講義編 - Pages Shota.yam

独自試験対策頁
高速内燃機関 1
(講義編)
山中
1/9
1
注意:
このシケプリは平成二十一年度航空宇宙工学科四学期金曜日一限開講津江光洋「高速内燃機関」の講義
内容に従い、且つ教科書をまとめることに特化します。あと、途中まで範囲外とか律儀に書きました
が、途中から面倒になってきて書いていません。すみません。
最新版や他の独自シケプリ、その他雑多な情報はこちら↓
山中の webpage「Pages Shota.yam」:http://shotayam.xxxxxxxx.jp/
2
目次
諸論
5
1.1
熱機関 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.2
内燃機関 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.3
往復動式内燃機関 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.4
その他の内燃機関 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
サイクル
7
2.1
熱効率と平均有効圧力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2
空気サイクル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.3
熱効率の比較 (範囲外) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.4
燃料空気サイクル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.5
実際のサイクル
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1
2
吸・排気
10
3.1
4 サイクル機関のガス交換損失 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.2
4 サイクル機関の容積効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.3
容積効率に及ぼす諸因子の影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.4
2 サイクル機関の掃気 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
燃料 (範囲外)
13
3
4
4.1
内燃機関用燃料
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.2
火花点火機関用燃料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.3
圧縮点火機関用燃料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.4
ガスタービン用燃料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
燃焼
14
5.1
燃焼の基礎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
5.2
可燃性混合気の燃焼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
5.3
火花点火機関における燃焼
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
5.4
圧縮点火機関 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
伝熱と冷却
22
5
6
6.1
熱移動 (範囲外) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
6.2
冷却法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
往復動式内燃機関の力学
25
7.1
ピストンクランク機構の運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
7.2
単シリンダ機関の慣性力と平行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
7.3
多シリンダ機関の慣性力と平衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
7
3
7.4
トルク発生機構
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
7.5
トルク変動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
7.6
クランク軸のねじり振動 (範囲外) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
潤滑 (範囲外)
31
8.1
潤滑の基礎 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
8.2
潤滑油 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
8.3
潤滑機構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
火花点火機関
32
9.1
火花点火機関の性能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
9.2
機関の基本構造
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
9.3
補機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
9.4
排気ガスの浄化対策 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
圧縮点火機関
41
8
9
10
10.1 燃料噴射方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
10.2 燃焼室の形状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
10.3 過給 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
10.4 排気とその浄化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
11
ハイブリット
45
11.1 ハイブリットシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
11.2 システム構成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
11.3 HEV の作動状態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
11.4 ハイブリッドシステムの課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
4
1 諸論
1.1 熱機関
熱を仕事に連続的に変える機関であるが、熱力学の知識により、一般的に次の四つの部分からなる。つま
り、受熱部、出力部、放熱部、昇圧部である、受熱部は熱力学第一法則から、放熱部は熱力学第二法則から必
要なことがわかる。この二つの間を動くのが作動流体である。作動流体が使いまわされるものをクローズドサ
イクル、サイクル毎に使い捨てられるのをオープンサイクルという。受熱部は間接式と直接式があり、前者は
作動流体とは別のところから熱がでる、後者は作動流体自身から熱が出る。
熱源を燃焼に頼る熱機関を燃焼機関という。これには外燃機関と内燃機関があり、受熱部がそれぞれ間接式
と直接式である。
1.2 内燃機関
大体の場合直接受熱式オープンサイクル燃焼機関。間接式とは違い受熱部の熱伝達物質の融点を考えないの
で、作動流体の温度を上げることができる。
出力部に関して容積形内燃機関と速度形内燃機関に分類される。前者はピストンなど加熱流体の膨張を利用
し、後者はタービンなど加熱流体の速度を利用する。内燃機関という場合一般には前者をさす。
1.3 往復動式内燃機関
容積形内燃機関は大体往復動式、要するにピストンである。以下暫くピストンに関する用語の説明。ピスト
ンが上がりきった (燃焼室の体積が最小の) 状態を上死点といい、下がりきった状態を下死点といい、上死点
から下死点若しくはその逆の動きを一行程 (1stroke) という。1cycle が 2stroke でできているものを 2stroke
機関、4stroke でできているものを 4stroke 機関とよぶ。また、燃料を燃焼室に供給する弁を吸気弁、排気す
る弁を排気弁という。
動作原理を 4stroke 機関を例にとり説明する。上死点を開始位置とする。1stroke 目で圧力が下がっていく
のを利用して吸気弁から燃料をいれる、2storke 目で圧力をあげる、2stoke 目と 3stroke 目の間の上死点のと
きに燃料が爆発し 3stoke 目で膨張、4stroke 目で使用済み燃料を排気する。
「爆発」と言ったが、この爆発を着火によっておこすものを火花点火機関、火をつけなくても 2stroke 目の
圧縮による温度上昇で勝手に燃えだすものを圧縮点火機関という。前者は予混合燃焼、つまり吸気弁から入っ
てくる前 (吸気管のとき) に燃料を空気と混ぜて後で火をつけることが多く、後者は圧縮燃焼、つまり 2stroke
目が終わった時に燃料が噴射され燃えだすことが多い (この場合、吸気管からは空気のみを取り込む)。燃焼は
前者の方が速い。
燃料供給方式でも気化器式と燃料噴射式に分けられる。前者は吸気管を低圧にして、燃料をタンクから吸い
上げる。後者は機械的に燃料を噴射する。ともに空気と混ざったときは燃料が微粒化される。燃焼室の構造で
も単室式と複室式に大別される。
熱力学的サイクルの分類では、オットーサイクル、ディーゼルサイクル、サバテサイクルに分けられる。ま
た、使用燃料、吸気方法、冷却方法、シリンダ数と配列によっても分けられる。この教科書ではこの分類に
従って内燃機関の構成をそれぞれを詳しく見ていく。
5
1.4 その他の内燃機関
この教科書の大体は往復動式内燃機関についてだが、ガスタービンやロケット機関についても少し触れる。
6
図1
複合サイクル
2 サイクル
2.1 熱効率と平均有効圧力
内燃機関のなす仕事として理論仕事 Wth 、図示仕事 Wi 、正味仕事 We があり、それぞれ、熱力学的に算出
される仕事、実際の機関で作動流体がピストンにする仕事、図示仕事から摩擦熱等機関内のさまざまなエネル
ギーロスをひいた仕事である。これらについて、理論熱効率 ηth 、図示熱効率 ηi 、正味熱効率 ηe があり、それ
ぞれ
ηth =
Wth
Wi
We
, ηi =
, ηe =
Q1
Q1
Q1
で定義される。ここで Q1 は供給熱量。これらから線図係数 ηg =
Wi
Wth 、機械効率
(1)
ηm =
We
Wi
が定義され、こ
れらには ηe = ηm ηi = ηm ηg ηth が成立する。
下死点時と上死点時の燃焼室体積の差を行程容積 Vs といい、理論平均有効圧力 Pth 、図示平均有効圧力 Pi 、
正味平均有効圧力 Pe が定義される。
Pth =
Wth
Wi
We
, Pi =
, Pe =
Vs
Vs
Vs
(2)
一般に W ∝ Vs のため、これは体積によらないエンジン性能を示す。
2.2 空気サイクル
1, 作動流体は理想気体、その物性値は標準状態の空気の値に等しい。2, 圧縮および膨張行程は断熱過程。3,
閉鎖系とし、作動流体の流入および流出はおこらない。4, 燃焼による発熱および燃焼ガスの排出による放熱は
作動流体の加熱ならびに冷却で置き換える。…という過程をしたサイクル。熱機関対して理論的な熱効率の上
限値を与えられる。
2.2.1 複合サイクル
図の通り。サバテサイクルとも呼ばれる。高速ディーゼル機関のモデルとして使われる。1,4 が下死点で
2,2’ が上死点となる。1 から 2 が断熱圧縮 (3stroke 目にあたる)、2 から 2’ が等容加熱 (素早い爆発)、2’ から
3 が等圧加熱 (ゆっくりとした燃焼)、3 から 4 が断熱膨張 (4stroke 目にあたる)、4 から 1 が等容冷却 (実際に
はないが、素早く燃料を入れ替える動作に対応する)。この線で囲まれた領域が仕事。2 から 2’、2’ から 3 へ
7
移るときの吸熱量をそれぞれ Q1v , Q1p 、4 から 1 へ移るときの排熱量を Q2 とすると、(理論) 熱効率は
ηth = 1 −
となる。ここで
ε=
( )κ−1
σκ ρ − 1
1
ε
(ρ − 1) + κρ(σ − 1)
(3)
V1
P 20
V3
, ρ=
, σ=
V2
P2
V2
(4)
であり、それぞれ圧縮比、爆発比、締め切り比と呼ばれる。よって、圧縮比、爆発比が大きく、締め切り比が
1 に近づくほど効率がいいのがわかる。また、平均有効圧力は
[
]
1
ρσ κ − 1
P1 (Q1v + Q1p ) ε
1 − κ−1
Pth =
mRT1
ε−1
ε
ρ − 1 + κρ(σ − 1)
(5)
2.2.2 定容サイクル
オットーサイクルとも呼ばれる。ガソリンエンジンのモデルとして使われる。サバテサイクルで σ = 1、つ
まり 2’ と 3 がくっついたもの。
2.2.3 定圧サイクル
ディーゼルサイクルとも呼ばれ、大型ディーゼル機関の基本となる。サバテサイクルで ρ = 1、つまり 2 と
2’ がくっついたもの。
2.3 熱効率の比較 (範囲外)
いくつかの条件において定容サイクルと定圧サイクルを比べる。
2.3.1 初温、供給熱量および圧縮比が同一の場合
定容サイクルの方がサイクルが最高温度が高くなり、熱効率が高くなる。
2.3.2 初温、供給熱量および最高温度が同一の場合
定圧サイクルのほうがカルノーサイクルに近いので、熱効率が高くなる。
2.3.3 初温、供給熱量が同一で圧縮比が異なる場合
それぞれ圧縮比の上昇とともに最高温度が上昇し、熱効率は上昇する。
2.4 燃料空気サイクル
実際は空気ではなく空気と燃料の混合気体が作動流体となる。この場合、まず κ は燃料のほうが小さく、そ
のため理論熱効率が下がる。また、温度と共に比熱が上昇するため最高温度が下がったり、熱解離等により燃
料が燃えきらないため熱量が下がったりする。そのため、実際の機関では燃料に比べて空気をかなり多く供給
する。
8
2.5 実際のサイクル
ガソリンエンジンの空気サイクルモデルであるオットーサイクルと実際のガソリンエンジンの 4stroke サイ
クルで熱効率が異なる主たる原因を述べる。
1. 燃焼の時間遅れ
オットーサイクルでは上死点で一瞬で爆発することにしているが、実際は圧縮過程の終わりから膨張過
程の初めにかけて燃焼は起こっている。この時間遅れにより効率が落ちる。
2. 燃焼室壁での熱損失
圧縮・膨張過程は、実際は断熱過程ではないため、熱が逃げ効率が落ちる。
3. ガス交換損失
オットーサイクルでは、ガス交換が下死点で行われることになっていたが、実際は膨張過程の終わりか
ら弁は開かれ、またガスの粘性により、外気圧より高い圧力で排気し、外気圧より低い圧力で吸気す
る。そのため、効率が落ちる。
4. 不完全燃焼
不完全燃焼により熱量が落ち、効率が落ちる。
5. 流動損失
ピストンの運動により渦ができ、これが損失となる。
6. 作動流体の漏洩
ピストンリングから作動流体の漏洩があり、効率が落ちる。
9
図 2 4 サイクル機関のガス交換損失
3 吸・排気
3.1 4 サイクル機関のガス交換損失
前章の最後に述べたガス交換損失について詳しくみる。ガス交換損失は図の斜線部にあたる。A が下死点に
なる前に弁を開いたことによる損失、B,C が排ガスを押し出すときの損失、D が燃料を入れるときの損失であ
る。この A を排気噴出損失、B+C を排気押出損失、D を吸気損失という。
弁を開くタイミングについて、これが早すぎたら排気噴出損失が大きくなり、遅すぎたら排気押出損失が大
きくなるのは図から明らかだろう。そのため、実際の機関ではこの和が最小になるようなタイミングを探して
使っている。
また、C+D をポンプ損失といい、ポンプ平均有効圧力が Pp =
(C+D) の面積
Vs
と定義される。
3.2 4 サイクル機関の容積効率
吸気時、様々な要因により燃焼室内の密度は低下する。そこで、次式で定義される容積効率が用いられる。
ηv =
Vf a
mf
=
Vs
ms
(6)
ここで Vf a , Vs , mf , ms はそれぞれ機関入り口状態における吸入新気の容積、行程容積、吸入新気の質量、入
り口状態で行程容積を占める新気の質量である。これは Vf a の関数であり、機関について定数とならないの
で、次式で定義される充填効率が用いられる。
ηc =
Vf 0
mf
=
Vs
ms0
(
)
P a T0
=
ηv
P 0 Ta
(7)
ただし Vf 0 , ms0 , Pa , Ta , P0 , T0 はそれぞれ標準状態における新気の容積、標準状態で行程容積を占める新気の
質量、機関入り口状態の圧力, 温度、標準状態の圧力, 温度である。
3.3 容積効率に及ぼす諸因子の影響
3.3.1 吸気管が無い場合
吸気終了時における燃焼室内ガスの質量 mz は次式で定義される。
mz =
(Vc + Vs )Ps
RTs
10
(8)
ただし、Ps , Ts , Vc はそれぞれ吸気行程終了時の燃焼室内ガスの圧力, 温度、隙間容積である。同様に吸入行程
開始時期における残留ガスの質量 mr は
mr =
Vc P r
RTr
(9)
である (文字の説明略)。新気の質量は mf = mz − mr 、ms =
ηv =
ε Ta P s
ε − 1 Ts P a
(
1−
P r Ts
εPs Tr
Vs Pa
RTa
)
'
より、圧縮比 ε を用いて
ε Ta Ps
ε − 1 Ts Pa
(10)
となる。ただしここで Ts ¿ Tr を用いた。よって ηv を高めるには Ps を Pa に近づけ Ts を Ta に近づけるこ
とが必要である。
また、吸気速度係数というものがある。
(
Ms =
up Ap
as Avs Cms
)
(11)
ここで up , as , Ap , Avs , Cms はそれぞれ平均ピストン速度、吸気弁部の音速、ピストン断面積、吸気弁の最
大開口面積、平均流量係数である。容積効率は吸気速度係数の一価関数となることが知られている。ηv は
Ms = 0.5 を閾値にして急激に減少する。
3.3.2 吸気管の影響
吸気行程で負圧が生じると、それが吸気管を圧力波として伝わり振動が起こる。これを脈動効果という。こ
の脈動効果のタイミングを捉えると ηv は増大する。また、吸気の流れができると、圧縮過程が始まっても少
しの間吸気できる。これを吸気の慣性効果といい、これも利用される。また、多気筒機関では吸気干渉もお
こる。
3.4 2 サイクル機関の掃気
3.4.1 掃気過程
2 サイクルエンジンでは吸気と排気を一度に行う (掃気) のため、この過程が効率に大きく影響する。ディー
ゼルでは空気を吸気するため燃料損失をすることはないが、ガソリンでは燃料まで捨てかねないのであまり使
われない。
3.4.2 掃気方法
1. 横断掃気
シリンダの横に吸気管と排気管を、シリンダの中心軸に対して丁度真逆につける方法 (ただし、排気管
を少し高めにつける)。この方法ではピストンの下降と共に先に排気管が開いて、次に吸気管が開く、
次に吸気管が閉じ、最後に排気管が閉じる。このように下死点に対して吸排気孔の開閉時期が対称なの
を対称排気という。吸気孔から入る流体の流れをピストン上方に向ける必要があるが、これを大型では
管の取り付け方向、小型ではピストンの上にそらせをつけることにより実現している。メリットとして
弁機構がなく構造が簡単、デメリットとして温度分布が非対称、素通りする新気が多い、掃気圧力のた
めピストンが排気孔側に押し付けられる等がある。
2. ループ排気
11
燃焼室内を新気がループする。二種類ある。一つ目は掃気孔の上に排気孔があり、二つ目はシュニュー
レ排気と呼ばれ、矢印型の流れ、つまり矢じりの両側から矢じりの先端へ空気が流れた後矢の棒方向に
空気が流れる。これも対称排気だが、横断掃気に比べ効率は高い。
3. ユニフロー排気
新気が燃焼室内を下から上へ一方方向に流れていく。弁がシリンダー上部に必要なことから構造は複雑
だが、非対称排気が行え、後吸気、過給を比較的容易に行える。また、掃気効率が高い。
3.4.3 掃気効率
mf :掃気後燃焼室内に存在する新気の質量、mr :掃気後燃焼室内に存在する残留ガスの質量、mz :掃気後燃焼
室内に存在する気体の全質量、mi :掃気に使用した新気の質量、ms :外気状態で行程容積を占める空気の質量、
と定義する。掃気効率は
ηs =
であり、気体中の新気の濃度。吸気効率は ηtr =
K=
mi
ms ,
L=
mi
mz
であり、その比 Cr =
K
L
mf
mz
mf
mi
(12)
で供給新気の使用率。吸気比及び修正吸気比は
を充てん比という。
3.4.4 基本的掃気過程
次の仮定を設ける。
1, 燃焼ガスと新気の性状は同一。2, 等温仮定。3,mz = ms 。
1. 完全層状排気
新気と燃焼ガスは完全に分離され、排ガスがすべて出るまで新気が流出することはない。
ηs = K, ηtr = 1 (0 ≤ K ≤ 1)
(13)
ηs = 1, ηtr = 1/K (1 ≤ K)
(14)
2. 完全混合掃気
燃焼室内の気体は全て一様、つまり新気は入った瞬間に全ての気体と混ざる。
dmf = dmi − ηs dmi = (1 − ηs )dmi = (1 − ηs )ms dK
dmf
= (1 − ηs )dK
mz
∴ ηs = 1 − e−K
1
ηtr = (1 − e−K )
K
dηs =
12
(15)
(16)
(17)
(18)
4 燃料 (範囲外)
4.1 内燃機関用燃料
主として石油系液体燃料が使われる。蒸留特性を調べるのに ASTM 蒸留法と平衡空気蒸留法が用いられる。
ASTM 蒸留装置は要するに枝付きフラスコの蒸留で、温度と留出量の関係をグラフに取る。これを ASTM 蒸
留曲線とよぶ。最初に留出し始めたときの温度を初留点、10% 留出したときの温度を ASTM10% 点と呼ぶ。
平衡空気蒸留法は難しいので、通常 ASTM が使われる。
4.2 火花点火機関用燃料
大体はガソリンである。レギュラ級とプレミアム級 (ハイオク) がある。ガソリンの性能尺度として重要な
ものは耐ノック性と揮発性である。耐ノック性は以上燃焼であるノックの起こりにくさであり、オクタン価で
示される。オクタン価のテストは CFR 機関と呼ばれるものを使う。まず被試験燃料をいれ、ノックが起こる
圧縮比を調べる。次にイソオクタンと正ヘプタンを混合し、同じ圧縮比でノックが起こり始める混合比を調べ
る。そのときのイソオクタンの百分率がオクタン価と呼ばれる。測定条件によりリサーチ法とモータ法があ
り、モータ法の方が条件が厳しい。前者で決定されるオクタン価が低速運転時のオクタン価であり、後者で決
定されるオクタン価が高速運転時のオクタン価となる。この差をセンシティビティという。これが小さいほう
がよい。また、走行時のオクタン価を調べる方法もある。
揮発性は例えば ASTM 蒸留曲線で示される。10% 点が低下するとエンジン始動性が向上するが蒸発損失が
大きくなる。またベーパロック現象がおこる。50% 点が低いと蒸発熱や空気の膨張により温度が下がり、水
分が氷結しだす。またパーコレーションが生じる。逆に 50% 点が高いと正常運転に達するまでに時間がかか
る。90% 点が高いと潤滑油とシリンダの劣化が激しく、出力が増加する。ASTM のほかにリード蒸気圧たる
ものもある。
また、ガソリンの他に注目される燃料としてエタノール・メタノール,MTBE がある。これらは欠点が多い。
対して、天然ガスはかなり実用的である。
4.3 圧縮点火機関用燃料
圧縮点火機関は軽油、重油が使われる。粘性、曇点、流動点、引火点、蒸留特性が問題とされる。
着火性についてはセタン価というものが使われる。オクタン価の試験と同様で、ノックが発火、イソオクタ
ンがセタン、正ヘプタンがヘプタメチルノナンに置き換わっている。また、セタン価の代わりにディーゼル価
も使われる。
4.4 ガスタービン用燃料
灯油、軽油、重油が使われる。燃料中にバナジウムが含まれるとタービン翼に付着するので、課題となる。
また航空用ガスタービンでは使用環境が低温低圧のため、その環境での特性が重要となる。
13
5 燃焼
5.1 燃焼の基礎
5.1.1 燃焼形態
まず予混合燃焼と拡散燃焼。前者は燃料と酸化剤 (空気) が予め混合されている、後者は高温酸化剤中に燃
料を吹き込み、酸化剤と接した瞬間から燃え出す。前者は火炎が伝播する燃焼で速やか、不輝炎 (すすが出な
い炎) で高温。後者はその逆。それぞれの火炎を予混合火炎、拡散火炎という。
次に乱流燃焼と層流燃焼。それぞれ乱流、層流中での燃焼。ほとんどの燃焼は乱流燃焼。
次に連続燃焼と間欠燃焼。前者が連続的で後者が断続的。一般的にタービンが前者でレシプロエンジンは
後者。
最後に均一燃焼と不均一燃焼。前者は酸化剤と燃料の相 (気体、液体等) が同じで、後者は異なる。ガソリ
ンの場合、燃料は気体になったあと酸化剤と反応するので、これは均一燃焼。
5.1.2 燃焼反応
高校の熱化学方程式の内容は略。
熱化学方程式で熱量を書かないものを総括反応式や化学量論式とよぶ。イオンその他分子の形態を取らず不
安定な中間生成物質を活性化学種とよぶ。安定物質から活性化学種が出来る反応を連鎖創始反応、活性化学種
が別の活性化学種に変わる反応を連鎖移動反応、活性化学種が増える反応を連鎖分子反応、化学活性種が気
相、表面で安定分子になる反応をそれぞれ気相停止反応、表面停止反応という。また、反応速度定数 k という
(
E
ものがあったが、これは k = f T n exp − RT
)
と記述される。(f :頻度因子、E:活性化エネルギー、R:気体定
数、T :温度。)
5.1.3 所要空気量と発熱量
燃料が燃料するのに化学的に必要な空気量を理論空気量、量論空気量という。また (燃料質量)/(空気質量)
を燃空比、理論空気量に相当する混合気の燃空比を理論燃空費、(燃空比)/(理論燃空費) を当量比という。ま
た、燃空比、理論燃空比、当量比の逆数をそれぞれ空燃比、理論空燃比、空気過剰率と呼ぶ。また、燃料が完
全燃焼して初期温度に戻るまでに発生する熱量を発熱量という。この定義の場合、発生した水は気体から液体
になるためその蒸発潜熱が含まれるが (高発熱量)、これを含めないものを低発熱量という。
5.1.4 燃焼温度と組成
混合気が断熱条件下で燃焼する場合の温度を断熱火炎温度と呼ぶ。希薄気体の場合、普通に熱量を比熱で割
れば温度上昇がわかるが、そうでない場合、温度と化学平衡の連立式を立てる必要がある。一般に、燃焼温度
は当量比が 1 から僅かに大きいところで極大となる。
5.2 可燃性混合気の燃焼
5.2.1 着火
燃焼反応が開始し持続する現象のことで、点火, 発火ともいう。自発着火と強制点火があり、前者は温度が
高くなって発火点に達したとき、後者は何らかの方法でエネルギーが与えられたときに起こる。
14
図3
炭化水素-空気混合気の着火限界
1. 自発着火
熱着火理論あるいは連鎖着火理論により説明される。前者は (熱の発生率) と (熱の放出率) から温度上
昇を求め着火を予測する。後者は燃焼の連鎖反応に基づき着火を予測する。
ある温度範囲では三つの着火限界が存在し、圧力が低い順にそれぞれ第 1,2,3 着火限界という。それぞ
れ連鎖分子反応と表面停止反応、連鎖分枝反応と気相停止反応、連鎖反応と気相停止反応の平衡点であ
り、1 から 2 と 3 以降が着火できる範囲となる。尚、第 3 着火限界が連鎖着火理論における臨界圧力と
なる。一般に着火は熱を伴い熱炎と呼ばれるが、低温の臨界圧力に接する形で 2 と 3 の間に冷炎が現れ
る領域もある。
混合気の着火遅れ (τ )(発火できる環境になって発火するまでの時間) は τ = KP m exp
(
E
RT
)
となる。
ただし、P :圧力,E:活性化エネルギー,R:気体定数,T :温度。
2. 強制点火
強制点火の方法として火花点火がよく用いられる。混合気を点火するのに最小な点火エネルギーを最小
点火エネルギーとよぶ (このエネルギーより低い場合、火種 (火炎核) は成長せずに消える)。これは大
体の場合当量比が 1 より少し高いところで極小になり、炭化水素では大体一定値 (ただし極小を取る当
量比はことなる) をとる。また、電極間隔は広いほうがこのエネルギーは小さく (狭いと火種への冷却
作用が増す)、電極間に燃料の風が通るのならば、最適な風速がある (遅いと電極から冷却され、早いと
火炎核の成長が困難となる)。可燃濃度の限界を可燃限界, 燃焼限界, 爆発限界と呼ぶ。濃い側の限界を
上限界, 薄い側の限界を下限界といい、両者の間を可燃範囲という。
3. 燃焼速度
強制点火では、まず小さな火炎核ができ、やがて伝播火炎へ成長する。固定座標から測定した伝播速度
を火炎伝播速度というが、これは燃料に流れがあると容易に変化する。そこで、火炎面に座標系を固定
したとき、未燃気体の火炎面法線方向の速度を燃焼速度といい、通常これを用いる。気体は、燃焼後大
体の場合、燃焼速度より早い速度で火炎面から出て行く。流動場が層流の場合層流燃焼速度といい、乱
流の場合乱流燃焼速度という。
層流燃焼速度は混合気の状態に固有の値である。当量比に関しては 1 より少し高いところで極大を取
(
る。圧力依存に関しては SuL = SuL0
P
P0
)β
で表される (SuL0 :P が P0 のときの層流燃焼速度)。温度
γ
に関しては SuL = K1 + K2 T で表される。
4. 火炎構造
15
図4
層流予混合火炎の構造
火炎帯の厚さは通常 1mm 程度で予熱帯 (燃焼の熱を受けて発火点まで温度が上がる領域) と反応帯 (燃
焼する領域) に分けられる。反応物質濃度は、予熱帯では温度上昇により、反応帯では温度上昇と反応
により、一貫して下がる。生成物質は生成は反応帯からだが、少し上流, つまり予熱帯へ拡散する。
乱流予混合火炎について。乱れが小さい場合層流火炎が波打つようになり、乱れが大きい場合既燃ガス
の中に未燃ガスが泡として入る状態となる。前者をしわ状層流火炎、後者を分散反応火炎といい、中間
を遷移火炎という。
火炎の発光は活性化学種に因り、反応領域で行われる。また、イオンも発生するが、これの高濃度領域
は火炎近傍であり、数は炭素数に依存する。
5. 火炎の安定化
火炎の安定について、これは混合気流速と燃焼速度分布が同じになれば実現される。前者が大きいと吹
き飛びがおき、後者が大きいと逆火が起こる。(グラフについて、何をいっているかさっぱりなので、今
度先生に聞いてみます。。)
6. 消炎
燃焼室壁面近傍では冷却作用に活性化学種の停止が加わり消炎が起こる。この領域を消炎領域、厚さを
消炎厚さと呼ぶ。未燃炭化水素はここから大部分が出る。この厚さは当量比が 1 より少し小さいところ
で極小となり、また圧力が上昇すると減少する。
5.3 火花点火機関における燃焼
5.3.1 混合気生成
燃焼は混合気に大きく左右される。燃料は液体なので、気化器を使う場合絞り弁や吸気管壁に液膜ができ
る。これは気流の 1/100 程度の速さなので、サイクル毎に燃焼室に入る液膜の量にばらつきが出てくる。こ
れが運転不調、有害ガス増加、各燃焼室への燃料の不等分配を引き起こす。また燃料噴射弁を使う場合もある
が、このときも液膜の問題は解消されない。
燃焼室内においても液膜の問題はある。圧縮過程において蒸発しなかった液体は機関の始動性の悪化、未燃
燃料を生み出す。一方、気相中の液滴は蒸気濃度、着火特性、火炎伝播、排気に影響する。
以上の問題は低温始動時に特に重要である。吸気管を温めれば液膜は減るだろうが、容積効率が落ちる。燃
料微細化が一番効果的。
16
5.3.2 燃料
燃焼には時間がかかるので、上死点で点火するのは間違っている。上死点で点火するとピストンが既に下
がっているときに圧力のピークがきて非効率であり、また、着火時期が早すぎるとピストンが上がってないの
に圧力が上がり、気体はピストンを押し戻す、つまり負の仕事をすることになる。加えて最高圧力温度が上が
り、熱損失が大きくなる。よって最適点火時期が存在する。同じ点火位置を選んでもサイクル毎に最高温度 ,
圧力を記録するクランク角度は異なる。これをサイクル変動と呼び、希薄混合気で激しい。
5.3.3 ノック
点火後燃焼とともに燃焼室内の圧力と温度が上がるが、それによりまだ火炎面が到達していない未燃燃料が
自着火する場合がある。これをノックという。これが起こると圧力波が生じ、熱損失が増大する。これは自着
火遅れを上げるか、火炎面が全域に到達する時間をあげるかで対処できるが、前者はハイオクを使う、圧縮
比、冷却液、吸気温度、点火時期遅れをそれぞれ下げることにより、後者は点火プラグ位置や燃焼室形状の改
良や乱流増加により実現される。
5.3.4 有害排出物
ブーム。CO は一酸化炭素中毒、HC は光化学スモッグ、NO,NO2 は中毒、光化学スモッグ、CO2 は温暖化、
すすは発がんが有害な理由として挙げられる。
CO は当量比をどんどん下げる、NO は主に高温で生成する (サーマル NO) ので当量比を上げるか下げる、
HC は当量比を 1 より少し下げることで量を下げられる。
5.3.5 希薄燃焼
要するに、希薄燃焼にすればよい。しかし、希薄にすると燃焼が不安定となる。この対処法に以下のものが
ある。
1. 均質希薄混合気燃焼
均質な混合気をつくり、燃焼させる。点火エネルギーを増やす、プラズマを使う等で点火させる。ま
た、小型噴流弁により空気または極希薄混合気を点火プラグの方向へ吸入し点火プラグ付近を掃気しな
がら強いスワール (燃焼室軸方向垂直な面内の渦) を形成する、副室内に点火プラグを配置し、副室か
らの噴流で主室内に乱れを作る方法、点火プラグを増やす方法がある。
2. 成層燃焼
点火プラグの近くだけ局所的に濃度を高めて火が付きやすくする方法。単室式では燃焼室内に燃料を直
接噴射し濃度勾配をつくる。作り方として、燃料を壁につたわせる、空気の流れを使う、直接プラグの
そばに噴射する等の方法がある。複室式では、副室の燃料を濃くしてそこで点火させ、その勢いで主室
の希薄燃料を燃やす。
5.4 圧縮点火機関
燃料は高温高圧の流動雰囲気場に噴射され、周囲気体を吸引しつつ噴霧として成長する。
17
図5
十分に発達したディーゼル噴霧
5.4.1 噴霧と混合気の生成
図の文字を説明する。A:常温高圧下の非蒸発噴霧の外形,B:高温高圧下の蒸発噴霧の外形, 主流域:液滴速度
が大きく単位体積当たりの粒数が多い密な噴霧中心部の領域, 混合流域:液滴速度が小さく単位体積当たりの
粒数が少ない主流域の周囲の領域で、周囲との間で拡散・混合が顕著に行われる領域,ls :混合流域の助走部長
さ (噴霧が減速しない領域),lc :混合流域の混合部長さ (助走部下流の噴霧と周囲気体との境界の乱れが著しい
領域),lp = ls + lc :貫通部長さ (噴霧の円錐形部分),ld :滞留部長さ,l = lp + ld :噴霧先端到達距離 (貫通度),li :可
視火炎発生距離,Ωs :噴霧円錐角,Ω:相当噴霧角,Ωv :可視噴霧角,Vs :相当噴霧体積 (l と Ω から計算する),us :噴霧
に吸引または押し分けられる速度。
また噴霧の微粒化は、粒径分布:微小範囲別の液滴の粒径の出現頻度分布、ザウタ平均粒径 (SMD):流径別の
液滴の体積の相和の表面積の相和に対する比、液滴密度分布:噴霧の単位体積中の燃料体積の分布で表される。
ls について、これは雰囲気の温度、圧力に依らず一定である。ピストンキャビティ (ピストンの上部の窪み
で、そこに燃料を噴出する) があると、燃料が壁に当たり重要である。また、噴出孔の総面積一定で孔数を増
やすと l は短くなる。時間変化について、l が小さければ時間に比例、l が大きくなると時間の平方根に比例す
る。雰囲気密度が同じなら蒸発時の l も非蒸発時と同じである。
可視噴霧角 Ωv と雰囲気温度 T0 について。低温では Ωv ' Ω(相当噴霧角)、高温では Ωv ' Ωs (噴霧円錐角)
にほぼ等しい。Ω, Ωs は雰囲気密度の指数乗の関数である。
ホール形ノズルによる噴霧の SMD(ザウタ平均粒形) は噴射速度に反比例、噴口径に比例する。噴霧外縁部
では内部より大きくなる。また、ピン形のほうがホール形より大きい。
液滴密度分布は燃料と空気の混合具合である。壁面衝突時、壁面上での液滴密度は非常に薄い。壁面衝突噴
18
霧の体積は自由噴霧の二倍にもなり得る、つまり空気をかなり取り込む。
燃料はかなりの高速で噴射されるため、雰囲気にしてみれば負圧で、貫通部では雰囲気が取り込まれ、かつ
せん断により拡散混合が進む。一方滞留部では逆である。
燃焼は空燃比が適当な位置にないと始まらない。この情報を得るにはシュリレーン投影法とエキサイプレッ
クス法がある。壁面上で液相は高々 2mm の厚さなのに対し、蒸気相が噴霧の大部分を占める。
5.4.2 着火遅れ
噴射後から自己着火までの時間である。これは混合後温度が上がり着火可能になるまでの物理遅れと化学反
応が進行し火炎が発生するまでの化学遅れに分けられる。(実際この二つは重なっている)。これを調べる方法
として、(1) 静止雰囲気をもつ定容燃焼器,(2) 周囲気体に流動を与える急速圧縮機,(3) 実際の機関 (実機) で高
温高圧にする。また、噴霧ではなく 1 3mm の単滴を使うことが多い。
単滴の粒径二乗の変化について、まず加熱により温度のみ変化、次に蒸発し時間に比例して粒径二乗が小さ
くなる、最後に燃焼して、時間に比例して粒径二乗が小さくなる。燃焼までの時間が物理遅れである。蒸発燃
焼のそれぞれの比例定数の絶対値をそれぞれ蒸発速度定数 Ce 、燃焼速度定数 Cd という。小型ディーゼル機
関用の軽油では雰囲気の圧力, 温度が上がると Ce が増えるが、温度が 1000K を超えるとき、または重油では
泡立ちが起き、直線関係が成立しなくなる。
定容燃焼器でのディーゼル噴霧の着火遅れは τhr :熱発生遅れ (熱発生開始までの時間)、τi :火炎発生遅れ (可
視火炎発生までの時間)、τp :圧力上昇遅れ (圧力上昇開始までの時間)。τph :物理遅れ (' τp )、τid :着火遅れ (燃
焼室内ガスの内部エネルギーが噴射開始前の状態に回復するまでの時間)、τch :化学遅れ (' τid − τph ) に分け
られる。τhr は誤差が大きく測定が困難なため、実機ではこれは τp の値を使う。
τi について、ここで雰囲気の酸素濃度 φ =(充填ガスの酸素のモル分率)/(空気の酸素のモル分率) を定義す
る。雰囲気圧力 p0 が 4MPa 以下ではこれは p0 , T0 , φ が増すと短くなる。しかし、p0 が 4MPa を超えると
T0 , φ の影響は残るものの p0 の影響はなくなる。これは着火遅れ全般にいえる。
C
着火遅れは τ = Apn
0 φ exp(B/T0 ) で表される。A, n, C, B は実験定数である。B は見かけの活性化エネル
C
ギー、pn
0 φ は燃料と周囲気体中の酸素の分子同士が衝突する確率に関係する。
実機では定容燃焼器と状況がかなり異なるが、燃料噴射ノズル, 圧力, 燃料量, シリンダ内空気流れなどは着
火遅れにほぼ影響を及ぼさない。ただし、噴射圧力は 100MPa を超えると関係してくる。つまり、着火遅れ
は p0 , T0 , φ(それと燃料のセタン価) でほぼ決定される。
他に着火遅れは li が関連する。li は l, lp に比例し p0 に反比例するが、温度は関係ない。全噴口面積, 燃料
噴射圧一定なら噴口数が増えると li は短くなる。
5.4.3 燃焼特性
ディーゼル噴霧火炎の基本的形態は単液の燃焼である。火炎は常温では青みがかり球形に近いが、 p0 が増
すと揺らぎ細長くなり、色調は黄色、黒煙の発生が著しくなる。定容燃焼器でのディーゼル噴霧の燃焼は次の
ように分類される。
1. 拡散火炎形燃焼
高圧高温、火炎発生遅れが 5.5ms 以下のとき。最初の火炎は輝度が高くその後噴霧外縁に形成された予
混合気に近い混合気に沿って火炎が成長、火炎が噴霧先端に追いつくと拡散火炎の燃焼が行われ、噴射
終了後噴霧の崩壊に応じた燃焼となる。(詳しくは図。)
19
図6
熱発生率の経過とディーゼル噴霧の燃焼過程の関連
2. 予混合火炎形燃焼
低圧高温、火炎発生遅れが 5.5 12ms のとき。ガソリンエンジンのように火炎面がドーナッツ状に広
がっていく。
3. 火炎核燃焼
高圧低温のとき。輝度の低い輝点として火炎が発生する。火炎の発達はない。
4. 前半火炎核燃焼
低圧低温のとき。前半は火炎核燃焼で後半は予混合火炎形燃焼
5. 遷移燃焼
1,2,3 の形態が遷移的に現れる。
1,3 は温度差 10K、3,4 は空燃比で 30 である。また、圧縮点火機関では 1 が通常、2,4 は始動時、3 は冷始動
時の燃焼である。
圧縮点火機関の燃焼状況は次の熱発生率で考察される。
dT
dv dQw
dQ
= Cv
+p
+
dθ
dθ
dθ
dθ
(19)
Cv :定容比熱、T :シリンダ内ガス温度、p:シリンダ内圧力、v:シリンダ内容積、dQw :シリンダ壁を通じての熱
移動、θ:クランク角度である。また d(Q − Qw )/dθ を見かけの熱発生率という。
5.4.4 ディーゼルノック
圧縮点火機関では、着火遅れ期間中に生じた予混合気が着火された時に一気に燃えるため、これがあまりに
大きいとノックがおこる。これをディーゼルノックという。着火遅れは基本的に定数だが、燃料噴射期間と回
転数は反比例するため、クランク角度を基準に考えると回転数が増すと着火遅れが長くなり、ノックが起こり
20
やすくなる。これはガソリンエンジンと真逆であり、対処法も真逆になる。
21
6 伝熱と冷却
図7
内燃機関の熱勘定
6.1 熱移動 (範囲外)
異物体間や物体間を熱が伝わるとき、その量は温度差に比例する。比例係数を熱伝達率という。熱伝達率は
係数と面積または係数と長さの積として表される。
燃焼室からシリンダー外部の冷却媒質へ熱が伝わるとき、燃焼室ガスからシリンダーに伝わる熱、シリン
ダー内を伝わる熱、シリンダーから冷却媒質へ伝わる熱を考えなければならない。特に燃焼室ガスからシリン
ダーに伝わる熱については熱伝達係数の式が様々提案されている。
ピストンの温度分布について。火花点火より圧縮点火のほうが全体的に高い。またピストントップの表面温
度が一番高い。ただし、火炎温度は 2200K 程度なのに対して、ピストンは 500K 程度にしか上がらない。
6.2 冷却法
ポイントは二つ。
1. 機関の高温部を一様に冷却する (熱応力による破損を防ぐ)。
2. 冷却により機関性能を低下させない (エネルギーを出来るだけ仕事に回す)。
22
6.2.1 水冷方式
図8
水冷方式
図のとおり。サーモスタットは機関壁に触れてきた冷却水の温度をはかり、温度が低かったら抵抗が大きい
ラジエータをバイパスさせる役目を持つ。尚、図のように壁に直接冷却水を触れさせる方法は湿式といい、間
に何かをはさむのを乾式という。冷却水は機関で熱を受け取り、ラジエータで空気へ熱を逃がす、つまり一部
空冷式を取り入れている。
23
6.2.2 空冷方式
図9
空冷方式
図のように、エンジン外壁を直接空冷する。エンジンには冷却フィンが付いていて、熱交換可能な面積を稼
いでいる。長所と短所は
1. 外気温度に対して鈍感である。
2. 暖気に要する時間が短い
3. ラジエータ, 冷却水ポンプが不要のため, 機関の軽量化が可能である。
4. 機関騒音が高い。
5. シリンダとシリンダヘッドの変形が起こりやすい。
冷却フィンの温度分布は cosh を使い表される。
24
7 往復動式内燃機関の力学
7.1 ピストンクランク機構の運動
図 10 ピストンクランク機構
λ=
l
r
À 1 とする。このとき次式が成り立つ。
1
(1 − cos 2θ))
4λ
1
v = ωr(sin θ +
sin 2θ)
2λ
2πn
(n : rpm)
vmax = ωr, ω =
60
sn
vm =
(平均速度)
30
1
a = ω 2 r(cos θ + cos 2θ)
λ
x = r((1 − cos θ) +
図 11
ピストン変位・速度・加速度
以下、2 つの慣性力を見る。
25
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
7.1.1 往復慣性力
往復運動をする物体の慣性力 (速度変化をするためにかかる力)。主にピストンだが、連接棒も一部は往復運
動となる。そこで、簡単なモデルでは図のような置き換えをして、ピストン側の球を往復慣性力に入れる。こ
の合計質量を mp とすると、力 Fi は
Fi = −mp ω 2 r(cos θ +
1
cos 2θ)
λ
(25)
一つ目の項を 1 次慣性力、二つ目の項を 2 次慣性力という。この比率はおおよそ 4 : 1 である。
図 12 連接棒の等価質量
7.1.2 回転運動の慣性力
図 13 クランク軸の等価質量
つまり遠心力。回転質量 mc としてクランクピン質量を mcp , クランク腕の回転半径 r に対する等価質量を
mca , その重心半径を rca , 連接棒の大端部等価質量を ml2 とすると
mc = mcp + 2mca rca /r + ml2
2
Fc = rω mc
26
(26)
(27)
となる。
7.2 単シリンダ機関の慣性力と平行
エンジンを動かすに当たり、慣性力と慣性力から生じるモーメントは、打ち消さないと激しく振動すること
になる。そのため、図のような重りが付けられる。
図 14 クランク軸のつり合い重り
これは rmc = 2rcw mcw が成り立てば回転慣性力は完全に打ち消せるが、往復慣性力は打ち消せない。そこ
で通常は重りを重めにする。
7.3 多シリンダ機関の慣性力と平衡
重りをつけても完全な打ち消しにはならないが、エンジンを複数個つければ、完全な打ち消しが出来る。(編
者注:前半の「直列」で、シリンダ自体はまっすぐ一列に並んでいます。クランクに位相差があるだけです。)
7.3.1 直列 2 シリンダ機関
図 15
直列 2 シリンダ
図のように同じ側に配置するのと反対側に配置するのの二種類ある。前者は重りが無ければ慣性力が 2 倍に
なり不便。後者は重りが無ければ 1 次慣性力は打ち消せるが 2 次が 2 倍になり、またモーメントが発生する。
ともに重りで調整する。
4 stroke の場合、位相差として前者は等間隔で推力を出せるが、後者は半分の期間に 2 回出し、もう半分の
27
機関は休み、というように推力の出すタイミングが不均一になる。しかしそれでも大体の場合後者しか使われ
ない。
7.3.2 直列 4 シリンダ機関
図 16
直列 4 シリンダ
よく使われる。二次慣性力は 4 倍だが、一次慣性力とモーメントは無く、トルクは 180 度おきに発生する。
いい機関。
7.3.3 直列 6 シリンダ機関
図 17
直列 6 シリンダ
一次慣性力, 二次慣性力, モーメントは全て無く、トルクは 120 度おきに発生する。完璧な機関。しかし、大
きい。
7.3.4 V 型 6 シリンダ機関
シリンダを 60 度位相差がある 2 列にして、出力軸方向を短くした機関。1,2 次慣性力は無いが、モーメン
トがでてくる。
7.3.5 V 型 8 シリンダ機関
シリンダを 90 度位相差がある 2 列にした機関。同じくモーメントのみでてくるが、これは重りで消去可能
である。
28
7.4 トルク発生機構
図 18
トルク発生機構
シリンダにかかる力は慣性力 Fi とガス圧 Fg の和であるので
F1 = p
である。連接棒にかかる力 F2 は F2 =
md2
1
− mp ω 2 r(cos θ + cos 2θ)
4
λ
F1
cos φ
(28)
であり、これのクランク腕に垂直な力 F3 は F3 = F2 sin(φ + θ)
である。つまりトルク T = F3 r は
(
cos θ
T = rF1 sin θ 1 + √
λ2 − sin2 θ
29
)
(29)
7.5 トルク変動
図 19 ピストン推力とトルク変化
左の低速回転では慣性力は問題にならないが、右の高速回転では慣性力がかなり影響してくる。このトルク
変化のため、ほとんどの場合はずみ車、つまり慣性モーメントが大きいものが軸にはつけられ、トルクの変化
により回転数が大きく変化しないようにしている。また、速度変動率は最大角速度と最小角速度の差を平均角
速度で割ったものとして定義される。
7.6 クランク軸のねじり振動 (範囲外)
弾性力学もしていないので詳細は略す。シャフトが長くなってくるとこの固有振動数が増してくるので、ト
ルク発生時期とこれが共鳴すると危険である。
30
8 潤滑 (範囲外)
8.1 潤滑の基礎
h − hm
dp
= 6µU
dx
h3
(30)
が基礎方程式。負荷能力は p の積分値であり、粘度、すべり速度、すべり面長さが大きく、潤滑油膜が薄いほ
ど能力は高い。また、摩擦力を小さくするにはこの全く逆のことをする必要がある。
8.2 潤滑油
粘土による分類が多い。詳細は略す。
8.3 潤滑機構
オイルパンからトロコイドポンプ等で組み上げられ各部へ送られる。
潤滑油は、すべり面が小さい、高温高負荷、熱の通り道だが量は少なく冷却されにくい、速度がどんどん変
動する、排ガスに触れる等過酷な条件で動作している。また、ピストンリングにはプレッシャーリング (圧力
を保つリング) とオイルリング (潤滑油を供給するリング) がある。
軸受について。大体は平軸受であり、回転部としては異物が混入してもそれを取り込み平らな面に戻す機能
や、軸を傷つけないために柔らかい素材が利用される。表面素材としては、ホワイトメタル (Sn,Pb の合金。
非焼き付き性、なじみ性、異物の埋没性に優れるが耐疲労性、荷重容量に劣る)、ケルメットメタル (Cu-Pb の
混合体、荷重量量が大きく耐久性があるが、熱膨張率が大きく、なじみ性、埋没性に劣る)、トリメタル (ケル
メットにホワイトをメッキ)、アルミ合金メタル (Al。なじみ性、埋没性は若干小さいがそれ以外はよい) など
がある。
転がり軸受について。玉軸受け、円筒ころ軸受、針状ころ軸受などがある。航空機以外内燃機関では用いら
れない。
31
9 火花点火機関
9.1 火花点火機関の性能
9.1.1 性能試験
図 20 ユンカース型水動力計
図のような装置を使う。軸トルクは Te = F r であり、軸出力 (正味出力) は Le =
2πTe N
1000×60 (kW)
であ
る。正味平均有効圧力 Pe は Pe Ve z/i = 2πTe の関係から出てくる (Ve :行程容積,z:シリンダ数,i:2stroke な
ら 1,4stroke なら 2)。つまり、Pe は Te の定数倍であり, それに N はかかわらない。正味燃料消費率 be は
3600m˙f
(g/kW·h) (ṁf :燃料消費量
Le
3.6×106
ηe = be Hl で表される。
be =
は
(g/s)) で表され、燃料の低発熱量を Hl (kJ/kg) とすれば正味熱効率
図 21
火花点火機関の性能曲線
図は N と Te , Le , be の関係。エンジンは中速域で最大トルクになるよう設計されている (トルクの変化は容
積効率の変化である)。トルクに N がかけられる Le はトルクに比べて高い N で最大値をとる。Le の逆数に
比例する be は大体 Te が最大のときに最小値をとる。
他に、圧縮比を高くすればするほど Pe は増え (オットーサイクルの式より当然)、be は下がる。しかし、
ノッキングによる限界はある。また、空燃比によっても Pe は変化する。少し燃料が過剰な方が Pe は高い。
また、点火時期によっても Pe は変化する。空燃比が高い方が、Pe 最大を与える点火時期は早い (空燃比が高
いと燃焼速度が遅いため)。これは回転速度にも依存するため、現在は電子制御で点火時期が決められる。
32
9.2 機関の基本構造
9.2.1 4 サイクル機関
シリンダブロック・クランクケース部, ピストン・クランク系, 動弁機構, 燃焼室を含むシリンダヘッド部, 補
機類から構成される。
■シリンダブロック・クランクケース
機関本体の基礎。耐摩耗性, 耐腐食性が要求され、冷却にも配慮が必
要。軽量コンパクトでもなければならない。最近では軽量を重視しアルミ合金が多く、耐摩耗性がシリンダラ
イナでカバーされる。
■燃焼室
図のようなものがある。容積効率向上, 高圧縮比, 低 S/V 比, 流動促進, 小型軽量, コスト低などが
要求される。
(a) のくさび型は吸排気ポートが片側に配置されている。小型化に有利だが点火プラグ位置より火炎伝播距
離が長く、吸排気が対向流なので容積効率向上が困難。
(b) の半球型は吸排気ポートが両側に配置されている。吸排気が横断流で弁径も大きくできるので容積効率
が大きく、また火炎伝播距離が短く S/V 比も小さいが、大きい。
(c) の多球型は吸排気弁とプラグまわりが個別の球面となっている。容積効率は大きいが S/V 比は大きい。
(d) の屋根型は家屋の屋根のような平面上に吸排気弁があり、(c) に似ている。(c) より小型化できる。
(e) の L 型は現在ではほとんど使われていない。
可変圧縮比
燃料, 運転状態に合わせて適切な圧縮比を調整しようというもの。図のような機構で行われる。
現在のところ実用化されていない。
■動弁系
33
図 22
燃焼室形状
34
図 23
可変圧縮比
35
図 24 動弁系
図 25
可変動弁系
慨形は図のとおり。弁の開閉はカムによるが、これはクランク軸の半分の各速度で回る必要があり、タイミ
ングギアで調整される。また、容積効率の関係で吸気弁が排気弁より大きい。
(a) のロッカアーム型は 1 本のカム軸によりロッカアームで 2 つの弁が開閉される。高速になるとロッカ
アームの慣性力が問題となる。尚、油圧式バルブリフタとは、油圧でカムと弁の間を常に開けないようにする
装置。single overhead camshaft、SOHC 型とも呼ばれる。
(b) の直動式は 2 本のカム軸で動く。大きくなるが往復動慣性力が小さく高速化に便利。DOHC 型とも呼
ばれる。
(c) の押し棒式は現在ではほぼ使われない。往復動慣性力が大きい。OHV とも呼ばれる。
(d) の則弁式 (SV) は L 型燃焼室用の装置。
弁と流動
弁の形状を工夫して、スワールやタンブルを生み出す方法がある。
可変動弁系
三段可変動弁系と連続可変動弁系がある。三段可変動弁系は一本のカム軸に複数のカムをつけ、
運転状態に合わせてカムを変えリフト (弁押込長) や位相、開閉時間を変える。連続可変動弁系は DC モータ
を用いてカムとバルブの相対位置を変化させ、リフトを調整する。
電磁駆動動弁系 カムを使わずに、電気で動作させようというもの。ソレノイドでバルブを開閉する。音、大
きさ、コストの面で問題がある。
■ピストン・クランク系 図 26
ピストンの構造
36
図 27
連接棒, クランクシャフトの構造
図のとおり。要求として軽量化、剛性がある。
9.2.2 2 サイクル系 (範囲外)
大体シュニューレ掃気が採用される。クランク室内への吸入は、ピストンの位置移動に頼るもの、リード弁
を使うものなどがある。クランクの軸受けには玉軸受けが使われ、潤滑油供給にも、様々な方法がある。
9.3 補機
9.3.1 混合気の生成 (範囲外)
■気化器
従来主流だった。構造は先述。低流量のときも流量を保ったり等、様々な工夫がされる。
■燃料噴射装置 最近多用される。コンピュータ信号により燃料流量を調節する。
9.3.2 点火装置
■電流遮断装置 コンデンサーに電流を流している状態から突然電流を断つと、コイルに大電圧がかかる。そ
れをコイルで増幅し、絶縁破壊を起こして火花を起こす。エネルギーはコイルが持つエネルギーである。電圧
のパルスは、後者の容量放電式に比べると大きく、高速には向かないが、エネルギーを大きくできる。
37
図 28
電流遮断式点火装置
■容量放電式点火装置 充電していたコンデンサの極板を突然短絡して高電流を流すもの。これもコイルで増
幅される。CDI 方式と呼ばれ、エネルギーはコンデンサーのエネルギーである。電圧パルスは鋭い。放電時
間は短く、最近の希薄燃焼には向かない。
図 29
■マグネト式点火装置 (範囲外)
容量放電式点火装置
磁石式交流発電機を電源とし、発電機コイルに 2 次コイルを加えて点火コイ
ルを構成する。
■点火プラグ
中心電極, 接地電極及びそれを隔てるセラミックスの絶縁体で構成される。両電極は消耗が遅
いニッケル合金が使われる。火花放電電圧はパッシェンの法則、つまり圧力と火花間隙の積の 1 価関数として
表されることが知られている。
38
図 30
■消音器 (範囲外)
点火プラグ
膨脹型, 抵抗型, 共鳴型, 吸収型, 干渉型などさまざまあり、それぞれ長短が存在する。実
機は、これらを組み合わせている。
9.4 排気ガスの浄化対策
CO,HC,NOx,CO2 が問題となる。
9.4.1 燃焼時の対策
CO2 の対策は、そのまま機関性能向上を意味する。また、燃料を天然ガスやアルコールにする方法も考えら
れている。
CO は希薄燃焼の場合問題ない。
HC は希薄燃焼の場合発火失敗やクエンチング、つまり温度が低い壁面近くで燃えることができなかったこ
とで未燃気体が生まれ、放出されることが原因である。また、ピストンの隙間からクランクケースへ抜けるブ
ローバイガスというものもあり、これは吸気系へ導くことで処理される。
NOx は機関性能が落ちないと量は減らせない。主な対処法として EGR、つまり排ガスを吸気系へ導き、燃
焼温度を下げることで NOx を下げる方法があるが、これは同時に機関性能を落とす。
39
図 31 EGR
9.4.2 後処理
主流は三元触媒、つまり Pt,Pd,Rh の合金で、NO を還元、HC,CO を参加する。しかしこれは図のように
当量比付近の極近くでしか作用することができない。特に、希薄燃焼が主流の最近ではこの方法では NOx の
還元がかなり難しい。そこで、通常は NOx を触媒上の硝酸銀に吸着させておいて、時々過濃空燃比排気のス
パイクをおくり、その間に貯めた NOx を除去する、という方法がある。この方法は過濃空燃比の燃料を時々
つくるため、燃費が悪い。
図 32
三元触媒の浄化特性
40