機械工学科木村和男　　〃　　　　稲　　葉　　真　　一

空気流動がディーゼル機関の

   燃焼に及ぼす影響（第2報）

（昭和47年ヱ0月20日 原稿受理）

機械工学教室河村芳平

  〃    津   田  時  範

機械工学科木村和男

  〃    稲  葉  真  一

  〃    福   山   五   郎

Effects◎f Aiτ・Swir1◎n C◎mbusti◎n in Diesel Engine       （Report II）

by Yoshihei KAWAMURA

  Goro FUKUYAMA

  In Diesel engine， there are a great number of factors which have something to d◎with its c◎mbustio江 Here， weどep◎rt， f◎U◎wing the Report P）， the results of our experiments about the air・swirl which has a marked effect on its combustion．

This time， we studied what effect the air・swirl has on its combustion， when the direction of the fuel injection is the same with that of the cylinder axis，砲d the in・

jection is made at a right angle to the air・swir1．

  A蕊dwith it， we als◎s敏died what e登ect the waU tempe搬ture of the c◎mbus・

tion chamber has on its combustion，

       第1報においては燃料噴射と渦流の相対関係を  1・ 緒   言       燃料の噴射方向をシリンダ軸と直角にし（1）渦  ディーゼル機関において，その燃焼に関与する  流を噴霧の側面に当てる，（2）渦流と噴霧をとも 要素としては非常に多くのものがあり，またそれ  に順方向に向ける，の2方法を採用し実験検討を それについて過去幾多の研究がなされている。こ  加えた。今回は噴霧と渦流の相対関係を（3）燃 ごでは，その中でも燃焼に大きく影響を及ぼす空  料の噴射方向をシリンダ軸と同一方向となし渦流 気流動について，昭和45年度の研究（第1報）1）  を噴霧の側面に当てる方法を採用し，渦流の燃焼 に引続き，実験を行なった。過去における空気流  に及ぼす影響を検討した。なお今回の実験におい 動の燃焼に及ぼす影響の研究2）〜6）は，空気流動と  ては，渦流の影響と同時に燃焼室壁温の燃焼に及 混合気形成および燃焼過程の関連性が不明確で，  ぼす影響もあわせて検討を行なった。

更に空気流動の強さと燃焼の定量的関連性が不十

分なため，この点を考慮し，本研究では爆発槽を   2・実験装置・方法

用いて実験を行なった。       第1図に実験装置の概略図を示す。燃焼室は肉

42

讃 ζ      接するように気流を形成する。なお参考として昭

峯犯      和45年度の研究に用いた燃焼室へ・ドの形状を

i   ギ4，鞭 冨I     I     料を重力錘により1回噴射し燃焼経過をシソクロ

li＿遵裂臨㌔ 

     止旬苓 ゜   鍵

        。：。＿認 願し燃継ソプ‖まボ・シ試を恥給獺

      弁と連動の落下錘によってタペットをたたき，た       第1図 実験装置概略図

      だ1回駆動し燃料を噴射する。

厚円筒形で有効容積γ戸0・89輻外周にニクロム   各点の温度測定にはクロメル・アルメル熱電対 線を巻き・内部空気を加熱可能にしてある・燃焼  を使用し，圧力経過の測定には容量変換型圧力検 に供する空気は空気圧撒（蓄圧器額責218∫）よ 出器を用いた。

り浮遊式流量計，予熱室1，2を通り．給気弁を

経て，燃焼室の空気吹き込み口より燃焼室に吹き   3・ 実験範囲

込み，渦流を形成する。      供試燃料は軽油2号（比重◎．822）を用い，下  空気の吹き込み口は第2図に示すように，燃焼  記2組の実験条件のもとで空気吹き込み速度（〃。）

室水平面に対し5°の勾配をもち，燃焼室壁面に  と空燃比（F）を任意に変え，実験を行なった。

       逃旦 i 轍擁      実験（A）；燃焼室初圧（助1・04ata，燃焼室        蹴  1       内空気初温（θ ）485℃，燃焼室平均壁温1（θの

       ．一（ こ，＿    25ぴρ撒室平均壁副（θ・・）46ぴC註）・

         ＼・・、． 法一一ぱ坐         実験（B）；燃焼室初圧（助1・04ata，燃焼室        ｝       内空気初温（の4◎◎℃，燃焼室平均壁温1（θψ）

        ‖−1    27げC燃焼室平耀温H（θ〃2）52ぴC…．

      ミレ

      舞      実験（A）の目的は前回の実験uと空気初温を

劃曙、爆＿通つて大気に放出する．所定の渦流強さ，醐こ

・ i戸   ，         同一にし，燃料の噴射方向を変更した場合の差異 二＝㌫』      を見実験（B）は壁温を変えた場合，実験（A）

第2図燃焼室ヘッド上面図および断面図    との差異を見出そうとするためのものである・

    螂土一． ，      4・渦流強さ

     例一・       焼室への吹き込み速度（〃。）と接線速度恒s）？）の       関係は先に河村，津田，岡村1）らが求めている弁        ，〉       全閉直後の関係を用いることとし，それらの関係

紅雛こ   兀）徽室平罐杣撚焼室上輌4』の

             位置。

       燃焼室平均壁温Hは燃焼室上面より105mmの      固 労 酬鰹ぺ      位置。

第3図 昭和45年度の実験用燃焼室ヘッド      燃焼室有効長さは170mm。

ノ2

ア0

ぎ

皆

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ぺ

↑

       て一→

第6図 圧力線図の位相区分

   口場狸，傷乙均  砥／嬬Nusse肋☆・・を，またG．ら。4η4，

   ㌶潟灘薮蕊湿蒙  はガスの状態式を恥ると・

   君一〃ダぬ ρ夢震一鋤セ     4ρ 6 ・万 4P

第4図 給気，排気弁全閉時の渦流状態         4τ  R  4τ

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鰺  ＋㈱／河σ＋L2嫉）（τ一τ拓）］・ぷ・κ

08

      ここに，。4；熱伝達面積，κ；単位換算値

゜ク@       れ；燃焼室有効容積，

・ぽ    ら；燃焼ガスの定容比熱

￠5㌣       7Vが燃焼室平均壁温（θ卿），

 ぱ        鷲燃焼ガス温度，

oチ

      P；燃焼ガス圧力。

ロヨ      の

     実験結果では4（2／∂τ（kcal／ms）を0（ca1／ms）

ρ2@  の単位に換算して示した。

     6． 実験結果および考察〃

第5図 吸き込み速度物と亘及びR，の関係  実験（A）および実験（B）で得られた代表的 な圧力線図およびその圧力上昇率を第7図，第8 を第4図，第5図に示す。       図に示す。この図より実験（A）の空燃比F＝

      2◎．2を除き，実験（A），（B）ともに一様に渦  5・圧力線図の解析      流強さが大なるほど着火遅れは短かくなり，圧力  圧力線図の解析は前回1）の実験と同様に燃焼位  上昇率が増大している。

相8）〜1°）を，（i）着火おくれち，（ii）着火中心の位   6寸・燃焼の基本相

相τ；，（iii）燃焼第2位相τ、に区分し，かつτ；  第9図〜第14図に燃焼の基本相すなわち着火 のτ、に対する比，すなわちK、一τ1／τ，の値，なら  遅れτ、，燃焼第2位相τ，および着火中心位相ち びに，燃焼最高圧力，最高圧力上昇率および熱発  のτ、に対する比K、を実験（A），実験（B）に 生率を求め解析を行なった（第6図参照）。熱発生  ついてそれぞれ示す。

率は単位時間あたりの定容燃焼室における熱平衡   実験（A）；空燃比Fが小なるほど着火遅れは

       ω戸・訂   1

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第7図圧力経過および圧力上昇率経過       第8図圧力経過および圧力上昇率経過 実験（A）       実験（B）

   アま＝二1．04ata，   θ 二二485°C，      Pf二＝LO4 ata，   θ6＝＝400°C，

   θw＝250°C      θ2〃ご畿275°C

短かくなっている。渦流の影響はF＝5．8，F＝  である。このことは空燃比によって渦流の影響を 11．4においては渦流強さRsがα5kg・m／kgま  効果的に受ける場合とそうでない場合があること では比較的その影響があり着火遅れを短かくす  を示唆する。これは実際のエンジンにおいて最適

る。しかし，Rsが0．5kg・Wkg以上ではあま  な空気過剰率があることと同意と思われる。．F一 り影響が見られない。F−20．2においては0．25  5．8の中心位相τ2がほかの空燃比とだいたい同 くR5＜◎．5の間において最小となり以後は遅くな  様な値をもつことから渦流が燃焼の質量速度をほ

る（第9図）。       かの空燃比のそれよりも大きくしているものと思  燃焼第2位相τ，はF−20．2を除いていずれの  われる（次項で述べるPm、。，（41γ4τ）m、とともに 空燃比もだいたいにおいて同様な傾向を示し，  議論しなければ判然としないが）。F＝20．2に関し α2＜Rsでほぼ一定となる（第10図）。      ては空気が静止の状態では着火が遅れ，燃焼時間  燃焼の中心位相に関してもF−5．8，F−7．8，  （中心位相）τ2が大であり，渦流強さが大になる F＝U．4ともに同様でRs≒0．5付近で最小とな  に従いτ、は小となりほぼほかの空燃比と同様な

る。F−11．4では高渦流強さになるに従ってほか  ちとなるが，τ、は前述したように最小値になる の空燃比に比しいくぶんかκ、の増大の割合が大  範囲があり以後は増大する。これは燃料が希薄の

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ため，静止空気申では着火しても火炎の拡大がな かなか起り難く，渦流が大であれば着火するまで は部分的点火，失火をくり返しいったん着火する と比較的すみやかに燃焼が継続するためと思われ

る。

 実験（B）；着火遅れτ、（第12図）はF−7．8 とF灘5．8は同様な傾向，値をもつが・F＝11．4，

F−20．2と空燃比Fが大となるにしたがってい ずれの渦流強さにおいても遅くなっている。しか しどの空燃比Fにおいても渦流強さRsの増大と

36〃

34ρ

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    亘竺㌘続＿  ㍉  寵

第9図着火おくれち実験（A）      心20θ

       ノ〆ク

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     碕汐祐プ・

第10図燃焼第2位相実験（A）

〆〃

〃       M

第12図、潜火おくれτ1実験（B）

〆z．ノ㌢

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 ク 〃 μ μ3 疎 48 〃 〃 ρ8 〃 ／∂        ク 〃 ク2 由  〃 雄 4〆 4グ 48 〃 ／ク

       帝夕w      石ワ祐夢

    第11図 K。実験（A）       第13図 燃焼第2位相 実験（B）

46

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 戊6 sζ乙ヂ

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距離，空気申での燃料粒，分子の分布密度の大小 によっても着火，火炎の拡大が影響を受けること は明白である。壁温が適度に高いということは噴 射された燃料は壁においても蒸発が早められ，混 合気形成が促進されかつ壁面全面にわたって十分 な点火エネルギが供給され，それが壁面近くの大

  ク．ク

   ク〃 娚の 〃〆訂〆4グの ρプZ〃  きい渦流によって燃焼室内全般に巻き込まれるも

      烏夕当    のと思われる。

      第14図K・実験（B）         6−2・圧力上昇率および最高圧力

       実験（A）の空燃焼一定のもとにおける最高圧 もに一様に早くなっており，その影響も比較的大  力（Pm、。）と渦流強さの関係，および圧力上昇率 となっている。第2位相τ2（第13図）はRs≒   （4W4τ）m、、と渦流強さの関係を第15図，第16 0．2まではいずれの空燃比においてもほぼ一定で  図に，また実験（B）におけるそれぞれを第17図，

あるが，それより強い渦流強さにおいては漸減す  第18図に示す。実験（A）においてはF−5．8の る。いずれのR5においてもF−1L 4がいちばん  場合圧力上昇率は渦流強さの増大とともに大きく 短かく，ついでF−20．2，1−5．8，F−7・8と長  なっているが，最高圧力には渦流の影響はそれほ くなっている。このことは燃焼の中心位相τ；の  ど顕著ではない。このことは前の基本相のところ 第2位相τ、に占める割合すなわちκ、（第14図）  で述べたように燃焼の質量速度が早くなっている がF−20．2，F−11．4， F−7・8， F＝5・8の順に  ことの証左と思われる。しかしあと燃え，未燃ガ 増大していることと考えあわせれば・F−11・4の  スの問題は残存すると思われる。またF−11、4に 場合が比較的渦流による影響が大で初期の燃焼の

質量速度が大となっていることが推察できる。     4θ

F−58はこ曝験ではｱ過圏こもか力勒 ㍉ ．＿答一・ ・

‡よ芸灘㌶㌫㌧鴬：：溺⇒ 14詫

とより推察できる。またこのことは混合気形成，   這叫      。   メ仰

       ヘ       ジ      

ならびに燃焼室内の空気が十分有効に消費された    15 一一・一「一「7つ〜ξ〜

ことがうかがえ冷と燃えが減少してし・ることを  、，  兎2〆

示している‥2α2では渓験（A）の結果と  ‥汲冴㌔㌦殊 ‥

異なり，Rsの増大とともにτ1は短かくなってお      辺、 r解⊇塾z鳴蠕庇 り，静止空気中においてもほかの空燃比とあまり   第15図 渦流が最高圧力に及ぼす影響実験（A）

違いのないち，瓦の値を示している。このこと

が渦流の及ぼした影響とあいまつて大いに燃焼に㌻ ＿．一二〉一』

は先に記した、F−5．8，．F−11．4の場合と考えあ     砧

わすと，この実験（B）においては燃焼室の壁温     6 声頃か

繍空気によって齢気繊部分縮火，部分 λ＿：一：Lス頴匂

的燃焼雄しその着燃焼の一ネ，レギが大であれ 。レー・一 ・二一一

了㌫㌶；遍：嶽影㌶皇欝ξ 藁：II／＿＿：㌻亡

ば引継く撒臆速幽大されるカ・・エネルギが  θ‥ρ‥芦弦蝸ヨぼ◎

小であれば，失火または燃焼も緩慢となる。また         君物ぬ舎4万セ島r2耽 油粒間の距離，油粒の径，気化後の燃料分子間の   第16図 渦流が圧力上昇率に及ぼす影響実験（A）

関しては最高圧力は渦流強さの増大とともにほか  比較するとやはり実験（B）は壁温と渦流の相乗 の空燃比に比較し，その上昇割合が大きくなって  的な効果が最高圧力，圧力上昇率ともに見受けら おり，また圧力上昇率に対する影響も比較的大き  れる。

い。F−20．2に関しては渦流の増大とともに最高   6−3・熱発生率

圧力はいくぶんか減少し，圧力上昇率はほとんど   圧力線図より求めた熱発生率（口）を実験（A）

変化がないようである。このことは前項の6−1  について第19図に，また実験（B）については で述べたことからも言えることで，渦流が大とな  第2◎図にそれぞれ空燃比別に示す。

れば燃焼は継続するが燃料の分布密度の関係から   実験（A）；F−20．2を除いていずれの空燃比 して継続に限界があるように思われる。F−2α2  においても渦流強さの増大とともに熱発生率は高 を除いたほかの空燃比については大小はあるが圧  められ，またいずれも熱発生が早められている。

力上昇率は渦流強さの増大とともに大きくなって  F−5・8においては渦流強さが増大すれば，それ いる。      に応じて熱発生率のピークが高く，燃焼時間（第  実験（B）については6−1で述べたこととだ  2位相）中，ほかの渦流強さに比し比較的高い値 いたいにおいて符合する。F−5．8は渦流強さの  を示している。 Rs＝◎・87とRs＝◎．38はだいたい 増大とともに最高圧力，圧力上昇率ともに大とな  において相似的な熱発生を示しているがRs−0に っており渦流により空気の利用度が十分に高めら  なると・熱発生率のピークは低く，燃焼が比較的 れたと思われる。またF−11．4においては．Rs≧  緩慢になっていると思われる。F−11・4ではR5＝

α6なる範囲で最高圧力，圧力上昇率ともに大と  ぴ87の場合，熱発生率のピークが高く鋭くなっ なっている。F＝20．2については，0．8≦Rsあた    〃

りで大となっている。実験（A）と実験（B）を    廿

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第17図 渦流が最高圧力に及ぼす影響 実験（B）

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第18図 渦流が圧力上昇率に及ぼす影響 実験（B）        第19図 熱発生率 実験（A）

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      第21図 渦流強さが一定の場合の空燃比とτ1，

  琴       P疏x，（4P／∠の包xの関係 実験（A）

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      ☆、

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     第2◎図 熱発生率 実験（B）       ダオち4μ        ：1

ていることより，この空燃比においては適切な渦    ㍉

鹸さが存在すると説る。       紅

 実験（B）；いずれの空燃比においても熱発生         メf        ノ 

率が高められかつ渦流強さが増大するに従って熱      タゾ〃㌔が 発生が早められている。       、〃

      3亨ρ  7．総   括      ノ〃

      ぴクピ

 実験（A）および実験（B）について・それぞ       ，㌦        ．   ・ れ渦流強さが一定の場合（高渦流強さ；Rs＝0．8        陶㌦，

〜◎、9，低渦流強さ；Rs＝◎．4〜◎．6，静止空気中；         楠

Rs＝0）の空燃比とτ1， PmaX，（4正ソ4τ）斑、の関係          ㌻♂μぴ2。

      ズ      ゴ ツ を第21図，第22図に示す。斜線で示した部分が       解。。吃力．、。砿    燃焼の改善・促進された領域である・         第22図渦流強さが＿定の場合の空燃比と砺  前章で述べたように，、実験（A）および実験        Pm、。，（4P／4の顧。の関係実験但）

（B）ともに渦流によって空気利用度が高められ  を促進，改善し空気を有効的に利用できるという 圧力上昇率，最高圧力ともに増大しているが，空  ことは，その方法によりまた条件により影響は受 燃比によってその影響度に差異が見受けられる。  けるが，燃焼現象を制御する一つの大きな要素で 実験（A）と実験（B）を比較した場合実験（B）  ある。その場合特に燃料の噴射方向による影響度 は前者に比し，渦流強さと壁温が相乗的に効果を  が大きい。渦流強さの燃焼に及ぼす影響はシリン 及ぼし空気利用度が高い。       ダ壁温，燃焼室内圧力（空気密度），噴射圧力（噴  昭和45年度の研究と今回の実験（A）を比較  霧粒径，噴霧貫徹力），噴霧形状，噴射率などに すると渦流の燃焼に及ぼすSensitivityは前者の  よってもまた大いに左右されると思われる。また 方が高い。したがって昭和45年度の研究におけ  の機会に検討を加えねばならぬ事項である。

る渦流と噴霧をともに順方向に向ける混合気形成

法がいちばん空気の利用度が高く，渦流強さの影      文    献

響が顕著である。       1）河村，津田，岡村：九工大研究報告No．23（昭和        46−6）

8．結  言      2）＆H・R・Ri・a・d・：Th・High−Speed bt・m・1

       C◎mもΣ1st輌on］Eま3gine

 燃料噴射による自己着火，燃焼は条件によって   3）C・F・Taylor：The Internal C・mbustion

楡の飾を呈する・ま燥件に関与するファク 4）璽馴撫議麗 t輌ee

タは非常に多くのものがあり・これらをすべて関   5）池上：内燃機関No．120（昭和47＿2）

連させた実験は不可能に近い。今回の実験（昭和   6）倉林：内燃機関Nα320（昭和47−2）

45年度の＝含めて）のよう欲容撒室とい 7）（篇≧5甥醐械学会謙文集N° 7°°−6

う条件において渦流の影響を見たが・燃焼のミク   8）岡：内燃機関序論

ロ的現象とマクロ的現象の相関性に立ち入ること   9）長尾他2名：機械学会論文集V。1・12No・42（昭        和21−10）はなかなか困難iである。しかし大よその推察はこ

       ユ0）深沢正一：内燃機関No・120（昭和47−2）

の実験の条件下でという制約はあるが・可能だっ  11）W．恥ss磁：F。玄s也． He紘264（1923）

たと思われる。いずれにしても渦流によって燃焼