St udyonI mpr o ve me nto fHe a tFl uxPr o bef orEng l ● ne ( Exami na t i o no fHe a tFl uxPr obeMa t e r i a l s )

エ ンジン用熱流束計の高精度化に関する研究 (熱流束計構成材料の検討 )

2 7 9

エ ンジン用熱流束計の高精度化 に関す る研究 (熱流束計構成材料の検討)

長瀬 慶紀

1)

2)

3)

St udyonI mpr o ve me nto fHe a tFl uxPr o bef orEng l ● ne ( Exami na t i o no fHe a tFl uxPr obeMa t e r i a l s )

Ybs hi no r i NAGAS E

Tbyo a ki TERASHI MA

Hi de n o r i TAS AKA

Abs t r ac t

I n t e ma lc omb us t i o ne ng l ne Sa r er e qui r e df o re f fi c i e n t i z a t i o nmo r et ha nt hef o r m e rf o rt he e a r t he n vi r o nme n t a li mp r o ve me n

.Toi mpr o vet het h e r ma le f fi c i e nc ya ndc ombus t i bi l i t

,t h e g a sf lO wi nc yl i nde rofe ng l nei si n t r od uc e d. Ho we ve r ,i ti sdi f fi c ul tt os a yt oma ket hei nt e ma l c o mb us t i one ngl nehi g hl ye f fe c t i vea st hebe s twa y .Thepu

pos eo ft hi sr e s e a r c hi spa i e d a t t e n t i o nt ot her a t i oofe l e c t r i c a lr e s i s t i vi t y ofwi r eb ybod yofhe a tnu xpr o b ea nds u r f a c e t he r mo ph ys i c a lpr o pe r t y ofc o ns t i t ue n

.Thehe a tf lu xp r o be sa r ep r o d ue da ndc a r r i e dou tt h e q ua n t i t a t i vee xpe r i me n t s .Th ehe a tml Xp r o beus e df わ ra ni n t e ma lc o mbus t i one ngl nei s de t e r mi ne db yi mpr o ve me n to ft heme a s u r e me n ta c c ur a c ya ndr e l i a bi l i t y.

Ke y wo r ds :

He a tnu xpr obe , Co ns t a n tvol u mec o mbus t i o nbo mb , Qua n t i t a t i vehe a tf lu xe xpe r i me n t , Ra t i oofe l e c t r i c a lr e s i s t i vi t y, The m o ph ys i c a l p r o pe r t yofc o ns t i t ue n t

1.

内燃機関は,環境問題が深刻 になっている現在,従来に も増 して高効率化を求め られ るよ うになった｡火花点火機 関において,熱効率や燃焼性 を向上 させ るために筒内ガス 流動の積極的な導入が行われているが,筒内ガス流動を導 入す ることは,燃焼室壁面‑の伝熱現象の促進や熱損失, 燃焼室各部の熱負荷の増大など,機関全体の高効率化を図 る上で最良の方法 とは言い難い｡

本研究の 目的は,筒内燃焼における燃焼室壁面‑の熱流 束を計測す る熱流束計か ら得 られ る熱流束 に影響 を与 え

1 ) 機械システム工学科助教授

2 ) 機械システム工学専攻院生 3 ) 機械システム工学科教授

る因子 として,熱流束計表面の母材 と素線 の電気抵抗値の 割合,また熱流束計の構成材料の熱物性値に着 目し,種々 の熱流束計を製作 し,定容燃焼容器 を用い,燃焼を単純化 させた定量的な検定を行 うことにより,熱流束計の計測精 度及び信頼性 を向上 させ,内燃機関に用いる熱流束計を決 定す ることである｡

2.

2.1熱流束計構造

今年度製作 した熱流束計の構造を図 1に示す｡以下,コ ンスタンタン :

C o n

c u

F e

C h r

Al u

C o n

c o n

てu

. C h r

C h r ‑ A l u

C h r

C h r ‑ F e

点な しの構造 を

,C h r

c h r ‑ C u

熱流束計の母材 は ￠3.2mmの丸棒の両端を平行な平面 に仕上げ,長 さ 10.0mの垂直円柱 としたもので,この母 材 の片側端面 より中心軸に平行で深 さが異なる

3

,b , C

小孔 aには ￠0.65m の素線を挿入 し,母材の表面 と揃 え,厚 さ 10.0〃mの銅薄膜によって表面接点を形成 した｡

小孔 bは母材表面か らの距離が 5.0m になるように開け られ, ￠0.65m の素線先端 と底部を電気的に溶接す る｡

小孔 Cには, ￠0.65m の素線を挿入 し,前述の 2本の素 線 と対を成 している｡これ ら2組の熱電対か ら得 られる熱 起電力か ら表面接点 と内接点の温度を計測す る｡

2. 2

絶対値検定計測システム図を図 2に示す｡

絶対値検定は,定容燃焼容器に取付けた熱流束計より求 めた熱流束 (以後,壁側熱流束)を高圧インジケータか ら 取込んだ圧力 より算出される容器全体の熱流束 (以後,ガ ス側熱流束)を基準 とし,比較することで定量的に検定を 行 うものである｡

壁側熱流束は,熱流束計表面温度か ら各計測点の熱流束 が算出され,その各計測点の熱流束に代表面積を掛け合わ せ,その総和を燃焼室壁面の総面積で除 したもの とす る｡

Platedcopperfilm

0〃m thick) J適 3.2m恥 .二

SurfaceJunction 1

C

h

r m e

lr o d

.

l 】 i ^⊂⊂喜>>

i ミ ミ

§

§ i ミ 萱^ミi

i 至

t

a

〜 モ i a

ミ

H d l e:〝 a 〝.

H o l e:〝 b 〝

H o l e:〝 C 〝 i L一 一

喜

⊂>

⊂ ▼ ･ . . > ■

C

h

r

̲ m e

1

モ i

〜 モ モ 隻 i i i a ミ

〜 ら ミ

モ

〜

i i

〜 モ モ ミ i + I . 辛

汁, / ‑ i 〜 l二 l g . i l l E ,

L l E H l E d l e:

l E l I E . I f .

I F H H o o l l e! e.

C uwi r e

￠0.65m

( a )

( b)

1

ガス側熱流束は圧力 より算出され るが,予混合気燃焼中 は熱発生 と熱損失が同時に起 こっているため,正確な熱流 束を求めることができない｡しか し,燃焼終了後は既燃ガ スについての単純な熱損失のみになるので,熱力学第 1法 則 より壁面‑の熱流束を求めることができる占そのため, ガス側熱流束 ピーク値以降の減衰過程を評価する｡

実験方法は,予め予混合気生成 タンクに当量比

1

1

り充分排出 し,その後大気開放を行 う｡

以上の操作を 1サイクル として,それぞれの熱流束計に 対 して 100回の実験を行 う｡

3. 絶対値検定結果

3 . 1

絶対値検定では,圧力より算出され るガス側熱流束を基 準 とする｡

実験データの母集団が 100個以上では,平均値に発生す る差は微小であるとい う実験的な根拠 1)に基づき,各熱流 束計の実験有効データ数を 100個 とした｡

口 蓋

亡

経

: i

g

n

a

l r

Air

こ二p

propane

p 亡 . : r

stirer Manometer(Hg) 図 2 絶対値検定計測システム図

エ ンジン用熱流束計の高精度化に関する研究 (熱流束計構成材料の検討 )

2 8 1

本年度製作 した3種の熱流束計の本検定時の圧力 ･ガス 側熱流束及び昨年度の本検定における圧力 ･ガス側熱流束 を比較 した｡結果 を図

3

1 . 2 %

以上のことよ り,昨年度の

4

3

7

3 . 2

3 . 2 . 1

熱流束計の内接点の有無の影響 を調査す るため,昨年度 製作 した

C o n

C o n ‑ C u

C o n

C o n ‑ C u

3 . 2 . 2

前述 したよ うに,内接点を取除いたことによる熱流束波 形‑の影響はないことがわかったため,ここで製作 した熱 流束計は内接点を取除いた構造 を している｡

昨年度の絶対値検定において

,Fe

Fe ‑ Co n

C o n

C o n ‑ Fe

00 ′人U

0 0 0 0 ︻ N u J J h 邑 x n 屯 1 Ca H [t !

∑

n S S 9 1d

0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 Ti mea洗e rI 伊i t i onl s e c ]

3

表 1 各種材料の熱物性値

Ma t e r i a l ¶l e r ma l C O n d u c t i v i t y

h e r ma ld i 凪l S i v it y Ll W/ ( m. K) ] a 【 m 2 / S ] Co n 2 3 . 3 6 . 0 4 0

Fe 6 7 . 4 1 8 . 6 2

Ch r 1 3 . 8 3 . 7 5 7

Al u 2 9 . 4 6 . 2 8 1

1

料は同一であ り,熱流束計が単純な熱電対 と考えると,単 に母材 と素線 を入れ換 えただけであるため,このような差 が出るのは考えにくい｡そ こで,この2種類の熱流束計の 相違について検討 してみた ところ,熱流束計表面の母材 と 素線の電気抵抗値の割合が異なっていた｡そのため,今年 度は,熱流束計表面の母材 と素線の電気抵抗値の割合が壁 側熱流束波形 に影響 しているのではないか と考え,この仮 説を確認す るために

C h r

c h r ‑ Al u

c h r

C h r‑Fe

2)

表1に壁側熱流束算出に用いる熱物性値

3)

る｡

3 . 2 . 3

熱流束計の構成材料の

C h r

LAl u

Al u 一

,c h r

C h r ‑ Al u

,c h r

c h r ‑ Fe

4

C o n

LC o n

C o n ‑ F e

,Fe

F e ‑ C o n

,c o n

c o n 一 ℃u

3

5

図4より,電気抵抗値の割合が異なる種々の熱流束計 と ガス側熱流束の間には,電気抵抗値の割合が

1

5

よって,熱流束計表面の母材 と素線の電気抵抗値 の割 合は壁側熱流束に影響 していないことがわかる｡

3. 3

図

4

C h r

C h r ‑ Fe

C o n

c o n ‑ c u

昨年度の本研究において,同様の問題が発生 している｡

そこで,母材の熱物性値が近 く,素線の材料が同 じである

C o n

c o n ‑ F e

C h

c h r ‑ F e

,c o n

c o n ‑ F e

C h r

c h r ‑ F e

F e

ここで

,C o n

C o n ‑ F e

C o n

熱

,C h

c h rFe

C o n

C h r

,C o n

C o n ‑ F e

C o n

C h

C h r ‑ F e

C h r

6

,Al u

Al u ‑ C h r

C h r

c h r ‑ Al u

も,同様のことが言 える｡

よって,熱流束算出には,熱流束計の母材 と素線の電気 的極性 を見た ときの負脚側 の熱物性値 を用いるのではな く,母材 と素線の

熱

3 . 4 熟物性値について

3 . 4 . 1

電気抵抗値の割合以外 にも様々な因子を検討 したが,熱流 束に影響す る因子を見つけるには至 らなかった｡そこで,

これまでの絶対値検定実験結果 より,ガス側熱流束に最 も よい一致を示 している

C o n

c o n ‑ C u

1

[zt n J Jh

x

LI tB a

I̲ ‑‑ I ‑‑ 1､ ー ll ･‑‑‑ ‑‑1■lt

リ‑

= ‑ ‑

㌔ ‑ー

wa us i d eh e a tmI X 電気抵抗値比率

‑ ‑ C h r 母材Ch r ‑ Al u 熱流束計 ( Al u 物性) 0. 1 07 4 一･ 一Al u 母材Al u‑ Chr 熱流束計 ( Al u 物性) 0. 01 7 3

‑‑でh r 母材ch r ‑ Fe 熱流束計 ( Fe 物性) 03396

＼ 一 十He a tmⅨcak u ht e& o m p r ^e s s ^{u r e}

＼ヽ＼ ̲ ＼

､ ＼ i : ■

ゞ こ こ二 二十 1 = : l T = 1 ･ こ て 0 ′0 5 4 3 0 0 0 0 [z

き

X

tB a H

︻zuJJhM]XnTJ1VaH

0. 1 0. 2 0. 3 0 . 4 Ti mea 洗e ri g m it i onl s e c ]

図4 電気抵抗値の割合変化

(熱流束計構成材料

Al u

0 . 1

0. 2 0. 3 0. 4

Ti mea 洗e rI gl i t i onl s e c ]

5

(熱流束計構成材料

C o n

0 0. 1 0. 2 0. 3 0 . 4

Ti mea 洗e rI gl i t i onl s e c ]

エ ンジン用熱流束計の高精度化に関する研究 (熱流束計構成材料の検討)

2 8 3

し,壁側熱流束に影響す る因子を見つけることができると 考えた｡そこで,熱流束計の表面薄膜 と素線に同材料を用 い,母材に比較的近い熱物性値を有する材料を用いること で,母材の変化が壁側熱流束に与える影響及び熱流束計の 構成材料の電気的極性 について確認することにした｡製作 した熱流束計は

,C o n

C h r

C h r

C h r ‑ Cu

3. 4. 2

c h r

c h r l二 u

C o n

c o n ‑ C u

7

よって,母材の熱物性値の差が

C o n

C h r

c h r

C h r l: u

C o n

C o n ‑ C u

3 . 4. 3

ガス側熱流束の熱損失量を基準 とし

,C o n

C o n ‑ C u

,c h r

C h r ‑ C u

表より

,C o n

c o n ‑ c u

2%

, C h r

C h r ‑ Cu

2%

5

3 2 1 0 0 0 0 0

[

u JJv t M ]

n

tt Za H

0

^{1 0. 2 0. 3 0. 4}

Ti mea 洗e rl 伊i t i on[ s e c]

図

7

表 2 熱損失量

T y p e o fh e a tf lu xp r o b e Co nb o d y Ch rb o d y Co n ‑ Cu Ch r ‑ Cu

Amo u nt o f h e a tl o s s

c a lc u l a t e d &o mp r o b e 1 6 0 6J 1 48 7J

Amo u nt o fh e a tl o s s

c a l c u l a t e d f ro mp r e s s u re 1 5 6 9J 1 51 9J

しか し,この差が減衰過程において,実験による誤差な のか,熱流束計による計測誤差なのか明確になっていない が,両熱流束計 ともガス側熱流束の熱損失量に対 して

3%

以内に収まっている｡そのため,両熱流束計は非定常の入 力には十分な精度を有 していると考える｡

4. まとめ

熱流束計か ら得 られ る熱流束に影響す る因子の検討 を 行い,定量的検定を行った結果,以下の結論を得た｡

1.熱流束計表面の母材 と素線の電気抵抗値の割合に着 目 し定量的な検定を行ったが,熱流束計表面の母材 と素線 の電気抵抗値の割合が壁側熱流束に影響 していないこ

とが判明 した｡

2.C o n

C o n ‑ {u

C h r

C h r 一 ℃u

3.

謝辞

本研究を進 めるにあた り,協力 していただいた友松重 樹助手,木村正寿技官に感謝の意を示す.

参考文献

1

,p 51 ‑5 7

,2 0 0 0

P29‑33

,2 0 0 2

3)

,P 2 9 0 ‑ 2 91 ,1 9 81