単流掃気型機関の模型気筒内における スワールの挙動（定常流速度分布）

長崎大学工学部研究報告 第13巻 第20号 昭和58年1月 19

単流掃気型機関の模型気筒内における スワールの挙動（定常流速度分布）

石田 正弘＊・泉 修平＊

近藤 博美＊・横山 盛昭＊

Behavior of Swirl Flow in a Model Cylinder with Uniflow Scavenging SyStem（Steady Flow Velocity Distribuion）

by

Masahiro ISHIDA， Shuhei IZUMI

Hiromi KONDO  Moriaki YOKOYAMA

      ，

        （Mechanical Engineering∬）

Abstract

   The authors have lnvestigated experimentally the influences of stroke bore ratio， scavenging port angユe and scavenging air、floW quantity on the swirl characteristics in a model cyユinder of diesel engine with tmiflow scavenging sy8te：m． In this test， the laser doppler velocity meter（LDV）was employed to measure the axial and circumferential velocity distribu．tions precisely． ．As aresult， the following behaviors have been made clear．

（1）Swirl intensity does not almost vary in spite of the increase in stroke bore．

ratio． （2＞The laエger the stroke bore ratio is， the less influence of exha1ユst valve on swirl flow pattern is．（3）With a small scavenging porむangle swirl inteエ1sity decreases downstream significantly， and the dead zone at the lower part of cylinder liner is Iarger as compared with the case of a large scavenging port angle・ （4）In case of the large scavenging Port即gle， swirl intensity does not vary in entire region of cylinder， bu．t there is a little inverse flow region near the center of the cylinder． （5）The velocity profiles are similar in a whole flow field at different air flow rate conditions．

1．緒  言

 大型舶用2サイクル機関の掃気方式としては，（A）単 流回気，（B）反転流掃気，（C）横断流掃気の3方式が実用       薯

昭和57年10月9日受理

＊機械工学第2学科

されている。（A）に比べ（B），（C）はシリンダカバー上に 排気弁がなく構造が簡単であるが，掃排気系統の設計 が困難で，燃焼室を安全に保ちながら出力率を向上

20 単流掃気型機関の模型気筒内におけるスワールの挙動（定常流速度分布）

することが難しい。一方，囚はシリンダカバー上に排 気弁を持ち，これを駆動する動弁装置系を持つための 複雑性はあるが，燃焼室壁の耐久性を保持する設計が

（B），◎に比べ相対的に容易である。

 さらに，省エネルギの一環として，舶用機関の回転 数を下げてプロペラ効率を向上する設計がなされてい るが，このためストロークを長くして，ストローク・

ボア比を従来の2．0から2．5とし，更に3．0まで増加 させる傾向にある。このようなロングストロークシス テムにおいては単流掃気方式が有利であり，反転流 掃気，横断流掃気方式は困難である。従ってSulzer 社は長期に亘り採用してきた反転流掃気方式を断念し て，単流掃気方式に変更することを1982年の初め世界 に発表している。

 ディーゼル機関における燃焼性能は，混合気形成の 良否に支配されており，理想的な混合気形成は燃料の 噴射特性，微粒化特性，分散特性の総合的な組合せによ って得られる。単流豪気方式では，燃料噴霧と空気の 巨視的な混合がスワールによって比較的均一に理想的 な形で行なわれるため，この方式の採用がなされ，こ れに関する研究も少なくない。立石ら1）は空気スワ ールと燃料弁六三のマッチング条件を実験的に求めて いるし，和栗ら2）は圧縮過程におけるスワールの挙 動を理論的に取扱っているが，まだ筒内スワールの正 確な流速分布，掃気効率などは明確にされていない。

 従来のスワール計測には羽根車流速計や熱線流速計 が用いられてきたが，本研究では単流掃気システムに おける気筒内のスワールの基本的な挙動を一層明確に するため，模型シリンダを製作し，その内部の流速分 布をレーザ・ドップラー流速計を用いて流れの場を乱 すことなく局所的に計測し，スワール特性に及ぼす掃 気流量，ライナ掃気孔角度，ストローク・ボア比等の 影響を調べた。

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一 Section

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Fig． l Cylinder liner and scavenging port

2．実験装置及び測定装置 2。1 模型シリンダ及び掃気ポート

 Fig．1に模型シリンダライナ及び掃気ポートの 縦断面を示す。この模型は三重重工製単筒試験機1）

NDT l9／35型2サイクルクロスヘッド型ユニフロー 掃気式ディーゼル機関を実寸で模擬したもので，ライ ナ上部はレーザ光が透過できるようにアクリル樹脂製 とし，シリンダカバーには弁直径102mmの排気弁 を中央に1個設けた。ピストンが下死点にある状態を 想定して，遮蔽板を掃気ポート部に固定し，また排気

2。 20。 loo

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Fig  2  Scavenging Port section

石田正弘・泉修平・近藤博美・横山盛昭 21

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Fig．3 Test apParatus and LDV system

弁は最大リフト状態で固定している。図の場合はボア B＝190mmストロークS二350mmで，ストローク

・ボア比はS／B＝1．84である。また，ボアが同じで ストローク・ボア比がS／B＝2．42のロングストロー クタイプのライナを別途準備した。

 Fig．2は掃気孔断面を示す。冷気ポートは掃気 孔角度が39．2。，20。及び10。の3種類であり，内接 円径Dswはそれぞれ120mm（Dsw／B−0．632），

64rnm，（Dsw／B−0．337），及び32mrn（Dsw／B＝

0．168）である。

2．2 実験装置

 Fig．3に実験装置の全体を示す。シリンダライナ

⑪は掃気ポート部◎が掃気室⑧（500×500×750）に 挿入された形で装着されている。ルーツブロアで加圧 された空気は流：量調整弁を経て流量計測用ノズル④を 通り，掃気室9に入る。掃気孔で旋回を与えられ，シ リンダ⑪内を旋回しながら排気弁⑧を通り，大気中へ 放出される。

 シリンダ内の任意の半径位置における流速を計測す るために，レーザ・ドップラー流速計がレール⑭上を 移動できるトラバース装置⑲の上に載せてある。

2．3 レーザ・ドップラー流速計（LDV）

 本実験に使用したLDVは日本科学工業㈱製の前方 散乱デュアルビームモードシステムである。Fig．3 に示すように，He−Neレーザ光源⑯から出た波長 λ＝6328A。のレーザ光は，偏波面回転器⑥，ビーム

間隔を50mmにするビームスプリッター⑪，周波数 シフター①，焦点距離f＝300mm（ビーム交叉角2θ

＝9．53。）の収束レンズ①を経て，模型シリンダ内の所 定の位置に焦点を結ぶ。流れの中に存在する散乱粒子 がこの焦点を通過するとき散乱光を発する。その散乱 光のドップラー信号を集光レシズ⑭によって集光し；

直径250μmのピンホールを通してフォトマルチプラ イヤ①で検出する。このフォトマルは光電導効果を利 用したもので，10『7W程度の低い強度の光を検出で

き，その周波数特性は100MHzである。

 フォトマルで検出されたドップラー信号はオシロス コープで信号が正常であることを確認しながら周波数 トラッカーで処理され，F／V変換された電圧出力を ディジタル表示すると共にペンレコーダーに記録し

た。

 なおLDVは速度の大きさのみを示し，その方向を 弁別できない。従って流れの方向をも同時に計測する ため，周波数シフタを用いた。これは入射光線の一方 に異なった周波数シフトを与え，測定体積中の干渉縞 を空間的に移動させることによって，シフトした範囲 内で正流ならびに逆流を検出できる。入射レーザ光線 にシフトを与える方法としてはBragg Ce11方式を とっている。本実験ではビームスプリッターを回転す ることによって流れの軸流分速度と旋回分速度を測定 しており，軸流分速度の測定にはf、＝2MHzのシ フトを行ない，旋回分速度については5MHzのシ

フトを行なった。

 散乱光のドップラー周波数fと流速vとの間には次

22 単流掃気型機関の模型気筒内におけるスワ・一ルの挙動（定常流速度分布）

の関係がある。

      ∫＝＝｛2圖／λ｝5ガπe      （1）

周波数トラッカーが示す周波数fDは周波数シフトし ない場合よりf、だけ大きいから，実際の流速V（m／

s）はこのことを考慮して次式で計算される。

      V『＝｛λ／25ゴηθ｝（プセ）一．《）      （2）

本実験の場合，λ一6328A。，θ＝4．77。であるから次 式のようになる。

      y＝3．81（プユ）一∫L）       （3）

2．4 散乱粒子

 散乱粒子としては流れに対する追随性が良く，散乱 によるドップラー信号が強いことが要求される。本実 験では当初ベビーパウダーの固体粒子を用いたが，粒 子を連続的に供給するための特別な装置が必要であ

り，また大気中へ放出されるため多量必要であること が判明し中止した。次にドライアイスを用いることを 試みた。ドライアイスをFig．1に示した仮想ピス トン多孔遮蔽板の下部に置き，外部から導入した水蒸 気を吹き付けて炭酸ガス煙を多量に発生させた。一方

ドライアイスなしで水蒸気だけの場合も試み，両者を 比較したところ，Fig．4に示す結果が得られた。同 図において丸印は測定された平均流速であり，同時に 変動幅も示している。平均流速は両者でほぼ同じ値を 示すのに対し，ドライアイスを用いた場合，速度変動 が見かけ上大きく現われることになる。これはドライ アイスの場合粒子濃度が一様でなく，粒子の大きさに 不均一を生じたためと考えられ，本実験では主として 水蒸気のみで測定を行なった。

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 4

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一

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1  2  3  4  5  Steam    V（m s）

3．実験結果及び考察 3．1 ストローク変化

 ストローク・ボア比がL84及び2．42の場合の各測 定断面における軸速度分布VzをFig．5及び6 に，また旋回速度分布VθをFig．7及び8にそれ ぞれ示す。掃気孔角度は39．2。，流量は実験機での 100％負荷における値Qo＝6．3m3／minである。尚，

測定精度を確認するため，Fig．6の断面皿及びIVに おいて，断面を10個の環状部分に分割し，実測値速度 分布を積分することによって流量を計算したところ

±LO％のばらつきしがなかった。

 Fig．5と6を比較して分るように，入口断面，出 口断面いずれにおいても軸速度分布は両者で同じであ る。但しショートストロークの場合，排気弁の影響が 入口断面まで及び，シリンダ中心部分は入口断面から 出口断面まで僅かではあるが逆流域が見られるのに対 し，ロングストロークの場合は逆流が排気弁直下のみ に限定されている。入口断面1の速度分布から判断す ると，いずれの場合も掃気孔と断面1の間のシリンダ 壁の一方で死水域の存在が推定される。Fig．7と8

重5 ε 募

0

証

証

Fig． 4 Cornparison of seeding effect

一コ

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一50

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一50

S／B＝1，84 9

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Fig．5 Axial velocity distribution     （S／B＝1．84）

石田正弘・泉修平・近藤博美・横山盛昭 ^を3

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Fig．6 Axial velocity distrlbution      （S／B＝2．42）

を比較すると，軸速度分布の場合と同様に旋回速度分 布も両者でほぼ同じであり，入［］断面から出ロ断面ま で旋回速度の大きさは殆んど低下していない。すなわ ち，ストローク・ボア比を1．82から2．42に増加して もスワールの強さは殆んど減衰しないことが分る。流 れは完全な軸対称ではなく，旋回の中心が入口断面に おいて偏っている。これは一気ポート近傍の死水域が 非対称になっていることに起因している。ロングスト ロークの場合，出口断面で流れは軸対称に近づくが，

ショートストロークの場合は同軸対称性が強く残って

いる。

3．2 掃気孔角度変化

 掃気孔角度が39．2。及び20。の場合の各測定断面に おける軸速度分布VzをFig．9及び10に，また旋

一5

50（mm）

Fig． 7 Circu皿ferential velocity     distribution（S／B＝1．84）

転4

S／B＝2，42 e ＝39、2。

Q／06；1。00

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50（mm）

Fig． 8 Circumferential velocjty     distribution（S／B＝2．42）

回速度分布vθをFig．11及び12にそれぞれ示す。

ストローク・ボア比は2．42，流量は実験機での34

％負荷における値3．6m3／min（Q／Qo−0．57）であ

る。

 Fig．11と12を比較すると，θ一39．2。の場合入 口断面1から出口断面IVまで全範囲において強制渦型 の速度分布をしておりスワールの強さがあまり減衰し ないのに対し，θ一200の場合状況が異なる。即ち入

口断面1のr＝一20mm〜＋45mmの範囲が強制渦

型であり，その外側に自由渦型の速度分布が存在する。

θ一20。のとき内接円径Dswは64mmであるから，

この内部が強制渦型速度分布としてほぼ対応すること になるが，実際の流れはその旋回中心が右へ約12mm

24 単流年魚型機関の模型気筒内におけるスワールの挙動（定常流速度分布）

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S／B富2．42 e ＝39，2。

Q／Qo富0．57

Fig．9 Axial velocity distributiorL     （θ＝39．20）

だけ偏っている。この強制渦領域は下流へ進むにつれ 次第に広がり，出口断面では全域で強制渦型速度分布 となる。しかも軸対称な流れに近づいている。最大旋 回速度を示す半径位置が下流程大きくなるため，角 運動量保存則からも明らかなように旋回速度が低下 し，出口断面の一50mm＜r＜50mmの範囲ではス ワールが極めて微弱になっている。

 Fig．9及び10に示した軸速度分布はいずれの場 合もシリンダ中心が周囲よりも低い速度であり，基本 的には類似のもので，いわゆる後流型速度分布であ る。θ＝39．2。の場合，スワールの強さが殆んど減衰 しないため入口断面から出口断面まで軸速度分布は大 きな変化を示さず，シリンダ中心付近に速度が零の部 分が常に存在する。一方θ＝20。の場合は，全断面 においてシリンダ中心部での逆流はなく，下流へ進む につれてスワールが減衰するため，後流型速度分布が

1：［

窪

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Fig 10 Axial veloclty distribution     （θ＝20。）

S／B零2．42 9 需39，2。

Q／Qo冒0，57 Section I 一一〇一・

Section II 一一△一一 Section III一・｛｝・一 Section IV一・・〈〉・一一

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石田正弘・泉修平・近藤博美・横山盛昭 25

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S／B＝2，η2 e ＝20。

Q！Qo昌0．57         5 Section I  一一〇一一 Section II 一一☆一。

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一5

Fj9．12 Circumferential velocity     distriblltion （θ＝20。）

緩和され，一様な流れに近づいている。入口断面1の 速度分布から判断すると，掃気ポート部の死水域が断 面1と豆の中間まで及んでおり，非対称ではあるが全 周に存在する。旋回が強い程遠心力による流れの安定 効果が大きいため掃気ポート部の死水域が小さく，よ

り軸対称流れに近い。

3．3 心気流量変化

 Fig．13及び14はS／B＝2．42，θ一39．20で，毒 気流量を変化させた場合の軸速度分布及び旋回速度分 布を示す。山気流量6．3m3／min及び36m3／minは 平均軸速度Vzに換算するとそれぞれ3．7m／s及び 2．1rn／sであり，図の縦軸はVzで無次元化してい

る。

 軸速度分布，旋回速度分布いずれも入口断面1にお いては流量によって若干の差が見られるが，下流の断 面ではいずれも全く相似な速度分布となっている。入 口断面における差は，流速の絶対値の違いによって，

掃気ポート部の死水域の発生状態に若干の相違が生じ るためと考えられる。

4．結  言

 単流掃三型機関のスワール特性を模型シリンダー及 びレーザ流速計を用いて計測し，ストローク・ボァ

．比，掃気孔角度，掃気流量がスワーーレ特性に及ぼす影 響を実験的に調べ，以下のことを明らかにした。

（1）スワールの強さはストローク・ボア比を大きくし   ても殆んど変化しない。

② ストローク・ボア比が大きい程流れに及ぼす排気   弁の影響が小さくなる。

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 Fig．13 Similarity of axial velocity      profile

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       r／R Fig．14 Similarity of circumfe士entiaI      velocitv profile

（3）掃気孔角度が小さいと，掃気ポート部のシリンダ   壁の死水域が大きく，スワールの強さが下流に向   って著しく減衰する。

（4）一方掃気孔角度が大きいとスワールの強さは殆ん   ど減衰しないがシリンダ中心部に逆流を生ずるこ   とがある。

（5）シリンダ内の速度分布は流量を変化してもほぼ相   似である。

26       単流掃気型機関の模型気筒内におけるスワ「ルの挙動（定常流速度分布）

謝 辞

 本実験の遂行に当り，本学卒論生島田幸秀，松尾 宏，永原紹三小川隆君の協力があったことを記して 謝意を表する。

参考文献

（1）立石楡三菱重工技報V。16，N。．4，

  1969高7．

（2）Wakllri， Y．， etc．， Memories of Faculty   of Er19． Kyushu University， Vo1．40，〕No．1，

  1980−3；p． 9