圧電素子を用いた円筒管燃焼模型における仕事量の測定
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(2) . 北海道教育大学紀要 （第２部Ａ） 第４ ２巻 第２号 ｉ ｉ Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｈｏｋｋａｉｄｏ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｔｙｏｆＥｄｕｃａｔ Ｓｅｃ ｉｏｎ２ Ａ） Ｖｏ ｌ ｔ ｏｎ（ ‐４２ ．２ ， Ｎｏ. 平成４年２月 Ｆｅｂｍａｒｙ ，１９９２. 圧電素子を用いた円筒管燃焼模型 における仕事量の測定. 三 長. 谷 淫. 略. 之 ・片. 岡. 徹＊・ 相. 馬. 純. 一 諭＊＊. 北海道教育大学札幌分校機械工学研究室 ＊北海道教育大学釧路分校機械工学研究室 ＊ ＊北海道大学工学部機械材料学研究室. Ｎ【ｅａｓｕｒｅ］ｎｅｎｔｓ ｏｆ「Ｗｏｒｋｉｎ Ｃｙｌ ｉｎｄｒｉｃａＩＣｏｍｂｕｓｔ ｉｏｎ Ｃｈａｍｂｅｒ二Ｍｏｄｅｌ ｓ. ｖｖ ｉ ｔｈ ａ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅ１ｅ］１ｌｅｎｔ Ｍ ａｓａｙｕｋｉ ＭＩＴＡＮ１ Ｊｕｎ ｉ ｃｈｉ ＫＡＴＡＯＫＡ ，. Ｔｏｈｒｕ ＮＡＧＡＳＡＷ÷Ａ＊ ａｎｄ Ｍ【ａｋｏｔｏ ｓＯＨ ＭＡ＊＊. Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ Ｍ ［ ｉ １Ｅｎｇ ｉｎｅｅｒ ｉ ｌ １ ｅｃｈａｎ ｃａ ｎｇ ｅｇｅ ，Ｓａｐｐｏｒｏ Ｃｏ ， Ｈｏｋｋａ ｉｄｏ Ｕｎｉ ｉ ｉｏｎ ｔｙｏｆＥｄｕｃａｔ ｖｅｒ ｓ ，Ｓａｐｐｏｒｏｏ０２ ＊Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎ ｉ ＩＥ ｉ ｉ ｉ ｌ ｌ ｃａ ｎｇｎｅｅｒ ｎｇ ｒｏ Ｃｏ ｅｇｅ ，Ｋｕｓｈ ， Ｈｏｋｋａｉｄｏ Ｕｎ ｉｖｅｒ ｉ ｉ ｉ ｔｙ ｏｆＥｄｕｃａｔ ｓ ｏｎ ｒｏ０８５ ，Ｋｕｓｈ ＊＊Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＥｎ ｉｎｅｅｒ ｉ ｉｎａｒｙ Ｍａｔ ｉａ ｌ ｉｎｅｅｒ ｉｎｇ ｔｙ ｏｆＥｎｇ ｎｇ Ｍａｃｈ ｅｒ ｓ ｇ ，Ｆａｃｕｌ ， Ｈｏｋｋａ ｉｄｏ Ｕｎ ｉｖｅｒ ｉ ｔｙ ｓ ，Ｓａｐｐｏｒｏ０６０. Ａｂｓｔｒａｃｔ. Ｃｙｌ ｉ ｉ ｎｄｒ ｃａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｉｐｅｓ ａｎｄ ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌ ｉ ｅ ｅｍｅｎｔ ｓ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎ ‐ Ｔｈ ｊｅｃｔｅｄ ｉｎｅ ｖｏｌｕｍｅｓ ａｎｄ ａｌ ｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆｔｈｅ ｃｙｌ ｉｎｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔ ｓｏ ｔ ｇａｓｏｌ ｌ ａｉｎｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｉｒｆｕｅ ， ｉｏ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔｒａｔ ｉｏｆ ｒａｔ ｏｒｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｕｅｓ‐. Ｔｈｅｒｅｌａｔ ｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｉｒｆｕｅｌｒａｔ ｉｏｏｆ. ｉｏ ｏ ｆｔｈｅ ｃｙ ｌ ｉｎｄｒ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒｒａｔ ｉ ｌ ｃａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ｍｏｄｅ ｓ ｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｖａｌｕｅｓ ｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅｓ ａｎｄ ｄ ｆｏｒ ｇａｓｏｌ ｉ ｓｃｕｓｓｅｄ ， ‐. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｍａｙ ｂｅｓｕｍｌｎａｒｉｚｅｄ ａｓｆｏｌ ｌｏｗｓ： ｉｏｏｆｗｏｒｋｔｏ ｍａｘｉｍｕｍ ｗｏｒｋｒｅａｃｈｅｄａ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａ１ｕｅａｔａｓｐｅｃ （ ） Ｔｈｅｒａｔ １ ｉ ｆ ｉ ｉ １ｒａｔｉｏ‐ ｒｆｕｅ ｃａ Ｔｈｅｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｑｕａｌ ｉ ｉｖｅ ｌ ｔａｔ ｉ ｌｒａｔｉｏ ａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏ ｏｆ ｒｆｕｅ ｙ ｅｑｕａｌｔｏ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ ｉｍｍｍ ｗｏｒｋ ｏｆｔｈｅ ｇａｓｏｌｉｎｅ ｅｎｇＩｎｅ‐ ｏｕｔｐｕｔｔｏ ｍａｘ. （３３）.
(3) . １０６. 三谷蒋之・片岡純一・長淫 徹・相馬. 諭. ｔｅｒｍｉｎｅｄｆｏｒｔｈｅｃｏｍｂｕｓ‐ ｉａｍｅｔｅｒｏｆａ ｐｉｐｅａｎｄｉ ｔ ｉｄｅｄ ｌｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｗｅ ｒｅｄｅ （ ２ ｓｉｎｌ ） Ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｓ ｆ ｉ ｉｊｅｃｔｅｄ ｖｏｌｗｍｅ ｏｆ ｆ ｄ ｉ ｌ ｉｏｎ ｃｈａｍｂｅ ｔ ｒ ｍｏｄｅ ｓ ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｐｅｒ ｏｒｍｅ ａｔ ａ ｓｐｅｃ ｃ ｎ ｉ ｉａｍｅ ｉ ｆ ｆ ｉｄｅｄ ｔｅｒｏｆｔｈｅｃ ｉｎｅ ｒｃｕｌａｒｐｉｐｅｓｔｈｅＷｏｒｋ ｔｈｔｈｅｓａｍｅｖｏｌ ｒｅｎｔｉｎｓ ｕｍｅａｎｄａｔｄ ｇａｓｏｌ ．ＶＶｉ ｌ ｉｎｅ ｌａｒ ｖｏ ｕ１ｎｅ ｏｆｉｎ ｉｍｉ ｆ ｆｅｒｅｎｔｆｏｒ ａ ｓ ｉ ｊｅｃｔｅｄ ｇａｓｏｌ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗａｓｄ ，. ） Ｗｈｅｎ ａ （ ３. ｉ ｉｏｎ ｃｈａｍｂｅ ｉ ｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｄｒ ｃａｌ ｐｉ ｃｏｍｂｕｓｔ ｒ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｆ ｃｙｌ ｐｅ ， ｔｈｅ ｉｍｌ. ｌａｒ ｉ ｉｄｅ ｄ ｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｃ ｉｏｎ ｃｈａｍｂｅ ｒｃｕ ｔｅｄ ｗａｓ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｂｙｔｈｅｉｎｓ ｒｔｈａｔ ｗａｓｉ ｃｏｍｂｕｓｔ ｇｎｉ ｉｎｅ ｖｏｌｕｒｎｅｓ ａｎｄ ｉｎｅｄ ｏｖｅｒ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆｉｎ ｆ ｆ ｉ ｉ ｊｅｃｔｅｄ ｇａｓｏｌ ｃ ｅｎｃｙ ｗａｓ ｏｂｔａ ｐｉｐｅ ． Ｇｏｏｄ ｅ ｉｄｅ ｄ ｉａｍｅｔｅｒ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｉｐｅ ｏｆｔｈｅ ６５．ｏｍｍ ｔｏ ｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ｖｏｌｕｍｅｓ ｗｉ ｔｈ ２８．ｏｍｍｉ ｎｓ ｃｏｍｂｕｓｔ ｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｅｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ‐ １３００ ｍｍｌ ｅｎｇｔｈｉｎｖｅｓｔ. １． 緒. 言. １一 の領域では内燃機関が取り扱われ， 導入の際に動力を得る仕組を燃焼模型 中学校技術 「機械１ を用いて説明している． 内燃機関は中学生に非常に興味ある分野であり， こうした実験教具を用い て説明することは， 中学生の興味・関心 を一層引き立てる有効な教授方法であると言える． 現在， 実際の授業では， 内燃機関での動力を得る仕組は円筒形の容器に燃料を吹き込み， 圧電素 子で点火させて燃焼 （爆発） させると言った観察程度のエネルギー発生についての説明に終わっ て おり， 実機に促した正確な理解を得るには至っ て不十分であると考えられる． そこで， 内燃機関の 基本的概念である機関本体内で燃料を制御しながら空気と混合して， 点火し燃焼させ， その時に発 生する熱エネルギーを制御し， そのエネルギーが仕事に変換するといっ たエネルギー変換の概念を もっ と正確に理解させることが必要 になっ てくる． 本研究は主に燃焼とそのエネルギー変換の仕組が理解でき， 安全性に優れ， 製作費用が安く， 簡 単に製作ができ， その使用方法 が簡単な燃焼模型をめざし， 燃焼室の異なる模型に対して燃料とそ の空気容積との変化に対する仕事量の測定を行い， 中学校技術での最適な燃焼模型製作のための資 料を得ようとするものである．. ２． 実験装置 実験装置はａ）点火部，ｂ）燃焼部およびｃ）仕事 量測定部の３部からなっ ており， 図１にその概略. 内燃機関の内， ガソリン機関で使用されている 点火装置は火花点火式であるが， 本研究の場合，. ． 二 ；三雲. を示す． ａ） 点火部. １ ‐圧電素子 ２ ‐圧電 プラス端子 ３ ‐圧電マイナス端子 ４ ‐円筒管 ５‐重り（フタ） ６ ‐測定用円筒管. 火花点火の方法として， ガスコンロに使用されて いる圧電式点火装置を用いた． この装置での点火 は自動車に用いられている火花点火方法の高電圧 による発生方法とは幾分異なる が， ２極間に瞬間 的に高電圧をかけて放電させ， その放電の火花に よって点火するという方法で， 点火の基本原理は 同じである． このため実際の機関の点火方法の説 （３４）. 図１ 実験装置の概略図.
(4) . １０７. 圧電素子を用いた円筒管燃焼模型における仕事量の測定. 明には十分満足の行くものであると考えられる． 放電端子間の距離は火花を十分に発生させ， かつ混合気と接する面積を大きく取ることが燃焼と 大いに関係があると考え， あらかじめガスコンロ用 の圧電素子を用いて放電実験を行っ た． その結 果を図２に示す． なおこの図で放電率と言うの は圧電回数に対する放電回数の割合を示したもので ある． この結果から確実に点火が起きる放電端子間の最大距離を４ｍｍと定め， 点火部に使用 した ‐ ｂ） 燃焼部 燃焼部は底面が厚さ４ｍｍの鉄板で， その上に. 鋼管で作った円筒管を固定し， この円筒管の上 に重りを載せて密閉した容器内を燃焼室とした． この燃焼室の容積は， 円筒管の直径と高さによ っ て変化させ， これを実験における空気量とし. ０ ０ （１. 『. き 冊. ８ ０. . 裏. た． 円筒管は内径２１０ｍｍで外径 ２７‐ｏｍｍ， 内 径 ２８０ｍｍで 外 径 ３４０ ｍｍお よ び 内 径 ３６．ｏｍｍで 外 径４３０ｍｍの ３ 種 類 と し た． こ れ ら を そ れ ぞ れ １０ｃｃか ら ９ ｏｃｃまでの範囲で５ｃｃ間隔で実験で ５ｃｃに な る 長 さ に 切 り 出 し た‐ こ れ ら の 円 筒 管. ＼. ６ ｏ ４０ ２０. ０. １．０ ２．０ ３．ｏ ４ ．ｏ ５．ｏ ６．ｏ 端子間距離 （圃）. の 両 端 面 は旋 盤 で 加 工 し， 上 部 は 平 ら な 重 り 用 の フ タ を載 せ る の に 密 着 性 を 十 分 良 く す る よ う. 図２ 圧電素子の端子間距離と放電率. に， また下部は底面の鉄板に十分密着するよう に仕上 げた． なお， 円筒管と鉄板はゴーキングパテで密着固定 した． ｃ） 仕事量測定部 仕事量測定部は燃焼部に燃料を供給するのを容易にするため． 常に取り外しが簡単で， 燃焼部の 上に載せる重りの飛 び上がり高さを正確に読み取れることが必要である． このため円筒管の下部は 平らに仕上 げ， 円筒管の目盛りが台および燃焼部の重 りと垂直になるようにした． また， 強い燃焼 （爆発） が起きても重りとその風圧で円筒管が破損しないよう に， 幾分大きな円筒管を用い， その 上部も開放し， 安全を確保することにした． 実験に用 いた仕事量測定部は透明なプラスチックの円 筒管（ １． ５ぞの清料飲料水空容器の上部と下部を切 り取っ た物）に高さの目盛りを５ｍｍ間隔で付けた 物である． そしてこの透明な円筒管の高さは燃焼 部円筒管の高さの変化に対応させるため， 透明円 筒管の下半分を２重構造にし， これを伸縮させることによっ て調節し， 円筒管の上端部である０点 に合わせるようにした． 重りは仕事量 の変化が顕著に表われるよう に軽量であり， それ自体が燃焼による風圧を直接吸収 しない， また 目印等の付け易い素材のアクリル円板とした． 重さを決定するに当っては予備実験を 行い， 重 りの重さと飛び上がり高さとの関係を求めて， 重りと飛び上がり 高さの測定し易い範囲か ら次に示すアクリル円板を製作した． アクリル円板は厚みが３．ｏｍｍで各円筒管の外径に合わせて ３ 種 類 と した． こ れ ら の 重 量 は， そ れ ぞ れ 内 径 ２１ｍｍ管 用 が ２ １７ｇ ２８ｍｍ管 用 が ３ ３５ｇ そ し て ３６ｍｍ管 ‐ ， ．. 用が５‐ ４３ｇ である． 重りの外周には飛んだ位置を分かり易くするため赤色 を塗っ た また， 外周の ． 一点に黒色をしるし測定する部分とした ．. （３５）.
(5) . １０８. 三谷略之・片岡純一・長揮 徹・相馬 諭. ３． 実験方法 ３． １・ 燃 料 の 供 給 方 法. ６. 中学校技術における種々の燃焼模型実験装置では燃料に都市ガス， アルコールなどを用いたりしているが， ガソリ ン機関の仕組をより. ３ ０ ‐. 実際の原理に結びつけることを考え， 本研究ではガソリンを燃料と して実験を試みることにした． 本実験で使用 した燃料は， 一般 にガ ソ リ ンス タ ン ドで 市 販 さ れ て い る レ ギ ュ ラ ー ガ ソ リ ン （オ ク タ ン 価. ，. ８６～８ ８ ） とした． ガソリンの理論空燃比 （理論混合比） は約１ ５である が， ガソリ ン. . コ. 機関での空燃比 （混合比） は供給空気量に対する燃料重量の割合で 表示されるものでその値が８～２２くらいの範囲で燃焼が行われる． これらの値は燃料と空気の接触する部分を多くし， 燃料を気化また は霧化した時で， 燃料と空気とを混合させる装置の気化器が必要と. －. なっ てくる． しかし， この実験装置に気化器を使用することは難 し 図３. 小型 噴 霧 器 の概 略図. こで燃料を霧化して空気と混合させる装置として， 図 ３に示すような噴霧 （霧吹） 器を使用した．. こ淑畜で付眉した 務器で燃料 誓 瀞 髪 ＝ 華 む ー 丸 口 〆 ， デ 、 、 ＊ すれ ‐ －. － 」 ． 」 ｒ 〒 ノご ふ ‐ ； 膳繋冊 ． 飾 竺竺』療 畳 １～３，１ま でに ににおける ガソ リ ンの量 は宛 燃ヒ. 澗 「 、 ＼ ７ ・ １ ノ 、. ／／いき ２ 、. １ ‐星 舘. ：噴霧器 ３. 換算すると０． ００２ｇ から０‐ ００６ｇ となり， この範囲内 になるように燃料供給を設定した． この噴霧器での１. 図４ 噴霧方法 回の噴霧量が必要とする量より多いので， 直径 ５‐５ｍｍ および ８．ｏｍ ｍの穴を底にあげた２種類の筒を用い， 図４に示すよう に， この筒に噴霧器 をあてて， ス トロ ー ク ９ｍｍを 約 ０ ５秒で押して噴射した． ‐ １ 回の 噴 射 で 出 る 噴 霧 量 は， ０．ｌｍｇま で 計 れ る 上 皿 天 秤 （ ｉ ４０３ ）を用いて， 水道水で測 ｓａｒｔｏｒ ｏｕｓ２. 定した． 水の密度は １ｇ／ｃｃでガソリンの密度が約０‐７５ｇ／ｃｃであるので， ０．７５ｇ／ｃｃと仮定し， ガソ リ ンを用いて直径 ５． ５ｍｍの穴から噴霧した際の重量に換算した図が図５ （ａ） で， 直径 ８．ｏｍｍの 穴 からのものが図５（ｂ）である． この図から１回の噴霧量は点火範囲内０‐００２ｇ から ０‐０１０ｇ に あ る ことが分かり， 筒の底穴が ５．５ｍｍの場合に は１回のガソリ ン噴霧量の平均値を０．００ ２２５ｇ と し， ８０ ｍｍの 場 合 に は０‐００３３５ｇ と定めた． 従っ て筒の底穴が ５．５ｍｍの 場 合 に は １ 回 噴 射 で ２‐２５ｍｇ ，２ と 回 で ４．５０ｍｇ 回 で ７ し 穴 ３ ６ ５ ８ ｏ の 場 合 に は 回 で３ 回 し １ ， ‐ ｍｇ ， ． ｍｍ ．３５ｍｇ ， ３ で １０．０５ｍｇと ， 合 わ. せて５種類の燃料設定をして実験を行った．. （３６）.
(6) . １０９. 圧電素子を用いた円筒管燃焼模型における仕事量の測定. ｂ ｏ. ３ ｘ，６ ６ Ｏ －. ３ ，６ ｘ Ｏ ３ ． ′ 、 ６ ｂ ｏ ー ５ Ｏ ．. 画 ５Ｄ‐. 画 搬 ４０－. …. 鞭. ４０‐. 聾. ３ ｏ－ ．. 。 。。 。 。 。 ふ も。 謝 － ー ▼ ｙ ） ｏヂ ） ） ｏ Ｕ ー ２ ０′。 ｏ ｏ ｏ ｏ ． ｏ 。 。 。 ｒ 。。. 。. 。. 。. 。. ：. ０‐ ｉ ． ０ ０. 懲 ３ｏ ． ２ Ｏ ．. 三. １. ｗ ｎ ）. ．. ‘. （. ．. １. １. １. １. １. ＾ ｎ ｙ＾ ｎ） ＾ 〇 ｏ ＾. ｏ ｏｏ ｏ ｏｏ ｏ ｏ′ ｏｏ ｏ ｏ モ キ. ギ. ０ １ ・ ，ｏ. ２０. ３０. ４０. ５０. ｏ ｏ. １０. ２０. ３０. ム０. 実験番号 （ ）筒穴直径 ５ ａ ．５ｍｍの場合 図５. ５０. 実験番号 一回噴射の噴霧量. （ ｂ ）筒穴直径 ８ ‐０皿の場合. ３． ２ 仕事量の測定方法 仕事量は円筒管に重り （フタ） を載せて， その重りが燃焼ガスの膨張力によって飛んだ高さを測 定して求めた． 測定方法としては， 円筒管の外側に目盛りを表示した透明な円筒 （測定管） を置き， 重りが飛ん だ高さの位置を外側の目盛りから読み取り， この重りの移動した距離を測定値とした． 燃焼模型は内容積を内径２１ｍｍの円筒管については１ｏｃｃから始めて５ｃｃあるい は ２‐５ｃｃず つ 大 き く して ４０ｃｃま で の １０ 種 類， 内 径 ２８ｍｍに つ い て は １５ｃｃか ら ５ｃｃず つ 大 き く し て ８５ｃｃま で の １４ 種 類， 内 径 ３６ｍｍに つ い て は ２０ｃｃか ら ５ｃｃず つ 大 き く して ９５ｃｃま で の １５ 種 類 と した ．. 実験 はそ. れぞれの円筒管とも内容積の小さい方から始め， ５種類の燃料について燃料供給量の違いによる燃 焼 （爆発） の変化を測定した。 燃焼が途中で起らなくなっ た場合は中止し， 次に大きい円筒管の内 容積 へと進んだ． 次に仕事量測定実験の手順を示す．. ① 準備 ・. 装置各部の準備と点検を行う．. ｏ. 噴 霧 器 に ガ ソ リ ン を 入 れ る．. ｏ. 点火装置で火花の出ることを確認する．. ・ ② ③. 円筒管を台に固定し， 測定管の０点を円筒管の上 端に合うよう調整する． 円筒管に穴を開けた管をあてながら円筒管の中に必要な量のガソリンを噴霧する． 噴霧が穴. の中心から外れた場合にはやり直す． すばやく重りを載せ， 黒点の部分が正 面から見て， 中心に来るよう に設定する． この後すぐ に目盛りを付けた透明な測定管をかぶせる．. ④. 点火スイ ッチを押し， 重りの飛び上がった位置を読み取り， 重りの移動した距離を測定する．. ⑤. 測定管を取り外し， ヘアドライヤで１ ０秒間送風して円筒管内の燃焼ガスを排除する． ４． 実験結果とその考察. 図６は円筒管内径２ ８ｍ ｍの場合について円筒管の各内容積におけるガソリ ンの噴霧量と重りの飛 び上がり高さの関係を示したものである． 一定の円筒管の内容積に対して重りの飛び上がり高さの 最大を示すガソリ ン噴霧量が存在する． （３７）.
(7) . １１０. 三谷府之・片岡純一・長淫 徹・相馬 諭. 円筒管 円筒管 フタの重さ 内容横 内 径 （ｇ） （ ） （皿） Ｃ Ｇ. ０ ，０ ２０ ３０ ４ｏ ５ｏ ６０ ７０ ８０ ９０. ６ ｏ ａ ｏ ｘ ０ １０ ． ． ．. ガソリン噴霧量（ｇ）. ） 円筒管内容積（ ｃｃ. 図６ ガソリン噴霧量と重りの飛び上がり高さ. がり高さ 図７ 円筒管の内容機と重りの飛び上がり高. 図７は円筒管内径２８ｍｍの場合についてガソリ ンの各噴霧量における円筒管の内容積と重りの飛 び上がり高さとの関係を示したものである． 重りの飛び上がる高さは円筒管の内容積の増加と共に 増加するが， 一定の噴霧量では重りの飛び上がり高さの最大を示す円筒管内容積が存在する． 図８は各円筒管内径とガソリン噴霧量について， 円筒管の内容積による仕事量の 変化を表したも のである． 噴霧量を多くしながら， 円筒管の内容積を大きくすると， 仕事量も大きくなっ ていくが， 噴霧量を一定とすると， 仕事量が最大となる所 が存在する． しかし同じ内容積でも底面積 と高さの 割合が変わると仕事量も変化している． これは同じ内容積でも噴霧状 態が一様にならないためと点 火装置が円筒管の底部にあるためと考えられる． 図９は各円筒管内径についてガソリ ン噴霧量に対する最大仕事量を示したものである． ガソリン 噴霧量が少ない場合には円筒管内径の 小さい方が最大仕事量は大きく， 噴霧量が増すに従っ て円筒 管内径の大きい方が最大仕事量も大きくなる． 円筒管内径２１ｍｍの場合， ガソリ ン噴霧量が増すに従 っ て最大仕事量も増加し， 噴霧量が６．７５ｍｇの時に最大値 を示し， やがて減少している． 他の円筒管 の場合も同じような傾向を有するものと考えられる． ８ ・悶） （ 幽静種Ｋ暇. Ｑ ８０ ａ ７０. 円筒管 ガソリン 内 径 噴霧量 ３ － ｏ （ ） （Ｘ１ ｍ ｍ ） ｏ ｇ 岡 崎 ６０ ２１２８３６ ◆ ◇◇ ２ ２ ５ ． 瀞 ５０ ▲ △ ☆ ３ ３ ５ ． ■□ロ ４ ５ ０ ． ね ム。 ● ○ 〇 ６ ７ ０ ． ▼ ▽｛メ１ ０ ０ ５ ‐ ３０. ７０. ６０ ５０. 円筒管 内 径 １ Ｏ △２ ． ０２ ８ ０ ． □３ ６ ｏ ．. ４０ ３０. ２０. ２０. １０. ｌｏ ０ が ｏ ５ ｏ ８ ０ ９ ０ ２ ０ ３ ０ ４ ｏ ６ ｏ ７ ０ １０ Ｏ Ｘ， ． ． ． ． ． ． ． ． ．. １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００. ） 円筒管内容積（ ｃｃ. ガソリン噴霧量（ｇ） 図９ ガソリン噴霧量と最大仕事量. 図８ 円筒管の内容積と仕事量. （３８）.
(8) . １１１. 圧電素子を用いた円筒管燃焼模型における仕事量の測定. 図１ ０は各円筒管内径について円筒管内容積 と. 最大仕事量との関係を示したものである． 同じ円 筒管内容積すなわち同じ燃焼室容積であるなら円 筒管内径が小さい方が最大仕事量は大きく， 円筒 管内容積が大きくなるに従っ て円筒管内径の大き い方が最大仕事量が大きくなっ て行く． いずれの 円筒管内径の場合にも燃焼室容積が増加するに従 って最大仕事量は大きくなり最大値を示して減少 する傾向を有している． 従っ て円筒管で燃焼室を 作 る 場 合， そ の 室 の 容 積 は 円 筒 管 内 径 に よ っ て 燃. ｅ８０. 姦懲毎 。 茅撞 墓７ ３） － ０ （ ） （Ｘ１ 血. ｇ. １２８３６ 嗣６０ ２ 今◇◇ ２ ２ ５ － 戦 恥 ▲△★ ３ ３ ５ ‐ ← 園 □｛｝ ４ ５ ０ ．. 卦 ０ ◎ｏｏ‐５ －％ ｏ ０ ▽ ▽ ▽ｌ ５ ‐ ３０. ２。 ，ｏ 。. ０ １０ ２ ０ ３０ ム０ ５０ ６ ０ ７０ ８０ ９０ １００ 円筒管内容積（に）. 焼 に 限 界 を 生 じる こ と が 分 か る． す な わ ち， 本 実. ０ 円筒管の内容積と最大仕事量 図１. 験範囲で供給されるガソリンの量に対して良い最. 大仕事量を出せる内容積は円筒管内容積が１５ｃｃから ３５ｃｃの 場 合 に は 内 径 ２１‐ｏｍｍで 高 さ が ２９‐ｏｍｍ か ら １０１ｏ ｍｍま で の 円 筒 管，３５ｃｃか ら ８０ｃｃの 場 合 に は，２８．ｏｍｍで ６５‐ｏｍｍか ら １３００ ｍｍま で の 円 筒 管 そ して ８０ｃｃ以 上 の 場 合 に は ３６‐ｏｍｍで ８４０ ｍｍか ら ８ ９０ｍｍまでの円筒管を使用した容積というこ. とになり，特に内径２８．ｏｍｍの円筒管については燃焼室容積およびガソリン噴霧量の広い範囲にわた って他の２つの円筒管より最大仕事量が大きく， 噴霧器の容量， 燃焼状態および重りの飛び上がり 高さな どを考慮すると， 本実験の範囲では内径２８０ｍｍで 高 さ が ２９．ｏｍｍか ら １０１．ｏｍｍま で の 円 筒 管 が燃焼模型用 の円筒管として最適と考えられる． 図１ １はガソリ ン機関の出力と最高出力との割合に対する空燃比の関係を文献５）から転記した図 であり， 一般 にガソリン機関は図に示すような性能を有している． そこで本研究の場合にはこの性 能との比較のために仕事量と最大仕事量の割合に対する空燃比の関係を各円筒管内径について図 ｂ １ ２（ ） （ ） （ ）に示した． 図１ ２からは空燃比を増 して行くと仕事量と最大仕事量の比は段々 と増加 ａ ｃ ， ， し， 最大を示しやがて減少していく， すなわち仕事量と最大仕事量の比を最大にする空燃比が存在 することが分かる． 図１ ２と図１１とを比較してみると， 最大を示す空燃比の値は異なるが， 定性的 には同じ傾向を示している． 本実験の範囲のガソリ ン噴霧量に対しては空燃比が幾分小さい値で仕 事量と最大仕事量の比が最大を示すが， 円筒管内径２８‐ｏｍ ｍの管で作られた燃焼室の場合に図１１と 一番類似の傾向を示すことが分かる． すなわち， このような簡単な燃焼模型による実験でもガソリ ン機関の性能を定性的には説明できることが分かる． １ＯＯ ′ ／ ′／／ き 。 ／. . 墨. ８５. ′、ｌｏｏ. 沢 ９ｏ. く ア ◇ ＼ｔ＼、 ノ － ノミ 参・ ． ＊ ，. Ｈ. . ÷ ６ｏ Ｋ ｓｏ. . ｏ 室８. ＼ ４０ 静 ２ｏ ← ｌｏ. ガソリン 噴器量 ３ ‐ （ＸＩ ０ ） ｇ ◇２ ２ ５ ． △３ ３ ５ ‐ 口４ ５ ０ ． ０６ ７ ５ ． ▽１ ０ ０ ５ ‐. ｏ ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ｌｏｌｌ１２１３１４１５. ｉｉ １２ １３ １４ １５ １６ １フ １８ １９. 空 燃 比. 空燃比. （ ）円筒管内径２１．ｏｍ ａ ｍの場合. 図１１ ガソリン機関の性能に対する空燃比の影響. （３９）.
(9) . １１２. 三谷府之・片岡純一・長瀞 徹・相馬 諭. （ １ｏｏ ミ ９０ ｏ. 咽 ８０ 静 ７０ 蓋 ６０ Ｋ ５ｏ. 湖 畔 ３０. 壁. ガソリン 噴器量 ３ ‐ ） ○ （１ ０ ｇ ◇２ ２ ５ ． △３ ３ ５ ‐ □ ５ ０ ０６ ７ ５ ． ▽１ ０ ０ ５ ．. ２ｏ ０ ０ ， ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９，０， ，，２，３ＴＡ，５. ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９Ｉｏ，，，２，３，４，５. 空 燃 比. 空 燃 比 （ ｂ ）円筒管内径２８０ｍｍの場合. （Ｃ）円筒管内径３６ ｍの場合 ．ｏｍ. ２ 燃焼模型の仕事量に対する空燃比の影響 図１. ５． 結 圧電素子を用いた簡単な燃焼模型を製作し， この装置による仕事量の測定を行い， ガソリ ンの噴 霧量および円筒管の内容積 （燃焼室容積） の違いによる仕事量の変化， 空燃比と出力割合について ガソリン機関との比較検討を行った． その結果得られた結果を要約すると次のようになる． ） 仕事量と最大仕事量の比は空燃比の影響を受け， ある空燃比で最大値を示し， ガソリン機関の （ １ 出力と最高出力との比と空燃比との関係と定性的に同じであることが確かめられた． （ ２ ） 燃焼模型で円筒管の内径とその内容積を定めると， 一定 のガソリ ン噴霧量で最大仕事量が得ら れた． また同一容積でも内径が異なる円筒管では， 同じガソリン噴霧量に対して得られる仕事量 は違った値となった． （ ３ ） 円筒管によっ て燃焼模型の燃焼室を作る場合， その室の容積は円筒管内径によって燃焼に限界 を 生 じる こ とが 分 か っ た． 本 実 験 の 範 囲 で は 内 径 ２８．ｏｍｍで 高 さ が ６５．ｏｍｍか ら １３００ ｍｍま で の 円. 筒管がガソリン噴霧量と燃焼室容積の広い範囲にわたっ て良い性能を示した．. 参. 考. 文. 献. １） 鈴木寿雄編， 教科書 技術・家庭 （下） １ ９８ ９ ） ８‐４ ９ ， 開隆堂， （ ， ｐｐ‐２ ． ２） 馬場信雄， 石毛フミ子， 林雅子編， 教科書 新しい技術・家庭 （下） １ ９８ ９ ） ５‐４ ８ ， 東京書籍， （ ， ｐｐ．２ ． ９ ） ８‐ ３） 技術・家庭科研究会編， 技術・家庭学習指導書 ［下］ 機械編， 開隆堂， （ １ ８４ １ ６０ ， ｐｐ．８ ． ４） 三谷府之， 久保忠義， 長揮徹， 円筒状の燃焼模型による仕事量の測定実験， 日本産業技術教育学会北海道支部研 究論文集， 第４号 （ ９ １ ） ８‐ ６ ５ １ ９ ， ｐｐ．５ ． ５） 古渡庄一， 内燃機関， 森北出版， （ １ ９７ ９ ） ‐ ８７ ０ ． ， ｐｐ．５ ６） 富塚清 内燃機関の歴史， 三栄書房， （ ８ ２ ） ２ １９ １ １ ． ， ｐｐ． ２‐. （４０）.
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