二サイクル機関の掃気流について : クランク室圧
縮型掃気流の模型的実験
著者
石神 重男, 田中 義弘
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
5
ページ
9-15
別言語のタイトル
SCAVENGING FLOW OF 2-CYCLE ENGINE :
EXPERIMENTS ON SCAVEIGING FLOW OF CRANK CASE
COMPRESSION TYPE WITH MODELS
二サイクル機関の掃気流について : クランク室圧
縮型掃気流の模型的実験
著者
石神 重男, 田中 義弘
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
5
ページ
9-15
別言語のタイトル
SCAVENGING FLOW OF 2-CYCLE ENGINE :
EXPERIMENTS ON SCAVEIGING FLOW OF CRANK CASE
COMPRESSION TYPE WITH MODELS
二 サ イ ク ル 機 関 の 掃 気 流 に つ い て
（クランク室圧縮型掃気流の模型的実験）
石 神 重 男 ・ 田 中 義 弘
（受理昭和40年５月３１日） ＳＣＡＶＥＮＧＩＮＧＦＬＯＷＯＦ２−ＣＹＣＬＥＥＮＧＩＮＥ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＳＯＮＳＣＡＶＥＮＧＩＮＧＦＬＯＷＯＦＣＲＡＮＫ ＣＡＳＥＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮＴＹＰＥＷＩＴＨＭＯＤＥＬＳ Shigeo，ＩＳＨＩＧＡＭＩＹｏｓｈｉｈｉｒｏＴＡＮＡＫＡ Amodelof2-cycleengineofcrankcasecompressiontypescavengingsystemwasspecially preparedfortheauthorsstudiesonscavengingnow・Andtheconditionofscavengingfloｗｗａｓ ｅｘａｍｉｎｅｄａｓｔｏｉｔｓｆｏｒｍｏｆｎｏｗ,itsvelocity，diffusibilityandtheinHuenceofverticanybended surfacesontheflowweremadeclear‘ １ ． は し が き 二サイクル機関の掃気のさいのシリンダ内ガスの流 動様相について,古くから模型による定常流れ')2)ある いは非定常流れ3)の実験による多くの報告がなされて いる．しかるに一般に二サイクル機関の掃気圧の与え 方には独立した掃気ポンプをもち，掃気期間の掃気圧 力がほぼ一定である型と，クランク室を掃気ポンプに 使用し，掃気間の圧力が変化する型とがあるが，掃気 流れの様相に関する従来の研究はほとんど前者の型を 対象としたもので，後者に対しては研究されたものは 意外に少ない．本研究は後者のばあいの掃気流の様相 を模型化して実験的に研究した結果を報告するもの で，すなわちクランク室に相当する一定容積の容器中 のある初期圧力の空気を１回吹き出して，ある空間を 掃気するばあいの吹き出し空気の進行，拡散の姿，な らびに流れを導く壁面の存在によって，流動がいかな る影響を受けるかについて研究したものである．掃気 ガスは煙を混じた空気とし，その流れを高速度カメラ でうつして検討した． ２．実験装置および方法 装置の概要を第１図にしめす．１は二サイクル機関 のクランク室に相当する圧力容器で，内容砿は付属分 岐管路内容積部を含めて220ｃｃで,この値は現在市販 されているオートバイ用二サイクルガソリン機関の一 例にならって選んだ，２は圧力計，３は煙発生室，４， ゴー〆 第 １ 図 実 験 装 置 図 ６，８はコック，５は空気圧縮機，７は真空ポンプ,９ は掃気孔で１２×12ｍｍ，１０は０リング，１１は板弁， １２は弁駆動用ばね，１３はばね張力調整ナット，１４は 支え爪，１５は弁動レバー，１６は弁全開時期指示ラン プ，１７，１８は掃気孔の両側面に配置したガラス板，１９ はガラス板上の目盛である．第２図は実験した掃気空 間の形をしめす．ａ）は掃気孔の両側を６５ｍｍの間隔 で２枚のガラス板で仕切ってあるほかは上下方向にも 噛 気 の 直 進 方 向 に も 壁 の な い ば あ い で ， こ の と き を "Ｆ１山吹き出し'，の状態とした．ｂ）は掃気孔の下緑に 水平な壁面のあるぱあいで，“底面のあるばあい，，と一 庭 1０
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４ ． 結 果 の 検 討 ４．１．吹き出し気流の全容について 自由吹き出しのときには節５図のごとく，はじめは ある拡散角をもった放射状の根元郁分とその先のぼう すい状部からなりたっているが，吹き出しが進むにつ れて放射状部はさきに延び，そのさきは形がくずれは じめて次第に積乱雲状になり，ｘの方向のみならず， ｙ方向にも目立って拡がってゆく．つまり放射状部と 雲状部とでは拡散のしかたにいちぢるしい差がある． 底面があるぱあいには第６図のごとく，はじめは向山 β：吸気拡散角．／：放射状部到達距離Ｌ：喧気到 達距離Ｂ：峨気拡散幅〃態：ｘ方向の噴気尖端速度， "y：ｙ方向の噛気尖端速度． 板弁の開放時間は本報告中すべて１/４０秒で一定と した．この時間は実際エンジンのばあいを考えると比 較的おそい条件である． 吹き出し気流の全体の様相の数例をつぎにしめす． 第５図は自由吹き出しのとき，第６図は底面のあるば あいのとき，第７図は一直角面のばあいで距離１００ ｍｍ，第８図は一直角面のばあいで距離６５ｍｍのと き，第９図は二直角面のばあいである． 鹿 児 鳥 大 学 工 学 部 研 究 報 告 館 ５ 号 3 ． 実 験 結 果 ＝ 一 〆 一i
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ズ 戻 鋪 ３ 図 初 期 噴 射 経 過 状 態 図 点として整理した．撮影した１枚１枚の像はミニコピ ーリーダーで詳細検討した．噛川空気の形は一般に第 ４図のごとき外形をしている．よって以下の要素に蒲 目して検討した．弧
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(ｂ） (α） 第 ４ 図 噴 出 空 気 の 形 状﹄幸
、ぐべ、、、、、堅く、、、、、、、、 称する．ｃ）は底面があってさらに掃気孔前方に垂直 壁面のあるばあいで“一直角面のばあい”と称する． 掃気孔から垂直面までの距離は100ｍｍと６５ｍｍの 二つについて実験した．ｄ）はさらに上方に直角に天 井のあるばあいで“二直角面のぱあい”と称する．底 面と天井との距離は６５ｍｍとして実験した．二直角 面のばあいがほぼ直径６５ｍｍ，行程６５ｍｍのシリン ダを掃気するときの姿に相似することになる． 使用した高速度カメラは日立製作所製16ＨＢ型で， 16ｍｍフイルムを500∼1000コマ毎秒で動かし， 1000サイクルタイミングライト，弁全開時期指示ライ トとともに噴出気流を撮影した．煙は煙草の煙を使用 し，照明は１ＫＷ照明灯の光を幅８ｍｍのスリットを 通し，噴出孔中心線直上から照射した．撮影は第１図 中のガラス板１７の垂直方向の２∼３ｍの距離からお こなった． 実験のさい，まづ１１の板弁を閉ぢ，３中にじゅうぶ ん発煙しておいて，４，８のコックを開き７を伽かして １の中に煙を完全にみたす．ついで４，８を閉ぢ．６を 開いて５の圧縮機で１の中の圧力を希望の圧力に上げ る．つぎに１５のレバーを操作して掃気を開始する,掃 気に同期して高速度カメラを動かす．容器１内の初期 圧力は大気圧以上0.1ｋｇ/ｃｍ２から1.0kg/ｃｍ２まで 変化さして実験した．撮影したフイルムから第３図の ごとく初期の峨気の尖端点をむすぶIMI線を延長して吹 き出し始めの点を求め，経過時間はすべてこの点を原 ＝￨〆 一 ＝'１)
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の境付近に掃気流の折れ曲り目ができる．たとえば第
８図巾のＡ点，第９図中のＢ点のごとく，ここは流れ
の盲点となる．このことはシリンダ掃気の観点からす ると容易に掃気されない部分で，いわゆる排気核とな りやすい部分である.核点の拡がりは第１０図のごとく掃気の初期圧力が低いと大きく，圧力が高くなると小
さくなり，その巾心位置は圧力が高くなるにつれて掃気孔の出口上方に近づいてゆく．第８，９図の実験の
際，空気流出孔が上方にあるので実際のエンジンと異
なるが，これらの気流の姿から見て，掃気孔の直上付近は柵気流の到達が最後になり，掃気が不充分になり
に ．８ §６ＬＰ ‘ ヂ ２ 斗麺 ０８詮葱画一錘Ｉ 1斗 第７図一直角面のある場合（L＝100ｍｍ） の 吹 き 出 し 気 流 の 様 相 第６図底面のある場合の吹き出し気流の様相吹き出しと同じ姿であるが，吹き出しが進むにつれて
底面からの押し上げがあり，特に要状部分でｙ方向に
目立った拡散をする．一直角而，二直角而のばあいに
は，第７，８，９図のごとく放叫l状部の姿は底面のある
鼎侭︺ 』４』と，ｂＩム,４１＆Ｉｂ２ｂ２ｈ１Ｉ４２１‘ｚｂ３ｂ上3'牛兆丸め ｒ〔流〉 ロ握己p』' （i）lL2ﾖ31％:津‘￨
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『 0 』 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 節 ５ 号 ２ ４ 「 c 写 亀 ） ６ L ｆ ０ ２ ４ （ て ” “ 第８図一直角面のある場合（L＝６５ｍｍ） の 吹 き 出 し 気 流 の 様 相 吾 １２ 緊塁友電一率 ６−
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蛾』仏 苧郡3← 少捗 1 0 ‘ ｔ ｲ 沙 ） ” 釘 ０ 。 １ ０ 士 ｲ ｹ ） I D 土 砂 ） ２ ０ 第 ９ 図 二 直 角 面 の あ る 場 合 の 吹 き 出 し 気 流 の 様 相 角を求めたのが第１１図（i）である．底面があるとき にも底面を掃気孔の下縁に合わせて固定し，弁は上方 から開くようにしたため吹き出し孔の中心線の上下に ある拡散角をもって吹き出した.結果を第１１図(ii)に 一 ∼ − − − ∼ 一 一 一 一 一 第 １ １ 図 拡 散 角 と 時 間 と の 関 係 IDが初 1 ８ ０ − 一 （ i ） （ 1 i ） 第１０図核』点の拡がり状態 やすいところであることが明らかである．実際のエン ジンで考えるとループ掃気なら掃気孔直上部が掃気さ れやすいが，核が中心部に残りやすく，クロス掃気な らば掃気孔の流入角，導流翼のつけかたなどを十分注 意しないと，大きな掃気不完全部を残す結果となるで あろう． ４．２．噴気拡散角について 本実験において掃気孔の板弁の全開時間を比較的お そい1/40秒という値にしたため,弁は瞬間に開くので なく，開きながら吹き出す．自由吹き出しの際の拡散 管ｕ五 3０ 虻 一 一 ６ ５ 八 2０ ︵風ご色 ０ ゾ ｡、' Ⅱｐ」 響 一 ｒ■ ＫＩＦ 噸』 ｢n》ﾌﾛb"零F妙 o･･Ｅ･ＩコヨJF1Kq ６．．．２‘０３３ ｡−ｈ.Iｺｮﾖ踊徐 X 騨 刃 . □ﾛ’1.5ヨヨ勺 凸 ･ ･ Ｉ 里 ヨ ロ ＋‐。.pヨヨ。 巾祁]吹牙出し、．議蒲
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ｌ Ｘ ｌ 囚 ｚ ､ ０ ３ ３ 〃 石神。田巾：二サイクル機関の掃気流について ３８− 口 口 箇 Ｅ ３ ６ ‐ ロ 因 ｅ囚 ロ ｅ ３ ４ − 因 口 ｅ Ｏ ｚ 因 ３ ２ − ｐ ｅ ○ 四３ ０ − ロ ロ ｅ ○ △
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因 A ８ ３ ３ 〃２ − W ： 艦 ；
０ ， ， ， ＄ ｉ Ｉ １ ， ， ０ ２ ４ ６ ８ ／ ０ ／ ２ 〃 ／ ６ ／ ８ しめす．図より拡散角は始め時間の経過とともに戒線 的に大きくなり，のち次第にほぼ一定の角またはゆる やかな増加曲線にかわる．初期圧力の変化の影響は自由流れのときは初｣Ul圧力
が高いほど拡散角は小さくなり，ｙ方向への拡散が少
なく，直進することをしめしている．しかるに底面が
あるばあいは，曲線の配列が全く逆であって，初期圧
力が高いほど拡散角が大きくなっている．これは気流
と底面との摩擦のため流れの巾に乱れがおこり，圧力
の高いほどｙ方向の分速度が目立って増大するためで
あろう．ただし角度の絶対値は同じ時刻で比べると底
面のあるばあいの方が自由流れより小さい．これは下
方への拡散が底面で制限されるからである．
4.3．噴気到達距離自由吹き出しの到達距離と時間の測定結果を第１２
図に，これを対数グラフとしたのを第１３図にしめす．
対数でとると各初期圧力ごとに二つの折れ曲った直線
であらわれる．実線で書いたのが吹き出しの初めで，
ｔ(秒） 第１２図自由吹き出しの到達距離と時間の関係 剛コゴゴｺｷ’
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ノ 第 １ ３ 図 自 由 吹 き 出 し 到 達 距 離 と 時 刑 の 関 係峨気が放射状をなして進む状態である．破線で書いた
部分は噛気が雲状にくずれて進行する状態に相当す
る．なお，ここでは両側のガラス壁の影響も加わって いるであろう．図よりＬとｒとの関係は Ｌ＝α･ｒＫ となり，Ｋの値は実線部で0.727,点線部で0.577,α の値は初期圧力の関数で第１４図の値であって 己 Xﾉ’ 1３ 印 悩一 ' ０ ○二二 塗E二 ５４３ で ︵蔦己剖1.2ノ.４１．６１．８}％E２０
第 １ ４ 図 初 期 圧 力 と α と の 関 係 α＝Ｃ､10K'･力 K7,Ｃの値はそれぞれ実線部で0.222,2.77．点線部で 0.203,3.80である． よって実線部で Ｌ＝2.77.100222．力.ro,727 点線部で Ｌ＝3.80.100.203.力.ro､577 ただしＬ：ｃｍ,ｐ：ｋg/ｃｍ２ａｂｓ.,ｒ：秒である． 放射状部の到達距離は明確にはかりにくいが，測定結果の一部を第１s図にしめした,尖端到達のIill線と相
似た傾向である， 月＝ﾉI/331？/fポ ノ.２３３〃 ／､３３３〃 /(４３３〃 ／,５３３〃 ／〔６３３〃 ／､７３ｓ′ン Ａ８３３〃 ノ.９３３'’ Ｚ､０３３〃 Ｏ△Ｘ□△ＯＳ因口回1４ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ５ 号 ！ 6０
“・“・“・“・伽・釦・“｜必・型−０
︵ＥＫ︶奪筆箕．４１１１ ？更︶管揺揺４１１１ 凸 △／旭︵農己５
２ ４ 内 ３ Ｕ Ｕ Ｚ ４ ６ ど ﾉ 0 ノ ２ ノ ９ ノ ６ ﾉ Ｂ ２ ０ ２ ２ Ｘ ﾉ ｸ ﾞ ’ 一 と 〔 牙 プ リ 第１７図底面設置ｙ方向への噴気拡散巾扇 （最大値） 向山流出の幅の半分よりは大きい． 4.5．噴出先端の速度 自由吹き出し，底面のあるばあい，一直角面のばあ いのときの死方向尖端速度を第１８，１９，２０図にしめ した．速度は吹き出しはじめに非常に早く，以後急激 に減少し，双曲線状に時間軸に漸近する．初期の速度 はいづれも大差ないが，底面があると時間経過とともにＨ由吹き出し流れより速度がおそくなる.第20図中
にはｙ方向に折れIlI1って後の尖端速度（上昇速度）も ロSxlO-うｔゆ
、 第 １ ５ 図 放 射 状 部 お よ び 尖 端 到 達 距 離 と 時 間 と の 関 係 ４．４．噴流中心線に直角方向の拡散 噴出気流のｙ方向拡散のていどを見るため，ｙ方向 の最大幅を経過時間に対してとったのが自由流出のば あい第１６図，底面のあるばあい第１７図である． 拡散幅は噛出が進行するにつれ，また初期圧力が高 いほど増大する．底面のあるばあいは面との摩擦で乱 流をおこし，ｙ方向の分速度が増し，放射状角は増大 するにかかわらず，拡散幅は自由流出より小さい．こ れは一方が底面で制限されているためである．ただし００４２
︵勘樟４１Ⅳ︲ W卯 ﾉ釦 ’0０ ８ ０ ６ ０ ＳｘｌＯ ａｔ(秒ウ 4０ ４ ［ グザ○ 胸や．由今時●吟も町貼● 、 コ ュ ゴ ヨ ゴ コ ︾ ゴ コ ﹀ 、 ． 、 。 。 ︾ 、 。 ３Ｊ、１３﹃。３３、コョヨ ーＪ２３４Ｓ６７８９０ ，い２Ｊい︲小ｊトリ鼻ｆ八八ユ ︹］砂 -』 ０ ２ ４ ６ ８ ノ ０ ノ ２ ノ ４ ノ ６ / ８ ２ ０ 虫 ｘ / 〃 Ｌｆ抄フ 第１８図尖端移動速度とH寺間との関係 （自由流れ） ０ へ捜ｓ︶ １ 茨 ＝ ヨ 聖 = ＝ 2０ ０ 。．。メロ③昌圃ｅ①閣 ノ ０ ２ Ｊ 》 ６ ８ ノ Ｄ ｊ ２ ノ ４ ノ ６ ノ Ｂ ２ ０ ２ Ｚ ｘ ﾉ ｡ ＝ 垂 毎 尖 ） 第 １ ６ 図 自 由 流 れ y 方 向 へ の 噴 気 拡 散 幅 （最大値）○八︼ＸＯ︲凸 1５ 獣︶も４
