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予燃焼室式ディーゼル機関におけるピストン頂面形状が性能におよぼす影響: University of the Ryukyus Repository

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(1)

Title

予燃焼室式ディーゼル機関におけるピストン頂面形状が

性能におよぼす影響

Author(s)

新里, 隆男

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(3): 1-25

Issue Date

1970-06

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/23928

(2)

予燃焼室式 デ ィーゼル機関 におけるピス

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1.諸 言 予燃焼室式デ ィーゼル機関の性能 は主燃焼室内の燃焼 に左右 されることが大 きく,従来 よ り 予燃焼室の配置,噴気孔の方向, ピス トン頂面の くぼみ部形状 などいろいろ くふ うされて きた。 す なわち多 くの高速予燃焼室式機関では,噴流部に空気 を集め燃焼促進 を計 るよ うピス トン頂 面の形状 に特別の考慮 を払 っている(1)0 デ ィーゼル機関の シリンダ内の燃焼 は空気流動 に関係 す ることが知 られてお り(2), この こと は直接噴射式 または予燃焼室式 を含 くむ他の副室式 を問わず いえることで,特 に副室式機関で は,噴気孔 (または連結孔) をと うして主燃焼室へ ガスが流人す るので あるか ら, その噴流 の 方向 をピス トン頂面 に対 しある角度 をもた し,積極的 に衝突 によ り噴流 を四方へ分散せ しめ空 気 との混合 を促 す ことがで きる。 本研究では, ピス トン頂面 に くぼみをつ けることによ り予燃焼 か らのガス噴流 と主燃焼室 内 の空気 とがすみやかに混合 し良好 な燃焼 が得 られることを期待 し,燃料消費率,排気煙濃度 を 比較検討 して考察す るのを主 な目的 とす る。

†受付:

1969年10月31日 *琉球大学理工学部 機械工学科

(3)

新里 :予燃焼室式 デ ィーゼ ル機関 におけるピス トン頂面形状 が性能 におよぼす影響

2.

ガス噴流 と性能

2.1 実験機 関 四サ イクル,単 シリンダ水冷式 デ ィーゼ ル機関 (ヤ ンマーデ ィーゼ ルST95型, シリンダ内 径95mm,行程容積815cc)Fig・1に示 す シ リンダヘ ッ ドを取 りつ けた もので ある。 Nozzle Pre_CombllStionChamber

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Fig・1 Cross-SectionalviewoftheCombustion

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機関 の圧縮 比 は18と16で別 々 に実験 した。噴射 ポ ンプはBosch型,燃 料 は軽油 (比東o.834,セ

タン価55)を使 い,排気煙濃度 はBosch式排気煙濃度 計 を用 いて測定 した。

(4)

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 取 り入 れロパイプにオ リフ ィス をと りつ け, マ ノメー タを使 用 した。 Fig.2は ピス トン頂面の試 作形状 を示 す。 Flat O 繭

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実験結果 および考察

2. 2. 1 み ぞ型 くぼみの影響 Fig.3.Fig.4は実用機 関 その ものの結 果 で, ピス トン頂 面 は平 で くぼみ は か 、。圧 縮 比 は 18で実験 した。

(5)

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(7)

新里 :予燃 焼室 式 デ ィーゼ ル機 関 にお け る ピス トン頂面形状 が性能 にお よぼす影響 最小燃料消費率 は232g/PS・hを示 してお り, その最小燃料消 費率での運転範囲 が平均有効圧 で高 々1kg/

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2で あるか ら広 い運動範囲 が要求 され る用途 には不適 当で あることがわかるC 最高負荷で正味平均有効圧 は7

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(9)

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10 新里 :予燃焼室式 デ ィーゼ ル機関 におけるピス トン頂面形状 が性能 におよぼす影響 Fig.9は平 ピス トンと一条みぞ形 くぼみ との比較 を一つ にまとめたもので ある。 全負荷 をつ うじて燃料消費率の低下がみ られる。 しか し,排気煙濃度の点は逆の現象 がみ られ る。 これは主噴気孔 か らの噴流 がみぞをとおって未燃 ガスが反対側 の比較的冷 い壁 にあたるの で炭素分が遊離 して発煙す るもの と推察 される。 Fig.10は平 ピス トンと三条みぞ形 くぼみとの比較結果 を示す。燃料消費率の点で著 しい性能 改善 を示 している。 排気濃度では一条みぞ と同 じで逆 に要 る くなっているが,理由は同 じよ うに説明で きる。 Fig.11は以上三つ を燃料消費率で比較 した もので ある。 6 5

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琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 13 2.2.2 円形 くぼみの影響 深 さ5mmの くぼみ をつ けるので, ピス トンヘ ッ ドの厚 い陸用機関の ピス トンを使用 した。 こ の ピス トンは第一 ラン ドが長 くなるので その分だ けがスケ ッ トを厚 くLをければならない. と い うのは吸 ・排気弁 のオーバー ラップの時期 にピス トン頂面 と弁 の頭 とがあた り不都合 になる ので, そのために圧縮比 を16に下 げざるを得 なかった。 Fig.12 ,Fig.13は比較 の基準 となるもので圧縮比16の場 合の結果 を示 す。 やは り圧縮比下 げれば理論熱効率 が低下す るので,燃料消 費率 も全負荷 をつ うじて増大 してい る。 0 0 0 人U 5 _ へ ∈ d L )N 0 0 0 0 3 2 p a a d s a u 芯 u H 0 0 0 0 0 09 6 4 n 2 2 2 三 ・s d J b )a q u O ! 1

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琉球 大学理工学部紀 要 (工学 篇) 高負荷時 において平均有効圧 が上 が らか )の も, くぼみが あるが ため に未燃 ガスがそこへ停 た いして しまい燃焼 がお くれるため と考 えられ る。 排気煙濃度 が良 くなっているのは, くぼみによって未燃 ガスの比較的冷 い周囲 の壁 にあた るの が少 な くなるためで あろ う。 Fig. 16は平頭 ピス トンと工型円形 くぼみ との比較図で ある。 u O ! )T 3 J O 1 0 U S ! P T S n t !q X 臼 ( u s d / 6 ) a q u O t l d t lm S tIO U I a Tt h u !J ! U a d s

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18 新里 :予燃娩室式 デ イ'_-セ ル機 関 におけ るピス トン頂面形状 が性能 におよぽす影響 Fig. 17,Fig. 18はⅡ型円形 くぼみ (直径45mm,深 さ5mm,容棟7.95cc)の結果 を示す. 低負荷時 と高負荷時 に燃料消費率の改善 がみ られる

Ⅰ型 よりも最大平均有効圧 は増 している。 排気煙濃度 は大差 はか 、O この場合,噴気孔 からの噴流 は直接 くぼみへぶっつ かって四方へ分 散 し周囲の壁 によって上へ吹 き上 げ られ混合が促進 されて性能 が改善 される。 1500

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24 新里 :予燃焼室式 デ イ「ゼ ル機関 におけるピス トン頂面形状 が性能 におよぼ す影響 Fig.22は平頭 ピス トンとⅢ型 円形 くぼみつ きピス トンとの比較図で ある0 Fig.23は以上四つの ピス トンにつ いて燃料消費率 を比較 したもので ある。最 も良 い改善 がみ られるはⅡ型円形 くぼみの場合 である。 各噴気孔毎 にみぞ をつ ける, いわゆるみぞつ きくぼみ とは異 なりこの円形 くぼみの場 合は噴 気孔 か らの噴流 が大部分は円形 くぼみの周囲の壁 に衝突 してエ ネルギーが適 当 に減衰 し空 気 と の混 合が良 く在れば性能 は改善 され る。 また くぼみ周囲の壁 に衝突 す ることによって小 さな う ず が発生 して混合 が促進 されるもの と予想 される。 この ことは,燃焼室 内の気流 が規則的 か 売れで あれば燃焼 は促進 される141ことや,小 さを うず が極書卵 に発生すれば混 合が促進 され る`5)ことからも一応 うなず けることである. T u ・

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琉球大学理工学部紀要 (工学 篇)

3.

結 言 以上性能 の比較試験 結果 の数例 をあげたが, それぞれの結果 はほ ゝ∼同 じ大気条件 の もとで得 られ るもので その影響 は少 ない と考 えられ る。 くぼみの効果 を見出 す には それ に適 合す る噴流 衝突角 および位置 を選 ばね ば な らぬが噴 気孔 の方向 を変 えると,予燃焼室 内の燃焼状態 も変化 す るため,主燃焼室 内の燃焼 のみ を調べ ることは困難 で あ り, また この実験 で は, みぞ形 くぼ みの場 合 と円形 くぼみの場 合 とで は圧縮 比 も異 なって い るので各形式 の ピス トン くぼみ優 劣 を 比較す ることはむず か しいので, みぞ形 くぼみの場 合 と, 円形 くぼみの場 合 と別 々 に推論 して み る。 みぞ形 くぼみ

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各噴気毎 にみぞ をつ けた方 が最小燃料消費率 も低 下 し,最大平均 有効圧 も得 られ る。 (2) 主噴気孔 のみぞは噴 流 が シリンダヘ ッ ド上方へ吹 き上 げ られ るよ うにす れば良 い と思 わ れ る。 (3) みぞ形 くぼみ によ る排気煙濃度 の改善 はあま り期待 で きない。 円形 くぼみ 噴流 が くぼみに入 って い く際 に適 当 を角度 が要求 され るが,入 った後 の噴流 が くぼみの周囲 の 壁 に到達 す るまでの距 りも要因 となろ う。す をわ ち くぼみの直径 が大 きす ぎる とい うと平頭 ピ ス トンに近ず くことなので ある。 いず れ にせ よ, 円形 くぼみ をつ ければ多少 の性能改善 がみ ら れ る。 以上 この論文 の考察 を述 べ たが,予燃焼室式機 関 の性能 は主燃焼室 よ り予燃焼室 内 の燃焼状 能 に左右 され ることが大 きい と長尾 不二夫 らは述 べ て い る(6'。 終 りに実験 のデー タをとって くれた,親川 清君,儀 間利彦 君,国仲 昌典君,瀬底正好君 に謝 意 を表 す る。 をお この研究 は1969年度 研究助成 費 によ り行 をわれた ことを附記 す る。 文 献 (1) 長尾,柿 本,松岡, 論文集,26,162

(

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長尾 ,池上,新里 , 論文集,33,246 (3)長尾 ,柿本,松岡, 論文集,26,162 大鹿 , 日本機械 学 会 (昭35.2) 香場 , 日本機械学 会 (昭42.2)PP291-292 大鹿 , 日本機械 学会 (昭35.2)P352 (4)長尾 不二夫,内燃機関講義 (上),養 賢堂 (昭42.1)PP230-231

(5)

J.

F.AIcock& W.M Scott, oc.hst.Mech. Egnrs,AdtomobileDivisin, 5 (1962

-1963)P179

(6)長尾,柿本,松 岡,大鹿 , 日本機械 学会論文集,26,162 (昭35.2)P353

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