予燃焼室ディーゼル機関における運転条件(吸入空気温度および吸気圧)と性能: University of the Ryukyus Repository

Title

予燃焼室ディーゼル機関における運転条件(吸入空気温度

_{および吸気圧)と性能}

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(5): 1-7

Issue Date

1972-03

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/24033

1

予燃焼室 デ ィーゼ ル機 関 における運転条件

(

吸入空気温度 および吸気圧) と性能 十

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HINZATO

Ithaswidelybeenpointedoutbysomewelトknownscholarsthatthereareclose relationships between the englne performance and operating conditions andalso thereisthermodynamiceffectontheenglneperformance.

Theyestablishedtheequationsforthe volumetric efficincy affectedbytheatmos -phericairtemperatureand pressure,intakemanifo一dpressure.andthe like.

Inthispaper,thewritertriedtoconfirm theproprietyoftheabovementioned equations in hisexperiment,in whichheexamined theeffectonthepressureand temperatureintheintakepipewhichareaffectedbytheenglneperformance.

Theresultoftheexperimentindicatesthattheincreasingpressureintheintake pipehadagoodeffectonthevolumetricefficiency,whereastheincreasingtempe･ raturehadanillone. 1. 緒 言 ｢殻に副裏付ディーゼル機関 (予燃焼室または うず 流室)の性能は,主燃焼室 と副室の大きさおよびその .比や,それ らの形状に大きく影きょうをうけるといわ (1) れている｡ 一方内燃機 関に お いて, 吸入空気重量およびその 他の彫きょうについて 定 性的 に∵応明 らかにされて (2)こ3) いる｡また運転条件ならびに外気状態によりどのよう に変化するかについても定量的に推定 しうる計算式が いくつか定められているがまだ統一されていない. 本研究は,予燃焼室ディ-ゼル機関において圧縮行 程で主燃焼室から連絡孔を通 って予燃焼室に流入す る 際に,予燃焼室内空気流動が吸入空気の圧力 と温度に よって変化 して間接的にどのよ うな影きょうをうける かを実験的に検討す るものであるO 内焼機関の燃焼室内の空気流動または燃焼状態を観 +受付 :1971年9月30日 ･'>琉球大学理工学部機械工学科 察す る方法 として,1).圧力波形の分析,2),高速度 カメラ撮影による直接観秦,3).水模型による間接的 観察,等があるが本実験では動力計による測定のみで 推察を試みた｡

2

.

記号および単位

B

:燃料消費盈 (kg/h) be:正味燃料消費率 (g/ps.h) D :シ リンダ直径又はオ リフィス管径

(

m

m

,c

n

Z

)

e :圧縮比または膨脹係数 Hu:低位発熱量 (Ecal/Kg) 1 :一回転のサイクル数 K :圧縮係数 1 :動力計の 腕の 長さ, または ピス トン行程 (m,mm) m :オ リフィスの絞 り面積比 Pe:正味平均有効圧 (kg/cm2)

2 新 里 :予燃焼室 デ ィ-ゼル機 関 におけ る運転条件 (吸入空気温度お よび吸気圧) と性能 Ps :吸入圧力 (mmAq) Lo:理論空気量

(NI

T

P

/

k

g

)

N :毎 分回転速度 Ne:正味 出力 (ps) Qn:流入空気量 (Nnf/h) S :排 気煙濃度 pl:オ リフィス動軍 側圧力 (mmA q) p2 ′′ 静圧側圧力 (mmAq) te:排気温度 (oC)､ Tl:サージングタ ンク内絶対温度

(

o

K)

Tn:標準大気絶対温度

(

o

K)

vh:行程容積

(

m

3, 2) W :動力計指示荷重 Kw:キロワット ワe :正味熱効 率 でV :体積効率 α :流量係数

γ

:比重量

(

k

g

/

mB)

γ

n

:標 準大気 の比重量-i.293

(

k

g

/

mB)

3.

計 井 式 a) 軸出力Ne(Ps) Kw- 去

L

･W･N IPS-0.7355KWで あるので Ne-0.5584×W･NXIO-3(Ps) b) 平均有効圧Pe

(

k

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1

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1

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e

･Pe･N

･

e 75×60 よ り求 め る｡ 4×75×60 P

e

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7

E

7il2.i.N.

Z

･ N e この式 に : Ne-0.5584×10-3･W･N 打 =3.14 D -80mm 2 -100mm i-1/2 をそれ ぞれ代入 して次式 を得 る｡ Pe-W C) 燃料消費量B (g/hr) 燃料25ccを消費す るの に要す る時間 (秒) を測 定 して求 め る｡ B-

空

三

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(g/hr) d) 燃料消費率 be(g/ps.hr) be

L

NB{ -16･12x& x107(g/ps･hr) e) 正味熱効率 ワe ワe- % H賢 一品 ×105 (%) f) 流入空気量Qn(Nm3/hr) オ リフィス流量計 よ り求 め る｡ Qn-0･012･

-

･α･D2eJp

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p

E:T% K この式 に m-0.108, E-i.0 α-0.6, γn-1.293 上 D2-58964 Tn-273 K-i, Pn-10332 をそれぞれ代入 して計算す ると Qn-〇･676､

/岨

T

l

二聖上

- (Nm3/hr) g) 空気過剰率入 実際 の攻入空気量Qnと理論空気量Loの比

-

-

B

Q

L

P A L｡-ll.03×10 3Nm3/gを入れ ると

1

-

笠

･品 ×1013 h) 体積効率でL' かⅤ--

5

6TQNnW Vh-5.02×10-4m3を代入す ると でV- 3所QNnm -晋

･

古

×10-4(%)

4.

供試枚 閑および来襲方法

4.

1

供試糠 閑 実験 に使用 した機 関は立て形単 シ リンダ,水 冷4サ イ クル,予燃焼室 デ ィーゼル機 関である｡表 にその仕 様 を示 しFig.1は機関項部 の断面図 である｡

琉球大学理工学部紀要 (工学簾)

Fig.1 Cross-Sectonalview ofthecombustionchamber

4.

2

乗 鞍 方 法 動力計は直流電気動力計を用い,回転速度一定で測 定す る｡ (誤差±10r･p･m), 吸気加熱装置は,ニクローム抵抗線 を用い,吸入空気 温度を20oc,35oc.50cc,65oc,75ocとそれぞれ変化 させた｡ 吸気圧力を上昇させるには, ルーツ送 風機 を用い, 100,200, 3○○,400mmHqに変えて 実験 を行なっ た｡

5

.

定性および定t的実簸式 吸入空気重量 (または体積効率)におよぼす諸影き ょうは定性的に｢応明 らかにされ ている｡ Taylorに (4) よれば次のような実験式 を導 き出している｡ 荒 -

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p

ここで 7V :任意の体積効率 ワvb :基準 となる体積効率 Ti :奴入温度 (Q耳) Tib :基準状態における吸入温度 (oK) Tc :任意の冷却水温度 (oK) Tcb :基準の場合の冷却水温度 (oK) ∫ :圧縮比 K ‥比熱比 (-普 ) Pe :残留排気圧 (Kg/cm2) Pi :吸気圧 (Ke/cm2)

KF

･･空燃比 による補正係数 KIc :吸入弁閉時の // KIp :吸入管長さによる〝 すなわち,体積効率は入 口温度が高 くなると増加す る ことを示 している｡その理由としては,入 口温度が高 くなるとシリンダ壁 との温度差が減少するか ら吸気の 加熱は少なくなる｡すなわちシリンダ内吸気-の熱量 が減少するため吸気量が増すためといわれている.こ (5) のことは長尾不二夫博士 も理論づけている｡ また吸入空気量に関係する出力修正式においては一 般に出力は攻入大気温度に逆比例す るものと考えられ ているD五味努氏は,ガソリン機関についての考桑で はあるが吸入空気量すなわち充填効率 におよぽナ熱的 彫 きょうについて,定量的に推定す るために次の式 を

4 新里 :予燃焼室ディーゼル機関における運転条件 (吸入空気温度および攻気圧) と性能 (6) 斗 き出 している｡ Pl･ Vs e

△T2

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4

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5≡ -GIsT

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△T3 ここで

△T2

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△T2

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△T4

+

△T5

△Tl

:燃料の気化による温度降下 △ E :シリンダ壁 な ど高温度部か らの伝熱によ る温度上昇 △T3:吸入混合気 と残留排気 との混合 による温 度上昇

△T4

:押込み効果な ど機械的仕事 による温度上 昇

△T5

:吸入空気加熱器 による温度上昇 Pl :圧縮はじめの圧力 Vs :行程容積 Gs :混合気 (空気 +燃料)重量 P5:残留ガス圧

Rl

:圧縮はじめの混合気のガス定数

R5

:残留ガスのガス定数 E :圧縮比 n2 :ポ リトロープ指数

Ta

二大気温度 Cps:衆人混合気の定圧比熱 Cpr:残留ガスの定圧比熱

上式で混合比Y-告 とすればGa-旦㌍ となるo Cps/Cpr-1

,R

l/R

5-Lとして,n2-n-1.3 とすれば Ga=二

L

PIVs 7-

Y+

i

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-

△Tl+△T2

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計)

意

‡

た ゞLPo,Toは標準大気状態における圧力 と温度,

Ra

は空気のガス定数である｡

6

実襲括集および考察 Fig.2は吸入空気 圧が 機関性 能 におよぽす影 きょ うを示 している｡ 吸気圧の増加 と共 に最低燃料消費率 は高負荷域 に移行 r1 2 S -o 0 0 0 ヂ

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Fig2-Effectofintakepress.

している｡排気温度は低 くなり煙限度出力 も増加す る 傾向を示す｡反面,低負荷域では吸気圧 を増す と燃料 消費率は比較的高 くなる傾向があり.排気温度 も高 く なってい る｡ これは低負荷域では吸入圧が増す と背圧 による損失が比較的大きいためであると思われ る｡ し か し高負荷域では吸気圧の増加 と共 に比重量が増 して 体積効率が大 とな り,発火燃料が促進 され出力が増す のである｡ その他吸気圧 を高 くす ると,サイクル全体のガス密度 が高 くな り,シ リンダ壁-の伝熱畳は多 くなるが出力 当 りの損失が少ないことやポンプ損失が少な くなるた めである｡ Fig.3は吸気温度 をかえて機 関 性能 におよぽナ影 き ょうを示す｡ 燃料消費率 は吸気温度の増加 と共 に特に負荷の大きい 範囲で増大 し,最低燃料消費率 も低 負荷 の方へ移行

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 3 2 USーlO0D 282600 240 2003

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3 4 5 6 7 8 指 (kAknf) Fig.3-EffectofAirtemp. し,槻関性能は悪い. これは前記の理論でも述べたように吸気温度の増加 と 共に,吸気が膨張 し,そのため比重量が減少 し体積効 率が低下するためである｡ その他図示出力の中での摩擦損失の占める割合が増 加することと,空気過剰率の低下に伴い比熱が大きく (7) なるためであるといわれている｡ また排気温度が吸気温度の増加 と共に高 くなるのは, 吸入空気の粘性 を大きくし,そのため空気流動が衰え て熱発生時間も長 くシリンダ内で熱の仕事に変換す る 丑が減少し排気損失が増すためである｡ 以上のような実 験に加えて, 吸気 温度 も変えなが ら吸気圧力を変化 させた場合の 実 験結果 をFig.4, Fif.5に示す｡ Fig･4は,吸気温度65oCで 吸気圧 を変 化 させた 場合の機関におよぼす効果 を示 し, Fif.5は攻気温 度85oCの場合である｡ これ らの図からもはっ き りいえ る こ と は, 各温度 (65oC,85eC)において吸気圧 を増す と20oCの静合 ∽0l 300

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Fig･5-Effectofintakepress･at850Cairtemp.

と全 く同 じ候向を示 していることがわかる｡ 吸気温度の増加は,それ と共に吸気圧 を増 しても良 い効果はみ られない｡

6 新里 :予燃焼室ディ-ゼル機関における運転条件 (吸入空気温度および吸気圧) と性能 Fig.

6

,Fig.7は吸 気温 度 をベ ラメータにとり吸 気圧 を変化させた場合の性能図である｡

(

I

0 32 ∽ I

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300 Air,temp.一1〇｢65○一20CC

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Fig.6-Effectofintakepress･and airtemp.atlow load(Pe=3kg/cme) 3 2 トOJ ⊃0 0

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Fig･7-Effectofintakepress･and

airtemp.athigh out･put(Pe-5-6kg/cm2)

吸気温度の増加は,各吸気圧力に関係なく高負荷域 で空気過剰率は減少 し.煙濃度は悪 く,排気温度は高 く な りそれに燃料消費率 も悪 くなる傾向を示 している○ しか し低負荷域では吸気温度を20oC, 65oC,85oC のいずれの 場合で も妖 気圧力 の効果 は あ ま りない が,高負荷域では吸気圧力の増加 と共に燃料消費率, 排気煙激度,空気過剰率,排気濃度はいずれ も良い結 果 を得ている｡ Fig.8は煙限度 を空気過 剰 率 入-1･2の 場合にお き,吸入温度をパラメータにとり機関性能を検討 した

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Fig.8-Performanceaり -1･2

ものである｡吸気圧の増加は煙限度出力亙増 し･燃料 消費率 も低下 し機関性能 に 良 い 結果をもた らしてい るq しかし吸気温度の効 果 は逆 で 機関性能は良 くな

い｡

7.

結 首 一般 にディーゼル機関の燃焼室内での,規則的な空 気流動は燃料の燃焼性 を良 くし,機関性能の向上に役 立つ といわれている｡ すなわち,規則的な気流は油粒の周囲か ら,燃焼ガK

琉球大学理工学部紀要 (工学属) を追い払い,たえず新 しい空気を供給す ることができ るので,燃焼促進に最 も効果がある｡ したがって吸気温度を増す と,空気の粘性が大 きくな り,不規則な空気流動を生 じやす く,そのために発火 お くれは短 くなり,圧力上昇 もゆるやかになる｡すな わち熱発生率は減少 し燃焼期が長 くなる｡ とい うこと は有効仕事に変換され る畳が少なくな り,排気温度が 高 くなる原因となる｡ 以上のことから次のような結論 を得た｡ (1) 吸気圧の増加は,機関性能 を表わすのに最 も重要 な燃料消費率が減少 し,その上高出力 も得 られ る｡ (巴) 吸入大気の温度増加は,体積効率 を減少させ,機 関性能 を著 しく悪 くす る｡ (3) ディーゼル機関において妖気温度の増加は,多種 燃料性 を向上させる上で非常に効果があるといわれ (8) ている｡低セタン価燃料 を使用する場合,負荷およ び回転速度に応 じて吸気温度 を変えて運転 した方が 望ましい｡ 終わ りにのぞみ,この研究に協力 して くれた,当 時学生だった,古波蔵健次君 と渡久山朝賢君の二人に 深 く感謝 します｡ 参 考 文 献 (1) 長尾不二夫,内燃機関講義 (上),養賢堂 (昭和 4;.i),PP178-304 (2)同 上 PP91-93

(3) C.F.Taylor.TheInternlCombustion Engine in Theory and Practice(1960),

John Wiley and Son'slncリP157 (4)同 上 p205 (5) 長尾不二夫,内燃機関講義 (上),養賢堂 (昭和 42.1P83 (6)五 味 努, 日本機械学会講演論文集 No.176 (67-10) P61 (7)村 山 正,日本機械学会論文集

,3

6

,285 P 844 (8)同 上