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気化器主噴出管内における単一空気噴口による
生成気泡について
Grown
Bubbles
fromSingle
Eruptive Hole in theMain
Nozzle
of
theCarburettor
宝
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Yosbihiro Yokota内
容
梗
概
従来主噴出管内の流動様式としては,エマルジョン流が良好な気化器特性を与えるといわれている｡かかる エマルジョン流とほ密集した小気ほう他)流であるから,このような流動様式とするためにはまず一個の小気 ほうをうる必要がある｡そこで筆者らは,静止液槽および二次元透明模型太化召割こよF) 際的な規模において,小気ほうをうるための種々の要因を明らかにした｡1.緒
言 従来気化器においては,主噴出矧勺の流動様式をエマルジョン沈 とすることによって,朗fな燃料微粒化特性と燃料噴出特性が得ら れるといわれており(1),種々の液体についてエマルジョン流を得る 方法が報告されている(2)∼(4)が,ガソリン液中においてエマルジョン 流を与える手段についてはまだ明確にされていない｡ また,勝原民ら(5)∼(10)により,ボイラなどの降水実験による太く かつ長い管内の気水二柏流については多くの実験結果があるが,気 化器の主噴出管の場合のように,細くかつ短し､管内に空気肘コをも つ場合についてほまだ実験されていない｡ そこで,筆者らほ気化器の実際的な規模の範l独和こおいて,静】ヒ 液槽および透明二次元模型気化器により,単一空気噴口の場合につ いてエマルジョン流を得るための条件を求めた｡2.実
験
方 法 気化器主噴出管内において生成される気ほうほ,空気噴口作d〟, 主噴出管内往か,エアブリードからの導入空気流量Q〃,燃料流1誼 Q′,燃料流速取などのほかに,気ほう相互間の干渉の影響を受け るものと考えられる｡ そこでほじめに静止液槽において,d〝,Qαの影響を明らかにし, っいで透明二次元模型気化器において,おのおのの影響を確かめる とともに,気ほうの生成状況を高速度ストロボにより観察し,必盟 に応じて単せん光により瞬間写真を撮影した｡ 2.1静止液槽実験 実験に使用した試験槽(一辺の長さ約300mm)を第1図に示す｡ この槽の底部にほ弟2図に示すような空気噴口を設けて,水または ガソリンを満たし,圧縮空気タンクから気圧加減弁を経て,空気咄 口に種々の圧力の空気を供給することができるようにした0 槽の両側面はガラス張りとして,生成する気ほうを観測収影し た｡気ほうの大きさほ,噴口の上方にメスシリンダを倒立して置換 法により約50個の気ほうを捕集し,その容横と気はうの数から一個 の気ほうの平均の大きさを求めた｡Q｡の供給圧力は気圧加減弁によ って調整し,マノメータの読みゐを看視し,一方別に立てたスケー ルによって液深を測定した｡ また実験に使用Lた空気噴口(気化器のエアブリードを使用)の 形状寸法は,実用気化器に使用されているものと同一であり,なお その空気出口面を特に精密に仕上げて実験に〃㌔した｡ 2.2 透明二次元模型気化器による実験 弟3図に実験に使用した横向通気式透明二次ノ亡模型気化器の構造 * 日立製作所多賀工場 メノぺ∵リ:ノダ く丁￣-ル/
説
Iでl･一 ヽ＼ ＼ 液槽 気化器に相当する実｢
ガ 胤頂.-∴｢■ 什搾空気タンク マノメータ 水きたほガソリン 空気噴□部 第1図 静止液槽実験装置 〝ノ汐 ′わ′ 噴出口 バン r ㌻---一一-一一一//♂ ーし好一-- イ∫--ニニ滋∴1/迷ミ＼､ ヽゝ. ≒ l l ｢ 竜一竜一賢去
､Q.. rヽ /て ､＼＼＼＼＼＼＼＼､､＼-+ ＼＼＼＼＼＼＼＼､＼＼＼､∵†較;＼
ンパ 工 ア フ' /∴1土÷狭 l ←グ∫-+ l＼ エアチ 第2図 空気噴 口 部 l♂J7 透明ガラス (両面) :ミ † 主噴出管††
琶鞋鞄 1 47 第3図 透明二次元模型気化器の構造 /妻噴出口 ll ll !l≧皇
l ク戸 ーβ′〆 空気導入□ 】 † //′予⊥
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】l ll ｢丁 ムク 月部 燃料入口 ほ)主噴出管 ､∈L 溝 三 嘆十 出 管 気液混合物 空気 〟一 ノ甘---ll ＼＼､＼＼＼卜 空気駕 篭 / ゐ〆 一† 空気晴□ 俄料 ◆β戸一 βず 〔カ)空気噴口部り郡詳細) 第4国 主 噴 出 管 の 構 造 を示す｡模型の内側面は平面ガラス張りとし,上下方向のみに絞り を与えて二次元のベンチュリとし,これに舞4図に示すような透明 アクリル管で製作した主†即日管を組み合わせて,第5図に示すよう に,この模型をコックス気化器テストスタンド(CoxCarburettor Test Stand)と導入空気流星測定装掟の中間に配置して測定観測し た｡実験に供した上境出管ほ,舞1表に矧′ずた5種類で,これらに それぞれ第2表にホす空㌫t叫てHを組み合わせ使用Lた｡模型気化器 の燃料州南と工lビ‡出口までの高さの差は10mm一定に保持した｡｢
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C(フズテストスタンド 真 空 ポ ソ プ 空 気 流 量 計 燃 料 タ ン ク 燃 料 ポ ン プ 燃 料 流 量 計 浮 子 宝 燃料流堤調整器｢
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〃 // 導入そ■と気流量刺定装置 タ甫丁槽用 夕器 】 鵬一細 見ダ 量 モ 流ソメ流 速 気り 気 変 姻”ノ娼 可滑水導メ て召 第5図 実験装置の系 統 図 第1義 朗 試 主 噴 出 管叫"糾肘
内βmm￠ 径 3 J爪T-6 8 2 第2表 空 外 径 β′mm￠ 5 6 〔入U 1 6 気 唄 ら噴Uま 45 45 45 90 180 拓桝 種 内 径 d付.mm￠ 外 径 dα′mm￠ 材 袈1 中中 中中中 ル タ 小異小異小異小具真 ア3.実験結果とその検討
3.1静止液槽実験結果 液体中に開口する辛気噴Uからの気ほうの生成状況についてほ 多くの研究結果(1い(14)があるが,ガソリン中における気ほう実験 結果をまだ知らないので,筆者らほ気化掛こ適用される規模の範 囲について,空気噴口径の影響を最も単純な条件で観察するため に,弟1図の装掛こより静止液中における気ほうを観測した｡ 空気噴口部の構造ほ舞2図に示すとおりで,エアチャンバの容 積が生成気ほうの大きさおよび周期に影響すると考えられるの で,空気タンクからの配管およびェアチャンバの容積は常に一定 に保った｡また使用液は水およびガソリンとし,液温ほ常に18± 1℃に保持し,空気噴出方向ほ上向きおよび横向きとし,液深は 〟=100∼250mm,供給空気圧はゐ=100∼300mmH20の範囲に 変化させ,かつ空気噴口径d｡=0.3∼3.0￠の各種について気ほう 生成状況を観察するとともに,気ほうの平均直径を測定した｡これらの実験わ態果,測零した範囲で古土液深gの影響ほ無視し
得る程度で,また空気圧ぁほ気ほう発生のサイクルに影響するが 気ほうの大きさに対してはほとんど効果がみられなかった｡観察 の結果,生成気ほうほ卵形ないし涙滴形から生長して分離浮上 し,回転だ円体あるいほくらげ形などの複雑な形状をたどり螺旋 (らせん)運動を行ないながら上昇する｡ 次に,耳ゐ,ddなどを一定とし,噴出方向を上向きおよび横向 きとした場合には,一個の気ほうの容掛王ほとんど変化せず,ま し二 十ゴ tロ イ｢ヽ =つ ぶ砿 向向･何 棉横上 向 X し ←J ハ=〃 ♂イ ♂J エソ 三♂/ J 満濃 ノ甘U√ 気｢思/♂ロr / / / / / / // // ′/ 〝 ♂ ♂(づ 〃 ♂ ♂ ■7 ダ ∫ 乎 J 〉bg ノご♂ d 三≡気項u住(〝β〆J 第6図 静止液中における気ほうの大きさと 空気噴口径の関係 一軒 /:′Jl へ胤§bこ州∼風音汁e柵屯ぺ碕ぺ"㌫仁山革謎小型収竜 ガ ｢J へ≠弓§し♪b ●′/ノ少J
ノ/ノノ
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/ 気温/汐Or 戊ノ ♂イ ♂∫ ノ♂ /√ ∠♂ ♂∂(β〝戸J 第7図 静止液中におけるd∂とd｡の関係 た液が水とガソリンの場合では明らかに水の場合のほうが気ほう が大であった｡これほ水とガソリンでは粘性,密度,表面張力な どに相違があり,それに起附すると考えられる｡ さて,メスシリンダを用いて気ほうの平均の容積および直径を 求め,また一方,数多くの写真に徽な拝した結果から図式的に気ほ うのiF均容積および直行を求めると仙老の結果ほほぼ一致する｡ これらの値を図示すると第占図のようになる｡すなわち気ほうの 容掛も ガソリンの場合が水〝:場合に比べて約1/2である｡図に おいて,破線は気ほうの平均直径を示したものである｡ これらの結果はKrevelen氏とHoftizzer氏(13)らの示した水中 に浮遊する気ほうの場合と異なり,気ほうが噴口を離脱する場合 の形状,噴口のしめり具合などの影響を受けるので,以上の結果 ほ克化器などの場合にのみ適用できるものであるが,これによっ て気化器の空説頃口における気ほうの生成過程を明らかにするこ とができた｡ いま弟d図の結果を両対数グラフにプロットすると,第7図の ように水とガソリンとで平行二直線となる｡これより,球形に換 算した場合の平均気ほう直径d∂と空気噴口径d｡の関係は次のよ うに求められる｡ dム=10gy dα=10g∬ とおき,常数をα, ぁとすると第7固より 10gy=α10gこど＋わ.…. 一方策7図の各測定ノ煮から平均法により常数α, α≒0.67≒ ∂≒0.8544…..(1)
…(2) あを求めると気化器主噴出管内における単一空気噴口による生成気泡について
337 よって(2)式から10gy=-㌻-10g叫0･8544‥
=(2)′ これよりdα￣とd占の間の実験式ほ次のとおりになる｡ d占w≒7.2d｡音(水 の 場 令).. ‥(3) 望 d占g≒5.8d｡甘(ガソリンの場合)‥ ‥(3)′ ここに,d∂打は水中にて,またdゐgほガソリン･-いにて生成した気ほうを球に換算した場合の平均気ほう両径を示し,d｡,d叫dゎgの
単位ほいずれもmm￠である｡すなわち,水の場合もガソリンの 場合も気ほうめ直径ほ唄口径d〃の2/3乗に比例し,その大きさは d〃が一定でも水の場合のほうが〔g′,が約1.2倍大となる｡いま気ほ う一個平均の容桁をそれぞれ,水の場合帆iβnlm3,ガソリンの場 合l㌔gmm3とすると同様にして l㌔”≒1.9×102dα2 1㌔g≒1.0×102d｡2‡ガプ■㌔ン三‡
(4) 以上の結果から,′トさい気ほうをうるためには,空気噴口径d｡を やきるだけ小さくすることが有効であることが明らかになった｡ 3.2 透明二次元模型気化器実験結果 主噴出管内に牡成する気ほうほ静什二液槽の場合と次の条件を異に する｡ (`1)管壁の影響したがって管径の影禦を受ける｡ (2)管内の流れを伴っているのでガソリンの流速の影繁を受け る｡ (3)気ほうの密集による気ほう相互間の￣l二渉も考慮する必要が ある｡ これらの条件を考えて単一空気噴口をもつ主噴出管について,そ の内径♪,空気噴口径dαと気ほうの直径dムとの関係を求め,かつ 気ほうの流動様式を観測撮影した｡なお実験の条件としては主項出 口部において脈打がよく観測されるベンチュリ気流流速I机=25m/ S一定として実験した｡ 3.2.1主噴出管内径βと気ほう (1)気ほうの観察撮影 d｡=0.5￠一定として第5図の装羅により,刀=3.0∼12.Omm￠ の各主唱出管について,Q′,Q〟を変えて気ほうの生成状況を観 察撮影した結果の一部を第8図にホす｡ これらの観察の結果,(a)刀が小なるほど気ほう間隔が詰 り,■(b)刀が同一の場合には￠′が大なるほど気ほうが小と なり,その間隔ほ大となる｡一方,(c)Q′が一定の場合に は,気ほう流が持続する範押では0〟によって気ほうの大きさ の変化ほほとんどみられず,Qαが大になると気ほうの締集塵が 増してくることがわかった｡この理由は,かが小なることは一 定の￠〃,Q′に対して気液混合物の流速が大となり,またかが 一定のときQα,Q′が増すとやはり気液混合物の流速が大とな るので等価的な関係とみてよい｡ また流速が大になると気ほうが小となる理由は,空気噴口部 に対する気ほう膜の表面張力に対して気ほうによる浮力のほか ① β=4.0ゥ∼ ㊥ 刀=6.0∼み ゆ β=8.09; dα=0.5￠一定,￠∫=5.5J/h,￠α=2.37/h一定 切 β=12.0￠ 第8図 主噴出口径∂と気ほう生成状況の関係 にガソリンの流jlによる動圧が加わり,噴口部からほやく気ほ うが引きちぎられることによるものである｡ (2)気ほうの大きさの測定 第8図にその一部を示すような多くの写真から,次に述べる ようにガソリン液およびアクリル管の曲がりによる補正を加え て気ほうの大きさを測定した｡ (a)ひずみの補正 管壁およびガソリン液によるひずみの純正のため,弟9図 に示すように,3.6￠の鋼球に細い針金を溶接し,ガソリン を満たした各アクリル管にそう入して求めた補正率￡は,横 方向でか=6￠のとき≡≒1.55,β=12￠のとき己≒1.4で,縦 方向はほとんど実寸のままであった｡このようにして実験に 使用した各主噴出管について亡を求め,さらに鋼球をつるす 位置を管内の小央にするかあるいは端のほうにするかによっ て三が異なるので,これらの各位置について補正率亡をあら かじめ定めておいた｡ (b)気ほうつ大きさの測定結果 第8図に一部を示すような多くの写真の個々の気ほうに対 して前述の補正を行ない,各主噴出管内における気ほうの大 きさを球形に換算したときの直径dぁとして求め,弟10図に 示すように什対数グラフにプロットすると,β=3∼12￠の範 囲ではかとd∂の関係ほほぼ直線をなしている｡この図に静 止ガソリン中の測定値dム=3.7￠をプロットすると図の右端 の位置にあり,刀=12￠にてd占がほぼ飽和値に達することが わかる｡実用気化器でほか=6￠以下で十分であるから,木 実験の和田で考えて差しつかえない｡ さて実用範囲におけるβとd作の関係の実験式を求めると 以下のとおりである｡第10図の結果から d占=y 刀=10g∬=ズ /フリワイヤ 即≠鋼球 第9図 鋼球による管内ひずみ補正率の求め方 りJ ′ノ へ胤巨■臣こb 州叶例C■小叩=収り+淋潜=一括 ノ×/
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¶ ] 静止湾槽へガソリン乎) ブ イ 〆 ♂ 〝β ガ 〟 ノ仇7 主噴出管内径βr〝〝ダJ 第10図 工噴出管内におけるβとd∂との関係 L祝フとおき,常数をc,dとすると y=Cズ＋d 弟10図からcおよびdを求めると C≒3.8, d≒0.5 したがって,求むる実険式は(5)式のようにケ･えられる〔. dみ=3.810gヱト0.5. ..(5) ここに, d｡=0.5￠-▲定,β=3∼12￠ 単位 β,dα,dム:mm￠ (5)式から,主噴出管内において小気ほうをうるためには刀 を小にすることが望ましく,また気ほうを脾集せしめるにも βが小なるほうが有利である｡ 3.2.2 空気噴口径広と気ほう直径めの関係 (1)気ほうの観察 β=6.0￠一定とし,dα=0.3∼3.0￠の範州においてQ｡,Q′を ① dα=0.5￠ √リ ノ丁 ｡J クエ ′′ 一〃 へも尽Rこ領 旬 dα=1.0￠ ゆ dα=1.5￠ ④ dα=2.0￠ β=6￠一定,￠′=2.6J/b,￠α=2.3J/h一定 第11図 d〃と気ほう生成状況の関係 気温′ガソリン温度〝○ど ./
芸笠｡;票
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〃レ 〔J 7 ハ∂ J イ･ っJ (で＼∼)州貿肺付く榔 〟 ♂∫ ′♂ 〟￣ ∠ク Jク Jな｢ノガβ〆ノ 第12図 d〃 と dみ の 関 係 せん状流茄拓茄㌻言打一一一′一
■■一一 一一一 セん状流 .′一′/一‡/′
㌻前石中気はう流
′二㌢一一′一￣
辞蒜z♂中気ほう流
セん状流石前石芯Jま訂￣￣￣￣￣
♂ / ∠ J 〃 ∫ ♂ 7 ♂ 威科流量(J/カ) 第13囲 気ほう流からせん状流への遷移点 に対するd〃の影響 変えた場合の気ほう生成状況を観察撮影した結果の一部を弟 11図にホす｡図において,Q′=2.6J/h,Q｡=2.3J/h一定の場 令,d｡の変化によって生成気ほうの大きさd占の変化の状況が 明らかに見られるり また生成気ほうの形状はd｡が小さいとき は卵形かほほ球形に近く,上昇の過程においてもその形状の変 化があまり友られず,小気ほうが密集した形になる｡一方d｡が 人となるにしたがって締集度もまばらとなり,次第に上下方向 につぶれる傾向がはげしくなり,d｡=3.0ゥらになると,静止ガソ リン小を上昇する気ほうの形状変化の過程に近く,最初の戻滴 形から1二下につぶれた偏平状をなし,あるいはくらげ形をたど りながらⅠ二拝する｡,Q〟,Q′を相当広範開にかえてもこの経過を たどり,また0〟,0′の変化によるd血の変化はほとんど認めら れなかった｡ (2)気ほうの大きさ測定 気ほうのiF均直径d∂を縦軸に,空気噴口径d｡を横軸にとっ ⑤ dα=3.0￠ て片対数グラフにプロットして第12図に示す｡図に ふらjtるように,dαとd∂の関係ほQ｡,Q′の変化にも かかわらず,片対数グラフ上ではほぼ直線をなしてい る｡これにより実験式を求めると(6)式のようにな る｡ d∂=4.810gd｡＋2息… …‖(6) ここに,β=6￠一定,d〟=0.3∼3.0￠の範囲 (6)式から空気唄口径d｡が小さくなると,気ほう直径 dムが小となり,したがって気ほう流を得やすいことが わかる｡ 3.2.3 気ほう流の限界 導入空気流量Q〟をある限度以上に増すと,もほや気ほう流の 状態を持続できないで,栓(せん)状流からさらにピストン流へと 遷移する｡これらの各流動様式に対応して主噴出口からの燃料の Ⅰ噴肘様式が変化し,気ほう流の満城ではほとんど脈打のない一様 噴刑流となり,せん状流からピストン流に達するにしたがって燃 料の噴出のむらがはげしくなり,脈打流となることが観察され た｡ これらの状況を明らかにするために,♪=69らおよぴ12￠の主 噴出管について,dαを0.5￠,2￠および3￠とした場合￠｡とQ′ をかえて,主唱出管内つ流動様式が気ほう流からせん状流に遷移 する限界を見出した結果を舞13図に示す｡図の各破線は気ほう 拭からせん状流への遷移の境界線を表わし,各線の下方は気ほう 統領域でその上方はせん状流領域を示す｡ β=6￠の場合についてみると,￠′=4g/hのときdα=3.0￠では Qα≒1.8J/hで気ほう流が終わり,dα=0.5￠とするとQα≒6J/hま で気ほう流の範囲に属する｡すなわち,d｡が小なるほど￠｡の大 なる範囲まで気ほう流の領域を持続し得ることが明らかである｡ 次に,β二6￠とβ=12￠の場合を比較すると,刀が大なるほう がQ｡の大流量まで気ほう流を持続できることがみられる｡また 主噴出管内の気液二相の流速についてほ,βが小なるほうが流速 の大なる範固まで気ほう流敏域が持続する｡ さて実用気化器でほ空燃混合比特性と燃料微粒化特性の両面か らメーンエアブリードの選定が行なわれるが,主噴出管内の流動 様式としてほ気ほう流領域の大なるほうが一様噴出流をうるため に必要であるので,この見地から空気噴口径はできるだけ小さい ほうが望まい､ことが以上の実験によって明らかにされた｡ いま横軸に燃料流量￠′をとり,縦軸に点(=Q｡/Q′)をとって, β=6￠,d｡二0.5￠一定としたときの気ほう流の範囲を弟13図の 結果からとってプロットすると第14図の点線で示すようになり, ハッチングを施した部分ほ気ほう流の境域で脈打のない一様な燃気化器主噴出管内における単一空気噴口による生成気泡について
J汐 占プ♂ ＼ 謂 ノ甘 珊打毒古河 藤一 /桝♂〟′′J♂ ㌦/況フ 物7 〆ガ ￣♂ ノ ′ノ イ J ♂ ノ♂ 気Jjう流オ範幽 β′燃料流一貫(J/わ) 第14図 Q〟,Q′の変化と気ほう流範開 料11郎†1特怖が得られる範閃を示す｡ 11上の紙架かド),二月際〟)太化掛こ心いて汁卜一斗1押モ‖をもつ況 介腎を抑える場付こほ,㌔己ほう流を持続し-て脈才j■〃￣)ないl蝦=斗判ノ1こ な持たせながら,燃料の徴料化をほかり,かつエアブリードによ って混合比特性を調整しうる範囲ほ非常に狭いことが明らかにな った｡4.結
□ 以上に述べたような静止液槽と透明二次元模型気化器により,空 気噴口径d〃,主噴出管内往かなどをかえて,生成気はうの大きさお よび主噴出管内流動様式を観測した結果をまとめると次のとおりで ある｡ (1)気ほう生成の過程ほ,最初に卵形あるいは涙滴形をなし, これが回転だ円形,偏平につぶれた形,くらげ形などの形状をた どりながら.ヒ昇し,その大きさほ液の種類,空気噴口径(d〟),主 唱肘管内径(か)などの影響を顕著に受ける｡ (2)静LL二枚槽においてd｡と平均気ほう両得(dみ)との間には次 の実験式が成立する｡ 旦 dム抑=7.2(才｡amm￠( 水 ) 2 dムg二5.8(才｡昔mm￠(ガソリン) (3)垂直主噴出管内を流動する気ほうのjF均直径d占に対する かおよびd｡の影響はガソリン中にて次の実険式で与えられる｡ ♪ の 影 響 d占=3.810gヱ)一0.5mm￠ ただし d∂=0.5￠一定,β=3.0∼12.0￠〈
弟25巷
日 日 ･巻頭随筆"だいじな明かるさ”‥. ‥…産原英了 ･新清水火力発電所とわが国初のベン ソソポイラ ･世界最高の性能を誇る東海道新幹線用試rF旅客電車 ･国 土美 化 の 新鋭機"道路用【1￣-形ス イ ー/く'● ･軽量荷役作業の合理化に日立モート ルブロ ック ･極微の世界の神秘にいどむ最近の日立電子麒徴鋭 ･標準化に成功Lた日立/￣､-メティツタターボ冷凍械 ･F M 放 送 と F M ラ ジ オ ･印刷文化のにない手日立の印刷インキ用合成樹脂 339 d〝 の 影 響 d占=4.810g(7〝＋2.8mm￠ ただしノ か=6￠一起,d,∼=0.3∼3.0￠ (4)気ほうの何食度ほ燃椰荒馬￠ノー小,導入空災流量Q〟大,d｡ 小なるほど大となる｢､ (5)気ほう流剖甘続するQ`′の鈍【j_Ilほ￠ノーが大なるほど,またd｡ が小なるはど大きいことなどが朗らかになった｡ 参 蔦 文 献 (1)棚沢泰:トヨタ技術,Vol.5,No.11,p.332(旧27-11)(2)G.Ⅰ.Taylor:The Formation of Emulsionsin De丘nable
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