Title Author(s) Citation Issue Date URL クランク室圧縮形二サイクル機関の掃気 : 吸気管系内の圧力波形と給気比について田中, 義弘; 浜崎, 和則; 石神, 重男鹿児島大学工学部研究報告, 13: 9-15 1971-09-30 http://hdl.handle.net/10232/11178 http://ir.kagoshima-u.ac.jp クランク室圧縮形二サイクル機関の掃気（吸気管系内の圧力波形と給気比について）田中義弘＊・浜崎和則*＊・石神重男**＊（受理昭和46年５月３１日）ＳＣＡＶＥＮＧＩＮＧＯＦＴＨＥＣＲＡＮＫＣＡＳＥＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮＴＹＰＥＴＷＯＳＴＲＯＫＥＣＹＣＬＥＥＮＧＩＮＥ（ O n t h e P r e s s u r e W a v e o f t h e S u c t i o n P i p e S y s t e m a n d t h e D e l i v e r y R a t i o ）ＹｏｓｈｉｈｉｒｏＴＡＮＡＫＡ,KazunoriHAMASAKI，ａｎｄＳｈｉｇｅｏｌＳＨＩＧＡＭＩ E x c e p t e x h a u s t s y s t e m ， t h e i n H u e n c e s o f t h e s u c t i o n p i p e l e n g t h , c r a n k c a s e v o l u m e a n d e n g i n e s p e e d u p o n d e l i v e r y r a t i o i n c r a n k c a s e c o m p r e s s i o n t y p e t w o s t r o k e c y c l e e n g i n e w e r e s t u d i e d ， A s r e s u l t ，ｅｎｇｉｎｅｓｐｅｅｄｔｈａｔｇｉｖｅｎｔｈｅｐｅａｋｉｎｔｈｅｄｅｌｉｖｅｒｙｒａｔｉｏｃｕｒｖｅｉｓａｂｌｅｔｏｂｅ c a l c u l a t e d asfollows：１．OnlyinertiaefIbct：恥 = 志･ｅ識 ' ｡ 6 ０．２２． I n e r t i a e 錐 c t a n d p u l s a t i o n e H 1 e c t ： ’ ･ w c n g … c e d ：鵬 , = 可告｡，識 " “ ( " ｆｑ５） Where〃＝０，１，２，．.…． h i g h e n g i n 愚 s p 露 d : j V r 画 = 志･･論 " ･ 6 0 ( ÷ ） where恥'＝１，２，３，．．．．．．１．緒言クル機関の給気比は吸気・排気系中の気中の二サイクル機関の給気比は吸気・排気系中の気中の ‘慣性効果。脈動効果に左右されることが知られている長，回転数を変えたばあいの給気比，吸気管内およびクランク室内圧力変化をしらべ，給気比との関係について検討したものである．このさいクランク室容積の変化の影響も加えて検討した．が，特にクランク室圧縮形二サイクル機関のぱあいその影響が大きい．これらについて最近いくつかの研究')2)3)4)がなされており，筆者らも今までにクランク室容積の影響5)，掃気流入抵抗の影響6）などについて解明してきたがなお不明な点が多い．本研究はクランク室圧縮形二サイクル機関の吸気管＊鹿児島大学工学部機械工学第二学教室・助教授＊＊鹿児島大学工学部機械工学第二学教室・助手鹿児島大学工学部機械工学第二学教室・教授＊＊＊２．実験装置および実験方法実験装置の概略を図１にしめす．供試機関はシュニーレ掃気式クランク室圧縮形二サイクル機関で，シリンダ直径８０ｍｍ，行程100ｍｍ，ポート開閉時期は図２，機関原形のクランク室圧縮比は１．４０６である．鹿児島大学工学部研究報告第13号 1 ０ｰ可Ｉ鋲脅制１ ’ ,' ササ一ジタンク２Ｉ・管三器変速機齢崎・一証劃，シ，雑い ← ルー、ブロワ図１実験装置概略図めすピックアップを試作して使用した．吸気量は四分ＴＤ､Ｃ ∼錘円ノズル，回転数はディジタルカウンタで測定し，実 ‘験は機関をモータリング運転して行なった．使用した記号はＫ：給気比，Ｌ：吸気管実長ｍｍ， Ls：吸気管とクランク室を一体とした振動系の相当管長（一端閉管）ｍｍ,Ⅳ:毎分回転数，β：クランク角，０：クランク角であらわしたある期間,Ｐ:圧力ｋg/cm2 atg.,晩：クランク室容積を変化するための付加容積 cc,α:吸気管内音速、/s,、：慣性次数である．サフイックスは１０：吸気孔開時，ＩＣ：吸気孔閉時，ＳＩＣ：吸０気孔閉時の吸気孔直前の状態，Ｃｍ：吸気孔閉時のクランク室内の状態，＊:吸気孔開閉についての有効角に対応する値である．Ｌｓは吸気管系を長さＬ,断面積Ｆ,吸気孔開口期間ＢＤＣ図２ポート開閉時期吸気管一クランク室系の効果のみを明らかにするため，排気孔は盲蓋をしシリンダヘッドをはずしてこの部を行程容積の約600倍の容積のサージタンク１に接続した．タンク内圧力はタンクに続く管，ルーッブロヮ，バイパス弁等の系路によって実験中常に大気圧に保った．吸気孔直前の吸気管内圧力およびクランク室内圧力測定ピックアップは市販指圧器では取り付け接続管内の脈動圧力を混入しやすいので新たに図３にしのクランク室平均容積脇…の系とし音響インピーダンスの考えを入れて次式から算出される． F c o t ( 去添 ) 塁器空 = 0 … … … … … … ( ' ）Ｌ‘=芋………………………(2) ただしＬｅ：等価管長（原系と振動数の等しい両端閉管の長さ）実験範囲はⅣ＝400∼2000rpm,Ｌ＝700,1000,1400 ｍｍ,原機関の吸気孔閉時のクランク室容積＝1574cc，庇＝0,500,1500ｃｃである．田中・浜崎・石神：クランク室圧縮形二サイクル機関の掃気篭--18＃ ’ → 1 １鍾一錘アスピレータヘ接続 ↑ 睡日． ′ ￨士 h L = F # Ｉしアラルダイト −３６− 参ゴム栓一ｐ、曙Ｏ侭９同ＰＯ篭-16＃一封撚隔縄 : 瀞伶■白⑲ （︽・へへへ一一・一一ス一一一﹀ ↑ '・色訣い●■ﾛＩ室身１１へごタヘ■ずトレインゲージろう葛 i鋤頚Ｉ ↓ 篭、綱綴一べ綱順副３試作指圧器の詳細図て，他の山は脈動効果によって生じたものである．ま３．実験結果とその検討た吸気管長が短かく左るほどＫｈ,1ｘを生ずる回転数は（１）給気比と回転数との関係．高速側に移動することがわかる．尻のことなる曲線吸気管長を一定にし，クランク室付加容積をパラを比べてみるとＫｔｕ肌衷を与える回転数は庇が大きくメータとしたときの給気比と回転数の関係を図４，図なるほどいくらか低速側に移動している．しかし曲線５，図６にしめす．この結果は排気系の影響を含まを全体の形は庇が変ってもさほど変化していない．特いものである．給気比は回転数の変化とともに大幅ににＫ血ａｘ点以外の給気比の山はｙｃが変化してもほぼ変化し，いくつかの山をもった曲線とたる．この中一定の回転数のところに生じている．このことは前者でＫｈ,ａｘを与える山は吸気系内気柱の慣性効果によっが吸気管とクランク室を一体とした振動系の振動従っ１．２ニー攻＝１．０ 1.2 １．０超二﹃賑如朱 > i Q ヅ０６︼廻卦賑如隼ｉ８６０４０︲０、）８０００盲一４節卿Ｌ＝997ｍｍ ⑯Ｖｃ＝Ocd yc＝500CC XV ０．２、 0.2 ' … ；４００８００１２００１６００回転数ｒｐｍ図４回転数と給気比の関係ＧＶＣ＝1500cｃ一戸 2000 、 ‘.･400 p ③ 図５８００…・１２００．１６００回転数ｒｐｍ回転数と給気比の関係 2000 １．０８６０増０型﹃眼繁 1.0 ６０遷量砿認８０八、ｃｍ Ⅲ Ｃ八ｃＵ ⅢＣｌｌｌｌｃｃＣＣｃ 1403ｍｍ : ＯＣＣ ;500CC ｃ 0.2 ｎＯｃ︵Ｕ︵Ｕ︿ＵＣハＵ戸、 ●× ｘ③ ヴ辿弐﹃﹃﹃ＬｙＶＶ 0.4 １︿１．２ 1.2 ０．４畔ﾛ０．２ﾛ _ I ‐ 一８００１２００１６００ 400 、、、刀Ｉ 2000 −０回転数rpm・図６蟻イーーー給気比Ｋ −００第13号４０６１２０８０４０２２１０００鼻。﹃・閏０００鹿児島大学工学部研究報告 1 ２八「１･UＵ−ＩｍＯ 1600 2000 回転数ｒｐｍ回転数と給気比の関係図８回転数に対する給気比とＰ*ＣＩＣとの関係て慣性効果，後者は吸気管内のみの振動従って脈動効果に起因するものと判断される．以下晩を一定とし，吸気管長をパラメータとし主として給気比と回転し，特にＰ*ＣＩＣの増減に比例することが明らかである．（３）給気比を大きくする』V》Ｌ,ylcの条件について．数との関係に着目して検討した．（２）給気比とＰ*ＳＩＣ,Ｐ*oroの関係．（i）給気比Ｋと慣性次数ｍについて．鹿を一定，ＬをパラメータとしたときのⅣとＫ，岡4)は吸気孔が開いて，その時発進した圧力波が往Ｐ*szo,Ⅳと亜Ｐ*ozoの関係例を図７，図８にしめ復し吸気孔が開いている期間に何周期かえってきたかす。給気比増減の傾向はＰ*Ｓｍ,Ｐ*croの増減と対応を表わす数ｍを慣性次数と名づけ次式で与えた． o ｒ１‘ 、、､ 8 卜０､ 1 ６ｎＵ抄。００堵廻﹃娠如帳､ 6 1 卜､ 1 ２蛍 , ４卜２卜０､、詞雪 ■ＬＪＬｊ 0 ４ロ､０ ‘ １1 ０８ −０､Ｖｃ＝:Oｃ。× 。０幻虹｡Ｕ生ただしシ,：吸気系気柱の自由振動数，この式をＬｓで書きかえるとａｅｒｏ今r0.-回且…………………(4) 、＝五丁・３６０Ⅳ この式を利用して本実験の結果を整理したのが図９であり，Ｋｍａｘは、＝0.5付近に生ずることがわかる。三宅ら7)は吸気孔の有効開時と同時にクランク室内の負圧が作用して吸気孔に負圧波が発生し，これが吸ＬＬ 0 1 ・ −０ｍ＝ｅ器｡｡÷…………………………(3) ｡可、曲＆」､』気孔開後吸気管，クランク室を含めた自由振動系として振動し，その自由振動は１/２周期経過後に正圧の最 2 2 言誤り、「 ---給気比1W M１ −０ .12ｰＬ 00 16０ 00 ０ＺＵＵ20 １２００１６Ｕ ,１２００回転数ｒｐｍ図７回転数に対する給気比とＰ*Ｓｍとの関係大値と左り，この時期が吸気孔の有効閉時期に同調すれば圧力波を有効に利用することにより給気比の最大値を与えると考え，その時の回転数Zvrを次式で与えた． N i = 壷 ‘ ･｡論 " ･ 6 0 2 … … … … … … … … ( 5 ) 田中・浜崎・石神：クランク室圧縮形二サイクル機関の掃気 1 ３ 1 1.1. 1 - Ｖｃ＝０cｃ１画０0 1 . 鰍０．９唱雪聴狸 0 .8 ０ . ［０ 0 ‘ ７ .7 ６０．６亨養ご、Ｏ−Ｌ＝703mｍｘ−Ｌ＝997mｍ１辿』１1 ５０．５０．４ 0 . 4 ０．３Ｌ 0 ＯＵ ’ 判４ △ . 3 L 一 ’ １１ 0.2０万００．U、１１０．．２０．３0 ０.．4４５．０６．０６７８００．００．．５０．０７．００．．８．９１９．１．００１１．．１１ ‘慣性次数沈図９慣性次数と給気比の関係式中の０*ＩＣ→ＩＣは吸気孔の有効開期間角である. 図のごとき曲線とをったものとみられる．このことか岡の式(4)ではeIo→ＩＣをとっているが，実際問題としてはｅ*r０．ｍをとって計算すべきもので，したがって以下すべて有効角で考えてゆくことにする．有ら吸気管内に残存する前サイクルからの脈動波が吸気孔の有効開時期にいかをる位相であるかがＫの値を効角は指圧線図から求めることができる． (4)式のⅣに(5)式のZVrを入れるとＫｍａ粟を与え論ずる上に重要であることをしめすものである．（A)図１１の(a)(c)のぱあい．これらのぱあい良好な給気比を与えているが，（a)，るときの慣性次数として、＝0.5が算出される．この (c)図をみると吸気孔が開く時期β*ｚｏに吸気管内脈動値は図９にしめした本実験の結果とよく一致した．波の負の波が到達している．すなわち吸気孔が開いた（ii）吸気孔直前の圧力波形とＫの関係．Ｌ＝997ｍｍとして回転数を５０回転ピッチで変え， jV-K関係を詳細にしらべたのが図１０で，同じ条件のあとクランク室の吸入の負圧と脈動波の負圧が重たり，ときの吸気孔直前の圧力変化のいくつかを図１１にし β*ｍ後の負圧の谷は深くたり，これにつづく圧力上昇は大きく，Ｐ*１０時に高いＰ*ＯＩＣを与え，けつきよくＫの値は大きくなる．オッシロからみて脈動波が以めす．上のようを位相となることはβ*ｍからつぎのβ*ＩＣ図10中のjViは、,＝0.5に対応する回転数で，給気比は大きい．しかし最大値ではなくその両側の900, 1100rpm付近に最大値が生じている．これはZVrがまでの期間，すをわちｅ*IC→ＩＣの間に吸気管内脈動波が(乃十0‘5）周波含まれることを意味する．ただし刀＝0》１，２，……．吸気孔開にともたう吸気管とクランク室からなる振動以上のような給気比の山を与える回転数をZVrzと系の単たる慣性効果として算出した値であって，慣性するとｊＶｉｒは(5)式から類推して次式で求めることが効果だけならここにＫｍａｘが生ずるはずであるが吸気管内に前サイクル以来の脈動波が存在し，これが加わできる．るために変化がおこったもので，このぱあいはZVr点』 V 亜 = 孟了｡ ( 3 6 0 潟 ; r … ) ･ 6 0 ( ÷ , ÷ , ÷ , … ）に脈動効果の谷が重なり，その両側に山がきたために。………････………･……(6) 鹿児島大学工学部研究報告第13号 1 ４１．１Ｖｃ＝ =0 ＝Ｕ cＣｃＣ思凶Ｌ＝997mｍ雷Ｎ︾Ｎ函Ⅳ ﹁Ｉ０．ＩⅡⅢ １．Ｈ一N 」！' 6‘ ００﹁Ｉ｜｜Ｉ８ズ〆雲諦叩”胡。〃﹄湾当当眠如器叩判 r，ノ〆 ’ ▽ ､ i １１ｌｌｌｌ１１０．３１ H Ｎ:::一％どＩＤ戸ｐｑＪＨ 4 4ＬＬ１１ ’ Ⅲ 、 ’ ‘ ！１１ 200 ２００４4 ０0 ０0 ６６００００８８００００１１００００００ 1１ 2２ 0０ 0０ ’１１４４００００１１６６００００１１８８００００２２００００００２２２２（０ﾛ回転数ｒｐｍ図１０回転数と給気比の関係が４ ; ‘ ｅ論 " “ ( 鰯』０５ ) … … … ( 6 ' ）一一一一色迫皇 I Ｉ ? 』鵡恥語二 I 雨 I f J l M … 無Ｌ１．０３蹄Ｋ＝1.0l マト縄… 蕊 w f l i 升８Ｋ＝１．０４ ”＝l350rpm K＝０．９６ＤＣＫ＝０．９２図１１吸気孔直前の圧力波形（B)図１１(b)のばあい．このばあいはβ*ＺＯのとき脈動波の正圧波が同調しており，β*ｍ後の負圧の谷は浅く，したがってどれにつづいておこる圧力上昇はゆるやかでありＰｓｒｃは低く，給気比も小さい．（c)図１１の(｡)，（e)のばあいＪ以上の(A)，（B)で論じたのは比較的回転数の低い運転範囲で，言いかえると吸気管内の脈動波の周期と吸気孔の有効開時から閉時までの時間（クランク角ではない）がほぼ近い値の条件のばあいであった。回転数 ( ｄ）心…Ｉただし刀＝0,1,2,．‘．が高くなると前者（周期）は同じであるのに後者が短かくなってゆくので給気比上昇の条件が異なってくる．Ｌ＝997mｍＶｃ＝OＣＣ図１１の(d)および(e)はそれぞれ1350,2000rpmの時の圧力波形で，このとき図１０にしめすように給気比の山ができている．圧力波形からみてβ*ｚｏの時に吸気管内の正圧波が到達しているとき給気比がよいことがわかる．これはZVrzのばあいと反対の条件である．かく'たる理由は吸気孔開口時間が短かいためｊＶｉｚの田中。浜崎。石神：クランク室圧縮形二サイクル機関の掃気１５ばあいのようにβ*、後の負圧の谷を深くするとそれ気管が短かいほど，クランク室容積が小さいほど高速につづく圧力上昇を完了するに十分な時間がたく左域に移動する。Ｐ*Ｓｍ，Ｐ*crcが大きいほど給気比はり，圧力が上昇しきれたいうちにβ*ＩＣに達し給気比大きい．給気比が大きくたる回転数は慣性効果のみのの低下をまねくのであって，したがってこのばあいは影響のときは(5)式のZVzとして，これに脈動効果が負圧の谷を浅くすること，つまり脈動波の正圧波が加わったときは(6),(6)'式のjVrrで，吸気管内圧力波 β*ｚｏに同調することの方が好ましいことにたる．圧の周期に比し吸気孔開時間が短かいとき，す左わちあ力変化図からもわかるようにこの条件のときはβ*Ｊｃる吸気管長に対して回転数がいちぢるしく高いときはからβ*ｍの期間に吸気管内の圧力波が1,2,3,..．周 (7)，(7)′式で算出される．これにより適当左吸気系の期するときに相当する．このときの回転数をｚvﾉ〃と計画ができる．すれば(6)式から類推して５．あとがき ! v ､ = f ず ( 3 6 0 潟 ; ' … ) 心 0 ( ÷ , ÷ , ÷ … ） ………．.……………･…(7) ＝＊些蒜竺嫡0(÷》…(7'）ただし刀'＝1,2,3,... 本研究を遂行するにあたり，実験に協力した学生，柿元邦彦，小森園準一，宮本和雄の諸君に謝意を表する．左お本研究は昭和４３年５月３１日，日本機械学会九州支部第２１期鹿児島地方講演会において発表したものに加筆したものである．以上の(5),(6),(7)式による計算結果を図１０の中に６，文記入したが，給気比曲線中の山とよく一致した．よって以上の三式を利用することにより，吸気管長Ｌが与えられる左らば給気比の山ができる回転数を，また逆に給気比を大きくしたい回転数が与えられるたらそれを実現するための吸気管長Ｌを求めることができる．すたわち常用回転数に対する最適管長を求めることができる．高速回転エンジンにおいて構造上吸気管を最適管長まで短かくできをいばあいもあるが，そのときは(7),(7)'式によって次善の好条件の点を求めて利用することができる．献 1）浅沼，沢：小形二サイクル機関における給気管系の影響について．日本機械学会論文集25巻156号（昭34-8） 2）長尾，嶋本，三宅：クランク室掃気二サイクル機関の吸気管効果．日本機械学会論文集２６巻171号（昭35-11)． 3）沢：クランク室圧縮形二サイクル機関における給気管系の慣性効果について．室蘭工業大学研究報告，４巻２号（昭38-6)． 4）岡，横森：二サイクル機関の吸気管長が機関性能におよぼす影響．４．結論クランク室圧縮形二サイクル機関の給気比に対する給気系のみの影響をエンジンをモータリングして検討した結果つぎのことが明らかとなった．給気比はクランク室容積の影響を受け，これが大きく左ると給気比の山は低回転側にいくらか移動する．しかし坪Ｋ曲線の全体の形はあまり変化しない．特にＫｍａ茎の山以外の山は容積がかわってもほとんど移動し左い、吸気管長，クランク室容積が一定でも回転数が変わると給気比はいちぢるしく上下し，Ⅳ一Ｋ曲線には多くの山があらわれる．Ｋｍａｘを与える山は吸日本機械学会東海支部講演会論文集（昭42-10)． 5）田中：クランク室圧縮形二サイクルエンジンの掃気（クランク室の影響)．日本機械学会九州支部佐世保地方講演会（昭４０− ５ ) ． 6）石神，田中：クランク室圧縮形二サイクルエンジンの掃気（掃気流入抵抗について)．日本機械学会九州支部第２０期総会講演会（昭４２− ３ ) ‘ 7）三宅，三谷：小形二サイクル機関の吸・排気系に関する考察．内燃機関３巻２３号（昭39-5)．