ る こ と ， 慣 性 過 給 に 基 づ く 最 大 の 吸 込 効 率 は 主 と し て 慣 性 特 性 数( Z8)， 流 動 抵 抗 係 数( μ) および吸気弁閉じ角( { ) .c) によって規定されると
( 119)
と が 明 ら か に さ れ て い る ぺ 逆 に 脈 動 波 の み に 注 目 す る 場 合 に は ， い わ ゆ る 脈 動 次 数Q8=30
α J
N・Ls が有用なノf ラメータであるとともわかっている。
次に排気過程における排気管の動的効果( 排気管効果) としては， 排 気 吹 出 し に つ づ く 負 庄 波 に よ る い わ ゆ る 排 気 吹 出 し 効 果 と 残 留 脈 動 波 に よ る 排 気 脈 動 効 果 と の こ つ が 考 え ら れ る 。
しかし，低速機関では後者の影響は一般にかなり小さく，十分無視して差支えないようである。
いま脈動効果を無視する場合，排気吹出し負圧波が弁重り期聞に一致するとき，最も効果的な掃 気 が 行 な わ れ る も の と し て 吸 気 管 の 場 合 と 同 じ よ う に 同 調 条 件 を 求 め る こ と も で き る 。 こ の よ
うに4サイクノレ機聞における吸排気管効果に関しては，かなり具体的な解明がなされている。
し か し 従 来 の 研 究 は ， い ず れ も 比 較 的 低 速 の 機 関 に 対 す る も の が 多 く ， 機 関 の 高 速 化 に 伴 い ， こ れ ら 吸 引 気 管 効 果 が そ の ま ま 利 用 で き る も の か ど う か 今 の と 乙 ろ 検 証 が な い 。 そ こ で 木 研 究 に お い て は 取 敢 え ず 機 関 回 伝 数 N= 2000‑ 8000 r p mの 範 囲 に わ た っ て ， 虫 気 管 長 や 掛 気 管 長 を 変 え た 実 験 を 行 な い ， そ の 結 果 に つ き 吸 気 管 効 果 と 排 気 管 果 と に 大 別 し て 次 に 述 べ る 。
2. 給 気 管 系 に よ る 動 的 効 果 に つ い て 2 ・1 実 験 装 置 お よ び 実 験 方 法
供 試 機 関 は 図 11こ示す単シリンダ空冷ガソリン 4 サイクノレ機関 ( E‑ 125) であり，その諸元 は次の通りである。
シ リ ン ダ 径 × 行 程 6 0 mmゆx 4 4 mm 圧 縮 比 10: 1
行 程 体 積 125 cc 吸 気 弁 径2 7 mm 個 数2
行 程 内 径 比 1: 1.36 排 気 弁 径3 2 mm 個 数1 実 験 装 置 は 図‑ 2，図‑ 3 に 示 す よ う に ， 供 試 機 関 ① を 電 気 動 力 計 ⑧ ( 三 相 交 流 分 巻 整 流 子
図 1 供 試 機 関 図 2 実 験 装 置 全 景
( 120)