K2-65 - 日本大学理工学部

平成 26 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
K2-65
回生式エアモータ搭載車両の開発
Development of Air Motor with Regenerating System
○伊藤晃 1, 大原洋貴 1, 長谷川将大 1, 吉田幸司 2
*Akira Ito1, Hiroki Ohara1, Masahiro Hasegawa1, Koji Yoshida2
Abstract: An air motor with regenerating system designed for a bicycle was developed and the purpose of this study is to elucidate
the performance of air motor. The beginning of expansion stroke was near to the adiabatic change, however it gradually approached
the isothermal change. The maximum cylinder pressure increased as the supply air pressure increased and it was almost equal to the
supply air pressure. The output power increased with an increase of supply air pressure, however it decreased as the revolution
increased due to friction loss. The air motor can be operated as an ordinary air compressor.
１．まえがき
1.0 [MPa]の下でリフト量，吸気バルブ開度を変えた指
本研究は，回生機構付きエアモータ
[1][2]
が車輌動力源
圧線図を示す．各実験条件において，最高シリンダ内
となることを実験的に検証することを目的とする．エ
圧力が供給圧力に等しいため，供給圧力にて吸気され
アモータは，空気圧縮機サイクルを圧縮空気によって
る．また，シリンダ内圧力が急速に上昇し供給圧力
逆作動させ出力を得る機関である．また，減速時に圧
に到達し，一定圧力の下で吸気される．上図におい
縮機として作動させ，制動エネルギを圧縮空気として
て吸気バルブ開度が長い場合，供給圧力が増加すると
回生する．自転車用に設計され，摩擦を低減した給排
1.2
気バルブを装着したエアモータの特性を測定した．
２．実験装置及び方法
本エアモータは，市販の単気筒往復動式空気圧縮機
を改造して作成した．圧縮機の諸元を表 1 に示す．圧
縮機の最大吐出圧力が 1.0 [MPa]のため，供給空気圧力
は 0.2-1.0 [MPa]とし 0.2 [MPa]毎変化させた．
600 [min.-1]
以下ではピストンリングが有効に作動しないため，ま
-1
-1
た安全のため回転数は 600-1000[min. ]とし 100 [min. ]
Cylinder pressure P [MPa]
0.9
毎変化させた．吸気バルブ開度は，上死点から 30，60，
0.6
0.3
0.3
1.2
0.9
0.2 [MPa]毎に変え，性能及び指圧線図を測定した．
３．実験結果及び考察
図 1 上図にバルブリフト量 4 [mm]，回転数 1000
-1
[min. ]の下で供給圧力を変えた場合，下図に供給圧力
Table 1 Specifications of air compressor
Bore x Stroke [mm]
50x50
Displacement [cm3]
98.1
Revolution [min-1]
1540
Maximum discharge pressure [MPa]
1.0
Drive power [kW]
0.75
１：日大理工・学部・機械２：日大理工・教員・機械
845
0.6
Cylinder pressure P [MPa]
[min.-1]まで 200 [min.-1]毎に，吐出圧力を 0.2-1.0 [MPa]
0.3
Timig 0-90 [deg.]
0.6[MPa]
0.4[MPa]
0.2[MPa]
0.6
タを介して一定圧力に制御し供給し，回転数一定の下，
供給圧力を変化させた．回生試験では，回転数 700-1500
1.0[MPa]
0.8[MPa]
0.9
死点までとした．最大吸排気バルブリフトは 2 または
4 [mm]とした．出力試験では，高圧空気をレギュレー
1.0[MPa]
Timig 0-30 [deg.]
0.8[MPa]
0.6[MPa]
0.4[MPa]
0.2[MPa]
0.0
1.2
0.0
0
90 [deg. ATDC]とし，排気バルブ開度は，下死点から上
Valve lift 4 [mm], Revolution 1000 [min. -1]
90
180
270
Crank angle  [deg.]
360
Supply air pressure 1.0 [MPa]
-1
Revoltuion 600 [min. ]
4[mm],90[deg.] 2[mm],90[deg.]
4[mm],60[deg.]
2[mm],60[deg.]
4[mm],30[deg.]
2[mm],30[deg.]
0.0
-1
1.2
Revoltuion 1000 [min. ]
2[mm],90[deg.]
0.9
4[mm],90[deg.]
2[mm],60[deg.]
4[mm],30[deg.]
2[mm],30[deg.]
0.6
0.3
0.0
0
4[mm],60[deg.]
90
180
270
Crank angle  [deg.]
Figure1. Indicator diagrams of air motor.
360
平成 26 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
吸気期間が短くなる．これは，膨張開始時のシリン
の増加に従い膨張終了時のシリンダ内圧力が上昇し，
ダ内圧力が高く，シリンダ内に高圧空気が残留して
供給空気の損失が増加する．よって，高圧空気を有効
いるためである．下図において同一バルブ開度，リフ
に利用するには供給圧力が低いことが望ましい．
ト量において回転数が高い場合に吸気期間が減少する．
図 2 に吸気バルブ開度 90 [deg.]，リフト量 4 [mm]，
-1
回転数 1000 [min. ]で供給圧力を変えた p-V 線図を示す．
仕事は供給圧力の増加に従って増加するが，供給圧力
0.6
0.3
0.0
られたが，よりバルブ駆動摩擦の低減が必要である．
図 4 に回生試験結果を示す．回転数と吐出圧力を変
0.2[MPa]
0
25
50
3
Cylinder volume V [cm ]
75
Figure2. P-V diagrams of air motor.
Valve lift 4 [mm],Timing [deg.]: 30
Revolution 600[min.-1]
:
-1
Revolution
1000[min.
]
:
400
Net power [W]
すると供給空気は増加するが，駆動摩擦の増加によ
って出力は低下する．よって最大軸出力 380 [W]が得
えた場合の p-V 線図及び駆動力と流量を回転数に対し
100
60
て示す．すきま容積は不明なため 0 とした．吐出圧力
が増加すると圧縮空気の吐出期間は減少し，回転数が
90
増加すると最大吐出圧力が増加し，駆動力が増加する．
これらは，一般的な圧縮機の性能であり，本エアモー
タは圧縮機として作動し，運動エネルギを回生できる．
300
200
４．結論
100
エアモータの出力はバルブ開度，リフト量が大きい
0
場合に供給圧力の増加に従い増加する．新しい給排気
バルブ装置は有効に作動し，最大出力約 380 [W]を得ら
れたが，よりバルブ駆動摩擦を低減する必要がある．
150
100
５．参考文献
50
0
0.2
[1] Tom Ma et al.，SAE Paper 2010-01-0822，2010.
0.4
0.6
0.8
[2] Asako Sato et al.，SAE Paper 2011-32-0615，2011.
1.0
Supply air pressure [MPa]
Cylinder pressure P [MPa]
Flow rate [n-L/min]
-100
200
Net power [W]
Valve lift [mm],Timing [deg.]:2,30 4,30 2,90 4,90
Supply air pressure 0.2[MPa]:
Supply air pressure 1.0[MPa]:
400
300
200
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
100
10
20
30
0.6 [MPa]
1.0 [MPa]
1100[rpm]
1100[rpm]
1500[rpm]
1500[rpm]
40 50 60 70 3 80
Cylinder volume V [cm ]
Supply air pressure[MPa]:
Flow rate[L/min]
:
Net power[W]
:
50
0
0.2
0.4
0.6
Flow rate [n-L/min])
-100
200
Flow rate [n-L/min]
0.2 [MPa]
700[rpm]
1100[rpm]
1500[rpm]
40
150
30
100
20
50
10
0
600
700
800
900
Rotational revolution [rpm]
Figure3. Performance of air motor.
0700
1000
900
1100
1300
Rotational revoltion [rpm]
Figure4. Performance of air compressor.
846
90
0.8
100
1.0
0
-50
-100
-150
-200
-250
-300
1500
Net power [W]
Cylinder pressure P [MPa]
0.9
図にて，出力及び供給空気は供給圧力及び吸気バル
ブ開度の増加に従い増加する．
下図にて，
リフト量，
吸気バルブ開度が大きい場合に出力は高いが，リフ
ト量が出力に与える影響はバルブ開度に比べ小さい．
また，吸気バルブ開度が小さな場合，回転数が増加
-1
Valve lift 4 [mm], Revolution 1000 [min. ]
Timig 0-90 [deg.]
1.0[MPa]
0.8[MPa]
0.6[MPa]
0.4[MPa]
1.2
図 3 に供給圧力と回転数に対する性能を示す．上

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