乱れの燃焼状態におよぼす影響
著者
田中 義弘, 浜崎 和則, 石神 重男
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
12
ページ
57-67
別言語のタイトル
THE EFFECT OF TURBULENCE ON COMBUSTION
乱れの燃焼状態におよぼす影響
著者
田中 義弘, 浜崎 和則, 石神 重男
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
12
ページ
57-67
別言語のタイトル
THE EFFECT OF TURBULENCE ON COMBUSTION
57
乱
れ
の
燃
焼
状
態
に
お
よ
ぼ
す
影
響
田 中 義 弘*・ 浜 崎 和 則**・ 石 神 重 男***
(受理 昭和45年5月31日)
THE EFFECT OF TURBULENCE ON COMBUSTION Yoshihiro TANAKA, Kazunori HAMASAKI
and Shigeo ISHIGAMI
The ignition delay time and the flame propagation velocity are studied in butane-oxygen mixture with and without turbulence.
The results are obtained as follows :
(1) In the case of no turbulence, the ignition delay time is maximum at a little rich mixture ratio, while in turbulence, the ignition delay time is minimum at the same mixture ratio.
(2) The flame propagation velocity is maximum at a little rich mixture ratio regardless of turbulence.
(3) The turbulent scale and intensity can be represented inclusively by the turbulent velocity.
(4) As the turbulent velocity increases, the ignition delay time decreases and the flame propagtion velocity increases.
1.ま え が き ガ ス 体 が 燃 焼 す る さ い ガ ス 中 の 気 流 の乱 れ が 燃 焼 状 態 を 左 右 す る こ と は す で に 早 くか ら知 られ て お り,特 に 内燃 機 関 の シ リ ンダ 中 の 燃 焼 状 態 と の 関 連 に つ い て 数 多 くの研 究 が 発 表 され て い る 1).こ の さい エ ン ジ ン を 発 火 運 転 して 直 接 実 際 の 燃 焼 を研 究 した 例 2)3)も 多 い が,基 礎 的 研 究 と して 特 定 の容 器 中 の ガ ス,あ る い はバ ー ナ ー 炎 に 特 定 の 乱 れ を 与 え,そ の 燃 焼 を 研 究 し た例,た と え ば 角 筒 形 容 器 内 で格 子 ま た は 多 孔 板 を 移 動 して 乱 れ を お こ し たば あ い,お よ び ブ ンゼ ン炎 に超 音 波 を 与 え て 乱 れ を お こ した ば あ い 4),等 が あ る.し か しな お 不 明 な 点 が多 く,特 に乱 れ の 程 度 を 数 量 的 に 表 示 す る試 み に つ い て の研 究 は 以 外 に 少 な い. 本 研 究 は エ ン ジ ン燃 焼 室 に 相 当 す る単 軸 円筒 形 燃 焼 室 の 中 で,断 面 一 ぱ い の多 孔 板 を 急 速 に 移 動 し,内 部 ガ ス に 乱 れ を 発 生 し,こ れ に 点 火 した と き の燃 焼 状 態 を研 究 した も の で,こ の さい 熱 線 風 速 計 に よ つ て 乱 れ の程 度 を 整 理 し,乱 れ と 燃 焼 と の 関係 を 明 らか に した, *鹿 児 島大 学 工 学 部 機 械 工 学 第 二 学 教 室 ・助 教 授 **鹿 児 島大 学 工 学 部 機 械 工 学 第 二 学 教 室 ・助 手 ***鹿 児 島 大 学 工 学 部 機 械 工 学 第 二 学 教 室 ・教 授 2.実 験 装 置 お よび 方 法 図1(a)に 実 験 装 置本 体 を しめ す.1が 直 柱 面 に と りつ け た鋳 鉄 製 燃 焼 室 本 体 で,燃 焼 室 は 直 径100mm, 高 さ12mm,内 容 積86・5ccの 短 軸 円 筒 形 で,内 部 に 乱 れ 発 生 の た め の 多 孔 板2を 駆 動 ロ ッ ド3で 支 持 し て あ る.4は 多 孔 板 駆 動 用 ピ ス トン ・シ リン ダ 機 構 で,電 磁 弁5か ら圧 縮 空 気 を送 入 して 作 動 す る.点 火 プ ラ グ は直 径6mm,2極,間 隙0.7mmで,燃 焼 室 直 径 上 の 一 端 に 一 個 と りつ け た.図1(b)は 点 火 プ ラ グお よ び 火 炎 伝 播 測 定 用 イ オ ンギ ャ ップ 配 置 図 で あ る 。 イ オ ンギ ャ ップ は 間 隙0.7mm,印 加 電 圧DC 180Vと し,伝 播 の 方 向性 を も し らべ るた め 点 火 プ ラ グ位 置 を 通 る 燃 焼 室 直 径 線 上 お よ び これ と30度 の 角 度 方 向 線 上 に 図 の ご と く合 計10個 と りつ けた,火 炎 面 が ギ ャ ップ に 到 達 す る と回 路 が 通 ず る.こ の 変 化 を 増 幅 器 を 経 て ブ ラ ウ ン管 オ ッ シ ロ ス コー プ に入 れ 記 録 す る 。 図2は そ の 電 気 回路 で あ る。 火 炎 伝 播 を 記 録 す る さい オ ッ シ ロの ト リガ 入 力 は点 火 プ ラグ に放 電 し た と きの パ ル ス と した.乱 れ 発 生 用 多 孔 板 は 直 径98 mm,厚 さ1mmの 黄 銅 板 で板 上 の孔 の配 置 を 図3の 9種 類 と した.点 火 プ ラ グお よ び イ オ ン ギ ャ ップ の場 所 は これ ら と接 触 しな い よ う孔 を あ け たが,そ の孔 の
図1実 験 装 置 本 体 図2計 測 回 路 装 置 図 大 き さ お よ び 配 列 は す べ て 同 じで あ る.乱 れ を 発 生 す る に は 多 孔 板 を 燃 焼 室 下面 か ら上 方 に 向 つ て 一 回 急 速 に 移 動 す る.移 動 速 度 は本 研究 で は 平 均8m/s一 定 と した.乱 れ の程 度 の 表示 の た め 点 火 プ ラグ の 位 置 に 熱 線 風 速 計 プ ロー ブ を挿 入 し,定 温 度 測 定 法 に よ り電 圧 変 動 を と り だ しブ ラ ウ ン管 オ ッシ ロス コー プ に 記 録 し,予 め 求 め た検 定 曲 線 に よ つ て 速 度 に換 算 し,こ れ を"乱 れ 速 度"と 名 づ け た,プ ロ ー ブ は 直 径5μ,長 さ1mmの タ ング ス テ ン メ ッ キ 白金 線 で あ る.乱 れ 速 度 の 変 化 は点 火 しな い 状 態 で 各 乱 れ 条 件 ご とに 予 め 求 め,燃 焼 実 験 の と き は 同 じ条 件 な ら同 じ乱 れ 状 態 で あ る と して 処 理 した.乱 れ 速 度 測 定 の オ ッ シ ロ写 真 の い くつ か を 図4に しめ す.乱 れ は 急速 に 減 衰 し,最 大 乱 れ か ら静止 に い た る時 間 は わ ず か10^{-2}秒 の オー ダ で あつ た.し た が つ て 点 火 実 験 の さい 乱 れ 発 生 後 ど の 時 点 で 点 火 す る か が 問 題 と な る.本 研 究 で は各 乱 れ 発 生 条 件 ご と に 乱 れ 速 度 最 大 時点 火 と1/2減 衰 時 点 火 に つ い て実 験 した.前 者 の シ リー ズ を 符 号I,後 者 の そ れ をIIで あ らわ す. 図3多 孔 板 (P:ピ ッ チ,d:径)
田 中 ・浜 崎 ・石 神:乱 れ の 燃 焼 状 態 にお よ ぼ す 影 響 59 図4乱 れ の 変 化 乱 れ 発 生 機構 駆 動 の た め の圧 縮 空気 導入 電 磁 弁 の作 動 時 か ら 乱れ 速 度 最 大 あ る い は1/2減 衰 とな る と き ま で の間 に は あ る時 間 が か か る.こ の 時 間 を 図4か ら予 め 求 め て お き,焼 燃 実 験 の さい電 磁 弁 作 動 を 起 点 と し 上 記 時 間 後 に点 火 す る よ うに した.こ の た め の 装 置 お よ び 回 路 を 図5に しめ す.図 上 部 に しめ す よ うに 合 成 樹 脂 製 の二 つ の 円板 が 可 変 速 モ ー タで 駆 動 され る一 本 の 軸 上 に 固定 され て お り,そ れ ぞ れ の 周 上 に 電 磁 弁 回 路 お よび 点 火 回 路 の 接 点 ∫_2,I_2が あ り,両 者 の 位 置 は 所 定 の時 間 間 隔 に 相 当 す る 角 位 相 だ けず ら して あ る.ス イ ッ チ1に よつ て両 回 路 を 同 時 に 通 ず る とS_1-S_ 2-S_3回 路 が 通 じ た と き電 磁 弁 が作 動 し,そ の 後 所 定 時 間 後I_1-I_2-I_3回 路 が 通 じて点 火 が お こ る.設 定 す 表1ブ タ ン ガ ス の 性 質 図5タ イ ム ラ ッグ 制御 回 路
る時 間 間 隔 は ブ ラ ウ ン管 オ ッシ ロ を 見 な が らモ ー タの 変 速 に よ り正 確 に 合 わ せ る こ と が で き る.こ の さい ト リガ 入 力 は 電 磁 弁 作 動 時 のパ ル ス を と つ た.燃 料 と し て 純 度98%の ブ タ ン ガ ス,助 燃 剤 と して酸 素 を 使 用 した.実 験 した 混 合 気 ブ タ ン濃 度 範 囲 は9∼26%で, 13%が 理 論 混合 比 に相 当 す る。 ブ タ ン の 性 質 を 表1 に しめ す,ガ ス は別 に用 意 した 内 径82mm,行 程300 mmの シ リ ンダ ・ピ ス トン機 構 の 容 器 内 に 吸 入 し て所 定 の濃 度 に 調合 し,の ち燃 焼 室 に充填 した.燃 焼 室 内 ガ ス は実 験 を通 じて 大気 温度,大 気 圧 と し た.実 験 は 同一 の ガ ス 濃度 お よ び 同一 の乱 れ 状 態 に つ い て10∼ 15回 測 定 を く りか え し,そ の 平 均 値 で 整 理 した.点 火 か らつ ぎ の点 火 ま で4∼5分 を 要 した の で 燃 焼 室 の 初 期温 度 は 毎 回 ほ とん ど変 らず,い ず れ も室 温 と 見 る こ と が で きた.以 上 の ほか 乱 れ の な い ば あ い の燃 焼 に つ い て も実 験 した.ま た 参 考 の ため 点 火 栓 と 反 対 の 燃 焼 室 直 径 端 に 指 圧 器 を と りつ け燃 焼 室 内 圧 力 変 化 を 記 録 した. 3.実 験 結 果 図6は 乱 れ の な い と き,図7は 乱 れ の あ る と きの オ ッ シ ロ写 真 例 を しめ す.図8は 乱 れ の な い と き,図9 は乱 れ の あ る と き の経 過 時 間 と 火 炎 伝 播 距 離 の 関係 例 で あ る.図 か ら一般 に 点 火 後 の 経 過 時間 と火 炎 進 行 距 離 の 関 係 は点 火 後 あ る時 間 を 経 て 火 炎 の進 行 が は じま り,進 行 後30∼60mm付 近 は 直 線 状 で さ らに 終 端75 図6乱 れ の な い と き の 火 炎 伝 播 図7乱 れ の あ る と き の 火 炎 伝 播
田 中 ・浜 崎 ・石 神:乱 れ の 燃 焼 状 態 にお よ ぼす 影 響 61 mm付 近 後 で は 曲 線 とな り,そ の傾 きは ゆ るや か と な る.よ つ て30mm点 か ら60mm点 の 間 を 直 線 とみ な し,そ の延 長 が 時 間 軸 と交 る点 を求 め,O点 す な わ ち 点 火 プ ラ グ作 用 時 か らこ の点 ま で の 時 間 を"点 火 お くれ 時 間",30∼60mm間 の 傾 きを"火 炎 伝 播 速 度" と み る こ とが で き る,い まv_o:乱 れ の な い ば あ い の 火 炎 伝 播 速 度,v_t,:乱 れ の あ る ば あい の 火 炎 伝 播 速 度,t_o:乱 れ の な い ば あ い の 点 火 お くれ 時 間,t_t,:乱 れ の あ るば あ い の 点 火 お くれ 時 間,V_t:乱 れ 速 度 と し,こ れ 等 の 値 を 各 燃 焼 条 件 ご とに 求 め 一 括 し て しめ た の が 表2,表3,表4,各 多 孔 板 に よつ て 発 生 す る 乱 れ 速 度 を 表5に しめ す. 表2乱 れ の な い とき の 火 炎 伝 播 図8乱 れ の な い とき の 火 炎 伝 播 図9乱 れ の あ る と き の 火 炎 伝 播
表3 最 大 乱 れ 点 点 火 の と き の火 炎 伝 播
田 中 ・浜 崎 ・石 神:乱 れ の 燃 焼 状 態 にお よ ぼ す 影 響 63 表5乱 れ 速 度 4.実 験結果 の検討 1)乱 れ のない ときの燃焼 燃料濃度 の変化に対す る火炎 伝播速度お よび点火 お くれ時間の変化 を 図10に しめす.火 炎伝播速度 は過 薄 混合気で も過濃混合気 で も小 さ く,理 論混合比 よ り やや濃混合気(約18%点)で 最大 とな る.こ のこと は一般に知 られ ている傾向 と同 じで,最 大速度付近 の 濃度で現実 に燃 料分子が酸素分子 と化合 するチ ャンス が最 も多い ためである.点 火お くれ時間 の変化曲線は そ の形 は火炎速度 曲線 と類似 して 中凸であるが意味す る内容 は過薄 側で も過濃側で もお くれ 時間は少な く, 最大火炎伝播速度 付近でお くれ時間 が最 も長い ことを しめす.つ ま りここでは 火炎伝 播の は じまりは おそ く,一 度伝播 がは じま るとその速度 は早 い.こ の原因 はつぎのよ うに考え られ る.本 実験 を通 じ火花 エネル ギは一定 としたが,い まその一定 エネルギの作用す る 空間容積 も一定 とし,乱 れ がないか らエネル ギ伝達 は 主 として熱伝導に よると考 える と,過 薄 ガスまたは過 濃 ガスのときは一定容積 中に存 在す る化合可能 な燃料 分子,酸 素分子 の 組合わせ数 は 少 な く,(前 者 は燃 料 分子数 後者は酸素分 子数が少ないか ら)し たがつ て 一組 あた り受け とるエネルギは大 き く,そ れがため早 く火炎 伝播状態 に移行 し,点 火 お くれ は短いが,理 論 混合 比あ るいはそれ よ りやや濃い混合気 では燃 料 ・酸 素の組合わせ数 は多 く,そ の一組 あたり受 け とるエネ ルギは少な く,し たがつて火炎伝播状態 にな るまでの 準備時間は長 くかかる。伝播状態 に移ると多 くの組合 わせの準備が完 了 してい るか ら燃焼 は早 い. 2)乱 れ のあると きの燃焼 i)火 炎伝播速 度 ガス濃度 に対 する火炎伝播速 度の変化を 図11に し めす.図 中に乱 れのないば あい も記入 した.伝 播速度 は乱れ のない ときと同 じよ うに過薄ガスで も過濃 ガス で も小 さ く,理 論混合比 よりやや濃混合気で最大値 に 達す る,そ の最大値は乱れ のない ときよ りはるかに高 く2.5倍 に も達 した.図12は 乱れ速度V_tに 対 する 火炎伝播 速度v_tの変化例,図13はV_tに 対 するv_t/v_o 値 の変化例を しめす.両 図中には最大乱れ時点火(符 号I)お よび乱れ の半減 時点 火(符 号II)の データを すべて乱れ速度で整理 してプ ロッ トした.乱 れ とい う 現 象の再現 の困難性 や乱 れの減衰が急激で点火 時期の 条件に不同 の起 り得る可能 性が多い等の ため測定 点の ば らつ きは大 きいが,平 均的に図 中の 曲線 の傾 向と見 ることが できる.こ れか らガス濃度一定 のばあい乱 れ 条件を変 えると火炎伝播速度 は乱れ速度 の増加 とと も に増加 し,そ の上昇は はじめ急 で,乱 れ速 度がいちぢ る しく大 きくな ると次第 にゆるやか とな るといえ る. 図14は 乱れ速度 と火炎伝 播速度変化率 を ガス濃度を パ ラメー タとして図示 したものであ る.乱 れの影響 に 図10乱 れ な しの 火 炎 伝 播 速 度 と点 火 お くれ時 間
図11濃 度 と 火 炎 伝 播 速 度
田 中 ・浜 崎 ・石 神:乱 れ の燃 焼 状 態 に お よぼ す 影 響 65 図13乱 れ 速 度 と 火 炎 伝 播 速 度 変 化率 図14乱 れ 速 度 と 火 炎 伝 播 速 度 変 化 率 よ る火 炎 伝 播 速 度 の 増 大 は 過薄,過 濃 混 合 気 で は小 さ く理 論 混 合 気 あ る い は や や 濃 混 合 気 で 大 きい. ii)点 火 お くれ 時 間 ガス 濃 度 の 変 化 に対 す る点 火 お くれ 時 間 の 変化 を, 図15に しめ す.図 中 に 乱 れ のな い と き の 曲 線 も 記入 し た が,曲 線 は 乱 れ の な い と き は 中 凸 に,乱 れ の あ る と き は 中 凹 に,両 者 全 く反 対 の 傾 向 とな つ た.す な わ ち乱 れ が あ る と理 論 混 合 比 よ りや や 濃 混 合 ガ スで 点 火 お くれ 時 間 は もつ と も 短 か く,し か も こ こで 火 炎 伝 播 速 度 は 速 い.こ の よ うに 乱 れ の な い と き と反 対 に な る の は 火 花 エ ネ ル ギ の 混 合 ガ ス へ の 伝 達 が 熱 伝 導 の み で な く,乱 れ の た め の対 流 に よ つ て 促 進 され る こと と, 活 性 化 され る燃 料 と酸 素 との 組 合 わ せ 数 が 多 い た め で あ ろ う.図16は 混合 比 を パ ラ メー タと し乱 れ速 度 に 対 す るt_t/t_o比 を と つ た 図 で あ る,乱 れ速 度 が増 大 す る につ れt_t/t_oは は じめ 急 に 減少 し後 次第 に水 平 に近
第12号 図15ガ ス 濃 度 と 点 火 お く れ 時 聞 図16乱 れ 速 度 と 点 火 お くれ 時 間 変 化 率 つ く.減 少の程度は理論混合気 あるいはやや濃混合気 で最 も大 き く,過 薄混合気,過 濃混 合気では少ない. 3)火 炎伝播速度 の方 向による差 異 本研究 では火炎伝播 の方 向性 を検 討すべ くイオンギ ャ ップをA,B,C列 の三方向に配置 したが,特 に 目立 つた差異は認め られ なかつた,た だ燃焼室壁 の近 くでわずかに火炎伝播速度 の低下があ る.燃 焼室直径 線上 の伝播につ いてみるとその60%ま で の進行 は壁 のない空間中の火炎面 の自由進行 と同よ うとみ ること が で き,伝 播 速 度 は ほ ぼ 一 定 で あ る.75%進 行 以 後 で 火 炎 伝 播 が 次 第 に お そ くな るが,こ の附 近 以 後 は 混 合 ガ ス は 既 燃 ガ ス に よ る圧 縮 の た め 相 当 に高 温,高 圧 と な つ て い る は ず で あ る が,壁 面 の た め ガ ス体 の 移 動 が 停 止 す るの で 火 炎 伝 播 速 度 と して は小 さ くな る もの で あ ろ う. 5.結 論 短 軸 円 筒 形 燃 焼 室 内 に 大 気 温 度,大 気 圧 力 の ブ タ ン
田中 ・浜崎 ・石 神:乱 れ の 燃 焼 状 態 に お よ ぼす 影 響 67 一酸 素 混 合 気 を充填 し,そ の 中 に乱 れ の な い と き と, 多 孔 板 を 移 動 して乱 れ を 生 じた と き に つ い て 点 火 燃 焼 し,点 火 お くれ 時 間,火 炎 伝 播 速 度 な ど に つ い て 実 験 した 結 果 つ ぎ の 結 論 を 得 た. 1)乱 れ の な い ば あ い 点 火 お くれ 時 間 も,火 炎 伝 播 速 度 も過 薄 混 合 気,過 濃 混 合 気 の と き は 小 さ く,理 論 混 合 気 よ り や や濃 混合 気 で 最 大 と な る. 2)乱 れ が あ る と点 火 お くれ 時 間 は 短 か くな る.特 に 理 論 混 合 気 よ りや や 濃 混 合 気 で は 乱 れ の な い ば あ い とは 反 対 に最 も 短 か い. 3)乱 れ が あ る と火 炎 伝 播 速 度 は増 大 す る,そ の増 大 率 は 理 論 混 合 気 よ りや や 濃 混 合 気 の と き最 大 で,乱 れ の な い と き よ り大 き く2.5倍 に も達 す る. 4)乱 れ の 程 度 を 熱 線 風 速 計 か ら 求 め た"乱 れ 速 度 "で 代表 させ 整 理 した が,測 定 値 の 分 布 傾 向 か らみ て 適 当 な 整 理 方 法 で あ る と み る こ と が で きる. 6.あ と が き 本 研 究 に あ た り,実 験 に 協力 した 大 学 院 生 田島 満 博,学 生 前 田 豊 司,水 本 宏,研 究 室 員 鯵 坂 等 の 諸 君 に 謝 意 を表 す る. 7.文 献
1) Lewis and Von Elbe :"Combustion, Fl-ames and Explosions of Gases" 1951. p. 480. Academic Press Inc.
2)長 尾 不 二 夫:"デ ィー ゼ ル 機 関 に お け る 燃 焼 う ず 流 れ の 効 果"日 本 機 械 学 会 論 文 集25巻160号 (昭34-12),1315. 3)小 笠 原 光 信,松 田 宗 和:"電 気 点 火 ガ ソ リ ン機 関 に お け る火 炎 伝 ぱ遅 れ の 実 験 的 研 究"日 本 機 機 学 会 論 文 集33巻245号(昭42-11),130. 4)熊 谷 清 一 郎："み だ れ 燃 焼"日本 機 械 学 会 誌55 巻406号(昭27-11),730.
