JP6994248B2 - Heat loss evaluation device, heat loss evaluation method, material evaluation method - Google Patents
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Description
本発明は、レシプロ式の内燃機関における熱損失の評価をするための熱損失評価装置、熱損失評価方法、この熱損失評価方法を用いた材料評価方法に関する。 The present invention relates to a heat loss evaluation device for evaluating heat loss in a reciprocating internal combustion engine, a heat loss evaluation method, and a material evaluation method using this heat loss evaluation method.
熱損失を低減することは、高効率の内燃機関(エンジン)を得る上で重要であり、熱損失を低減するために、各種の機構(可変バルブタイミング機構、高圧燃料噴射機構等)が各種の内燃機関に採用されている。一方、こうした機構を用いた場合でも、燃焼室付近の壁面からの熱損失の影響は大きいことが知られている。 Reducing heat loss is important for obtaining a highly efficient internal combustion engine (engine), and various mechanisms (variable valve timing mechanism, high-pressure fuel injection mechanism, etc.) are used to reduce heat loss. It is used in internal combustion engines. On the other hand, even when such a mechanism is used, it is known that the influence of heat loss from the wall surface near the combustion chamber is large.
このような壁面からの熱損失は、ピストンやシリンダの材料およびその組み合わせに大きく依存する。このため、これらの材料に対する評価を行うことが必要となるが、この評価は、例えば材料のある一つの物性値(例えば熱伝導率等)のみから行うことは困難である。このため、この評価方法としては、実際に評価対象となる材料で構成されたピストンやシリンダを組み込んだエンジンを実際に製造し、これを動作させてその特性を調べることによって行われる場合が多い。 The heat loss from such a wall surface largely depends on the material of the piston and the cylinder and the combination thereof. Therefore, it is necessary to evaluate these materials, but it is difficult to perform this evaluation from, for example, only one physical property value (for example, thermal conductivity) of the material. For this reason, this evaluation method is often performed by actually manufacturing an engine incorporating a piston or cylinder made of a material to be evaluated, operating the engine, and examining its characteristics.
例えば、非特許文献1には、実際に評価対象となる材料でピストンやシリンダを構成したエンジンを製造し、このエンジンに対して、エンジンの実際の動作を可能とする範囲で改造を施し、各種のセンサ(熱電対等)を装着することが記載されている。この状態でエンジンを実際に動作させ、センサの出力をモニターすることによって、熱損失を評価することができる。
For example, in Non-Patent
非特許文献2には、こうした評価を行うために、上記のように評価対象となる材料を用いてピストンやシリンダを用いてエンジンにおける燃焼室周囲のみの構造を実際に製造し、壁面からの熱損失を評価する技術が記載されている。ここでは、本来のエンジン全体としての構造は形成されないために、燃焼室内における爆発を用いた回転動作の生成は行われない。代わりに、ピストンは、急速圧縮膨張装置によってシリンダ内で高速の往復運動をする。急速圧縮膨張装置においては、油圧の制御によって、ピストンを高速で駆動することができる。非特許文献1に記載のように実際のエンジンを駆動させる場合には、常に動作は連続的に行われるために、例えばピストンの1往復に際しての評価を行うことは困難であるのに対し、このようにピストンを外部から駆動することにより、こうした評価が可能となる。また、ここではエンジン全体を形成せずに燃焼室周りのみの構造を形成すればよいため、各種のセンサ等を組み込むことが容易であり、所望の特性評価を容易に行うことができる。
In
非特許文献1に記載の技術においては、実際に動作するエンジンを評価のために製造することが必要となる。このため、例えば多数種類の材料に対する評価を行うためには、多数のエンジンを実際に製造することが必要であるため、実際にはこうした評価を行うことは困難であった。また、エンジンを実際に動作させることが必須となるために、使用するセンサの種類やセンサを装着する箇所は強く制限された。このため、この技術によって評価されるのは、主に燃焼室内での燃焼に際しての現象の定性的評価であり、使用されたピストンやシリンダの材料についての詳細な評価、比較を行うことは困難であった。
In the technique described in Non-Patent
非特許文献2に記載の技術においては、実際にエンジンを動作させないために、非特許文献1に記載の技術と比較すると、より詳細な評価を行うことが可能である。しかしながら、エンジン全体を構成することは不要となるものの、この場合においても、燃焼室回りについては実際のエンジンと変わらない構造を材料を変えて複数種類製造することが必要となった。このため、やはり燃焼室周囲で各種の材料を使用した際の評価は容易ではなかった。
In the technique described in Non-Patent
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、レシプロ式の内燃機関において、燃焼室周囲で各種の材料を使用した際の熱損失の評価を容易に行わせることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to facilitate evaluation of heat loss when various materials are used around a combustion chamber in a reciprocating internal combustion engine.
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項1に係る熱損失評価装置は、急速圧縮膨張装置を用いてレシプロ式エンジンの動作サイクルを模擬的に実現することによって、前記レシプロ式エンジンにおける熱損失を評価する熱損失評価装置であって、前記急速圧縮膨張装置と、一方向に沿った一方の側に位置する前記急速圧縮膨張装置により、前記一方の側と他方の側との間で往復運動をするように駆動されるピストン本体と、前記ピストン本体の前記往復運動によって体積が変動する模擬燃焼室が前記他方の側において内部に形成されるように、前記ピストン本体を内部に収容する模擬シリンダと、前記模擬シリンダを外部から加熱する加熱手段と、前記模擬燃焼室の圧力を検知する圧力検知手段と、前記往復運動に際しての前記圧力の変化に基づき前記熱損失を評価する評価手段と、を具備し、前記模擬シリンダと別体で形成され、前記ピストン本体を内部で摺動させるシリンダライナが、前記模擬シリンダに脱着可能とされて装着される構成とされたことを特徴とする。
この発明においては、ピストン本体が急速圧縮膨張装置を用いて駆動されることにより、模擬シリンダの内部の模擬燃焼室の体積、圧力が変動するという動作が、実際のレシプロエンジンと同様に行われるため、この圧力を用いて熱損失が評価される。ここで、模擬シリンダに脱着可能に装着されるシリンダライナが、実際のレシプロエンジンにおけるシリンダと同様に機能する。
本発明の請求項2に係る熱損失評価装置において、前記シリンダライナは前記一方向に沿って前記他方の側から前記模擬シリンダに嵌入される構成とされ、前記シリンダライナが前記模擬シリンダに嵌入した状態で、前記シリンダライナを前記他方の側から押圧して固定する固定手段を具備することを特徴とする。
この発明においては、シリンダライナは、模擬シリンダに嵌入されて装着される。この際にシリンダライナを固定するために固定手段が設けられる。
本発明の請求項3に係る熱損失評価装置において、前記シリンダライナは、前記模擬シリンダの内部における前記一方向と交差する面であるシリンダライナ受け面との間にガスケットを介した状態で係止され、前記シリンダライナにおける前記ガスケットと当接する側の端面において、前記ピストン本体の前記一方向に沿った中心軸から遠い側の角部に前記ガスケットとの接触面での面圧を上げるための方策が講じられたことを特徴とする。
この発明においては、シリンダライナは、ガスケットを介してシリンダライナ受け面で支持されて固定される。この際、ガスケットと当接するシリンダライナの端面における外側の角部が面取り加工や段付き加工等の加工が施されている。
The present invention has the following configurations in order to solve the above problems.
The heat loss evaluation device according to
In the present invention, the piston body is driven by the rapid compression / expansion device, so that the volume and pressure of the simulated combustion chamber inside the simulated cylinder fluctuate, as in the actual reciprocating engine. , This pressure is used to evaluate the heat loss. Here, the cylinder liner detachably attached to the simulated cylinder functions in the same manner as the cylinder in an actual reciprocating engine.
In the heat loss evaluation device according to
In the present invention, the cylinder liner is fitted and mounted in a simulated cylinder. At this time, a fixing means is provided to fix the cylinder liner.
In the heat loss evaluation device according to
In the present invention, the cylinder liner is supported and fixed by the cylinder liner receiving surface via a gasket. At this time, the outer corner portion of the end face of the cylinder liner that comes into contact with the gasket is chamfered or stepped.
本発明の請求項4に係る熱損失評価装置において、前記模擬シリンダは、前記シリンダライナが装着されていない状態で、前記加熱手段によって加熱される構成とされたことを特徴とする。
この発明においては、模擬シリンダは、シリンダライナが装着されている状態だけでなく、シリンダライナが装着されていない状態においても、加熱可能とされる。
本発明の請求項5に係る熱損失評価装置は、前記ピストン本体と別体で形成されたピストンヘッドが、前記ピストン本体における前記他方の側において、脱着可能とされて装着される構成とされたことを特徴とする。
この発明においては、ピストンヘッドが、模擬燃焼室側においてピストン本体に脱着可能とされて装着される。
本発明の請求項6に係る熱損失評価装置は、前記模擬シリンダの温度を検出する温度検知手段を具備することを特徴とする。
この発明においては、温度検知手段により模擬シリンダの温度が検出される。
本発明の請求項7に係る熱損失評価装置において、前記評価手段は、前記温度検知手段の測定結果をフィードバックして前記加熱手段を制御することを特徴とする。
この発明においては、温度検知手段と加熱手段を用いて模擬シリンダの温度が制御される。
The heat loss evaluation device according to
In the present invention, the simulated cylinder can be heated not only in the state where the cylinder liner is attached but also in the state where the cylinder liner is not attached.
The heat loss evaluation device according to
In the present invention, the piston head is detachably attached to and attached to the piston body on the simulated combustion chamber side.
The heat loss evaluation device according to claim 6 of the present invention is characterized by comprising a temperature detecting means for detecting the temperature of the simulated cylinder.
In the present invention, the temperature of the simulated cylinder is detected by the temperature detecting means.
In the heat loss evaluation device according to claim 7, the evaluation means is characterized in that the measurement result of the temperature detecting means is fed back to control the heating means.
In the present invention, the temperature of the simulated cylinder is controlled by using the temperature detecting means and the heating means.
本発明の請求項8に係る熱損失評価方法は、前記熱損失評価装置を用いた熱損失評価方法であって、異なる材料で構成された複数の前記シリンダライナを準備し、複数の前記シリンダライナの各々を前記模擬シリンダに装着して、前記シリンダライナ毎に前記熱損失を評価することを特徴とする。
この発明においては、熱損失評価装置が、各シリンダライナ毎に熱損失を評価するために用いられる。
本発明の請求項9に係る熱損失評価方法は、前記熱損失評価装置を用いた熱損失評価方法であって、異なる材料で構成された複数の前記ピストンヘッドを準備し、複数の前記ピストンヘッドの各々を前記ピストン本体に装着して、前記ピストンヘッド毎に前記熱損失を評価することを特徴とする。
この発明においては、熱損失評価装置が、各ピストンヘッド毎に熱損失を評価するために用いられる。
本発明の請求項10に係る熱損失評価方法は、前記熱損失評価装置を用いた熱損失評価方法であって、前記温度検知手段を用いて前記模擬シリンダ周囲の熱流束を算出し、前記熱損失を評価することを特徴とする。
この発明においては、温度検知手段は、模擬シリンダ周囲の熱流束を算出するために用いられる。
本発明の請求項11に係る熱損失評価方法は、前記往復運動に際し、膨張行程における前記模擬燃焼室の前記圧力と前記模擬燃焼室の体積の変化に基づき前記熱損失を評価することを特徴とする。
この発明においては、膨張行程における模擬燃焼室の圧力と体積に基づき熱損失が評価される。
本発明の請求項12に係る熱損失評価方法は、前記熱損失を評価する前に、前記模擬シリンダの温度を予め定められた温度に設定することを特徴とする。
この発明においては、熱損失を評価する前に模擬シリンダの温度が一定に制御される。
本発明の請求項13に係る熱損失評価方法は、前記シリンダライナを前記模擬シリンダに装着する前に、前記模擬シリンダを加熱することを特徴とする。
この発明においては、シリンダライナを模擬シリンダに装着する前に、模擬シリンダが高温とされる。
本発明の請求項14に係る材料評価方法は、前記熱損失評価方法を用いて前記材料を評価することを特徴とする。
この発明においては、シリンダライナやピストンヘッドを構成する材料についての評価が、前記の熱損失評価方法によって行われる。
The heat loss evaluation method according to claim 8 of the present invention is a heat loss evaluation method using the heat loss evaluation device, in which a plurality of the cylinder liners made of different materials are prepared and a plurality of the cylinder liners are prepared. Each of the above is mounted on the simulated cylinder, and the heat loss is evaluated for each cylinder liner.
In the present invention, a heat loss evaluation device is used to evaluate heat loss for each cylinder liner.
The heat loss evaluation method according to claim 9 of the present invention is a heat loss evaluation method using the heat loss evaluation device, in which a plurality of the piston heads made of different materials are prepared and a plurality of the piston heads are prepared. Each of the above is mounted on the piston body, and the heat loss is evaluated for each piston head.
In the present invention, a heat loss evaluation device is used to evaluate heat loss for each piston head.
The heat loss evaluation method according to
In the present invention, the temperature detecting means is used to calculate the heat flux around the simulated cylinder.
The heat loss evaluation method according to claim 11 of the present invention is characterized in that, during the reciprocating motion, the heat loss is evaluated based on the change in the pressure of the simulated combustion chamber and the volume of the simulated combustion chamber in the expansion stroke. do.
In the present invention, heat loss is evaluated based on the pressure and volume of the simulated combustion chamber in the expansion stroke.
The heat loss evaluation method according to claim 12 of the present invention is characterized in that the temperature of the simulated cylinder is set to a predetermined temperature before the heat loss is evaluated.
In the present invention, the temperature of the simulated cylinder is controlled to be constant before the heat loss is evaluated.
The heat loss evaluation method according to claim 13 of the present invention is characterized in that the simulated cylinder is heated before the cylinder liner is mounted on the simulated cylinder.
In the present invention, the simulated cylinder is heated to a high temperature before the cylinder liner is mounted on the simulated cylinder.
The material evaluation method according to claim 14 of the present invention is characterized in that the material is evaluated by using the heat loss evaluation method.
In the present invention, the evaluation of the materials constituting the cylinder liner and the piston head is performed by the above-mentioned heat loss evaluation method.
本発明の熱損失評価装置、熱損失評価方法は以上のように構成されているので、エンジン(レシプロ式エンジン)におけるシリンダを構成する材料でシリンダライナを、ピストンを構成する材料でピストンヘッドを、それぞれ構成して用いることにより、実際に動作するエンジンを製造せずに、これらの材料を用いた場合の熱損失を評価することができる。
この際、固定手段を用いてシリンダライナを模擬シリンダに固定する構成や、シリンダライナの装着前の模擬シリンダが加熱可能な構成とすることによって、シリンダライナの装着を容易とすることができる。
また、ガスケットを用いた上で、シリンダライナの端面の中心軸から遠い側の角部を面取り加工または段付き加工等の面圧を高める方策を施すことにより、模擬シリンダ内部の体積を一定としつつ、機密性を高めることができる。
また、模擬ヘッドの温度が高温で制御されることにより、より実際のエンジンの動作と近い状況が再現されるため、実際のエンジンにおける熱損失をより高精度に算出することができる。
この際、温度検知手段を用いて算出した熱流束を用いてこの熱損失をより高精度に算出することができる
また、シリンダライナやピストンヘッドの装着、交換作業は容易であるために、上記のように熱損失の評価を材料毎に行う作業を特に容易に行うことができる。
Since the heat loss evaluation device and the heat loss evaluation method of the present invention are configured as described above, the cylinder liner is made of the material constituting the cylinder in the engine (reciprocating engine), and the piston head is made of the material constituting the piston. By configuring and using each of them, it is possible to evaluate the heat loss when these materials are used without actually manufacturing an operating engine.
At this time, the cylinder liner can be easily mounted by fixing the cylinder liner to the simulated cylinder by using a fixing means or by setting the simulated cylinder before mounting the cylinder liner to be heated.
In addition, by using a gasket and taking measures such as chamfering or stepping the corners on the side far from the central axis of the end face of the cylinder liner to increase the surface pressure, the volume inside the simulated cylinder is kept constant. , Confidentiality can be increased.
Further, by controlling the temperature of the simulated head at a high temperature, a situation closer to the operation of the actual engine is reproduced, so that the heat loss in the actual engine can be calculated with higher accuracy.
At this time, this heat loss can be calculated with higher accuracy by using the heat flux calculated by using the temperature detecting means, and the cylinder liner and the piston head can be easily attached and replaced. As described above, the work of evaluating the heat loss for each material can be particularly easily performed.
以下、本発明を実施するための形態となる熱損失評価装置、熱損失評価方法について説明する。図1は、この熱損失評価装置1の構造を簡略化して示す断面図である。この熱損失評価装置1は、ディーゼルエンジンにおけるピストンとシリンダの材料と熱損失の関係を評価するために用いられる。
Hereinafter, a heat loss evaluation device and a heat loss evaluation method, which are embodiments for carrying out the present invention, will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a simplified structure of the heat
この熱損失評価装置1においては、略円筒形状の内面を具備する模擬シリンダ10の内部でピストン本体20が図中左右方向(一方向)で往復運動をする。模擬シリンダ10、ピストン本体20に関わる構造の詳細は後述し、ここではこれらに関わる構造は簡略化されて記載されている。また、図1においては、ピストン本体20の往復運動の方向に沿った中心軸に沿った断面が記載されている。ピストン本体20の往復運動は、ピストン本体20に固定されたロッド30を介して、特許文献2に記載の技術と同様に、右側(一方の側)に位置する急速圧縮膨張装置100によって行われる。急速圧縮膨張装置100としては、例えば油圧で駆動される新応技術株式会社製のものを用いることができる。
In the heat
模擬シリンダ10の先端(図における左端)は模擬シリンダヘッド11で封止される。このため、図中におけるピストン本体20の左側(他方の側)には模擬燃焼室Rが形成され、この模擬燃焼室Rには燃料噴射ノズル12を介して燃料(混合気)が供給される。また、燃焼後のガスを排出するための排気バルブ(図示せず)も模擬シリンダ10に設けられている。このため、ピストン本体20の模擬シリンダ10の内部における動作は、実際のディーゼルエンジンと同様となり、ピストン本体20の動作が模擬燃焼室R中の爆発によるものではなく、急速圧縮膨張装置100によるものである点が、実際のディーゼルエンジンとは異なる。急速圧縮膨張装置100においては、ロッド30の動きは、例えば実際のエンジンにおけるピストンの移動速度(例えば10m/s程度)と同等の速度で油圧によって制御される。この際、実際のエンジンとは異なり、ロッド30の動作を例えば1往復に限定して行わせることができ、この際の各時点におけるロッド30の位置も、認識することができる。
The tip (left end in the figure) of the
また、実際のエンジンの動作温度を再現するために、電熱式のヒーター(加熱手段)13が、模擬シリンダ10において、ピストン本体20の周囲となる部分、模擬燃焼室Rの周囲となる部分に装着されている。また、ピストン本体20の温度を計測するための熱電対である温度センサ(温度検知手段)14Aがピストン本体20における模擬燃焼室R側に、温度センサ(温度検知手段)14B、14C、14Dが模擬シリンダにおけるピストン本体20の周囲の箇所に装着されており、これらにおいては、その先端の温度が計測される。また、温度センサ14Bの先端は後述するシリンダライナ41と接するあるいは近接するように設けられ、温度センサ14C、14Dの先端はヒーター13に近く設定される。温度センサ14Aは、後述するピストンヘッド42と接するあるいは近接するように設けられる。温度センサ14Aからの出力を取り出すための配線は、ピストン本体20の内部から模擬シリンダ10の内部を介して、外部に取り出される。こうした構成は、ピストンが連続的に動作する実際のエンジンでは不可能であるが、1サイクル単位での動作を可能とする急速圧縮膨張装置100を用いてピストン本体20を駆動する場合には、可能となる。また、模擬シリンダ10における模擬燃焼室Rの部分には、模擬燃焼室R内の圧力を測定するための圧力センサ(圧力検知手段)15が装着されている。特に圧力センサ15の検知の時定数は短く、ピストン本体20の1往復の間の模擬燃焼室Rにおける圧力の遷移を測定することができる。
Further, in order to reproduce the actual operating temperature of the engine, an electric heater (heating means) 13 is attached to a portion around the
ここで、この熱損失評価装置1においては、模擬シリンダ10の内面にシリンダライナ41が、ピストン本体20にはピストンヘッド42が、それぞれ脱着可能な形態で装着される。ピストンヘッド42が装着された状態のピストン本体20は、シリンダライナ41が装着された状態のシリンダ10の内面を摺動するように、急速圧縮膨張装置100によって往復運動をする。ここで、シリンダライナ41、ピストンヘッド42は、それぞれエンジン(ディーゼルエンジン)におけるシリンダ、ピストンを構成する材料で構成され、この材料が評価の対象となる。すなわち、上記の熱損失評価装置1によって、これらの材料でシリンダ、ピストンを構成した場合が模擬的に実現される
Here, in the heat
急速圧縮膨張装置100を制御し、熱損失を算出するために、パーソナルコンピュータ(PC:評価手段)200が用いられる。熱損失の算出のために、圧力センサ15の出力がPC200に入力する。また、ヒーター13の入力電流もPC200で制御され、温度センサ14A~14Dの出力がPC200に入力する。このため、PC200は、温度センサ14A~14Dの出力をフィードバックすることによって、模擬シリンダ10やピストン本体20等の温度を制御することができ、特に、これらの温度を実際のエンジンが動作する場合に近づけることができる。また、特にシリンダライナ41やピストンヘッド42に接近してこれらの温度を計測することができる温度センサ14A、14Bを用いることによって、後述するように、これらに対する熱流束を算出することもできる。また、熱損失の測定に際しては、後述するように、模擬燃焼室Rの体積のデータが必要であり、これは往復運動の際のピストン本体20(ロッド30)の位置に依存するため、このデータは、急速圧縮膨張装置100より得られる。あるいは、このためにロッド30等の位置を検知する変位センサを設けてもよい。
A personal computer (PC: evaluation means) 200 is used to control the rapid compression /
図2は、模擬シリンダ10、シリンダライナ41の組み合わせに関わる構造の分解組立図(a)、組み立て後の構造(b)であり、ここでは、図1において記載が省略された部品も記載されている。シリンダライナ41は略円筒形状の外面及び内面を具備する。模擬シリンダ10の内面は、シリンダライナ41の外面が同軸で図中左側(模擬燃焼室R側)から嵌装されるように中心軸X側から掘下げられた形状とされている。図示の範囲外で、模擬シリンダ10、シリンダライナ41に互いに係合する凹部、凸部が形成されているため、シリンダライナ41が模擬シリンダ10に装着された際にこれらの間の位置関係は固定される。この際、模擬燃焼室Rの機密性を保つために、シリンダライナ41の図中右側(模擬燃焼室Rの反対側)においては、薄い円環形状の銅製のガスケット43が挿入され、シリンダライナ41の右側の端面41Aと、模擬シリンダ10において上記の内面の掘下げ加工に伴って形成された段差部分の面であるシリンダライナ受け面10Aでガスケット43が挟持されることによって、模擬シリンダ10とシリンダライナ41との間の機密性が保たれる。
FIG. 2 is an exploded view (a) of a structure related to the combination of the
また、模擬シリンダ10における左側の面には、左側から略円環形状のフランジ(固定手段)44が嵌装可能な凹部であるフランジ装着部10Bが設けられている。フランジ装着部10Bには、内面にネジ加工が施されたネジ穴10Cが左側から掘下げられて形成され、模擬シリンダ10に対してガスケット43、シリンダライナ41を装着した状態で、フランジ44をフランジ装着部10Bに左側から嵌装し、フランジ44に設けられた固定用穴44Aを左側から固定用のネジを貫通させ、このネジをネジ穴10Bに螺合することによって、図2(b)に示されるように、フランジ44、シリンダライナ42、ガスケット43を、模擬シリンダ10に固定することができる。この状態は、シリンダライナ42を構成する材料で内面が構成されたシリンダを模している。
Further, on the left side surface of the
図2において、評価対象となる様々な材料で製造する必要があるのは、シリンダライナ41のみであり、このような様々な材料で構成された複数のシリンダライナ41を製造し、その中から一つを適宜選択して上記のように模擬シリンダ10に装着することによって、各材料をシリンダに用いた場合を模した状況を実現することができる。
In FIG. 2, it is only the
なお、図3は、図2(a)におけるシリンダライナ41におけるAの部分がガスケット43と当接した際の形態を拡大して示す図である。ここで、シリンダライナ41は、フランジ44を模擬シリンダ10に装着する際に左側から押圧されることによってガスケット43と密着し、機密性が保たれる。この際にシリンダライナ41等に大きな圧力が加わった場合においてもこの機密性が保たれるために、シリンダライナ41がガスケット43に印加する圧力が高くなることが必要であるため、シリンダライナ41の端面41Aは、図3に示されるようにテーパー加工(角部の面取り加工)されていることが好ましい。この際、面取り加工は、図3に示されるように、シリンダライナ41の外側(図中下側)の角部のみに施すことが好ましい。これによって面取り加工により模擬シリンダ10内部側の容積が変わることが抑制され、例えば内部側に施したシリンダライナ41の面取り加工によりこの容積が変化して測定の条件が変化することが抑制される。図3においては、この端面41Aにテーパー加工が施されたが、代わりに、段付き加工等、面圧を高めるための他の方策が外側に施されていてもよい。
Note that FIG. 3 is an enlarged view showing the shape when the portion A of the
また、図2に示されたように組み立てを行う際に、シリンダライナ41と模擬シリンダ10の間の遊びは小さいことが好ましいが、この場合には、これらを嵌合する作業が容易ではなくなる。この場合には、図1に示されたヒーター13を予め模擬シリンダ10に装着した状態でヒーター13に通電して模擬シリンダ10の温度を高め、模擬シリンダ10の内面の径を熱膨張によって広げた状態で、室温のシリンダライナ41を嵌装することによって、この作業を容易に行うことができる。この際、模擬シリンダ10に温度センサ14Bも模擬シリンダ10に装着し、この際の模擬シリンダ10の温度を制御しながらこの作業を行ってもよい。すなわち、ヒーター13等は、この熱損失測定装置1における測定を行う際に用いるだけでなく、シリンダライナ41を組み込む際にも用いることができる。
Further, when assembling as shown in FIG. 2, it is preferable that the play between the
一方、図4は、ピストンヘッド42単体(a)と、ピストンヘッド42がピストン本体20に装着された場合の形態を示す斜視図である。ここで、図中上側が模擬燃焼室Rがある側とされる。前記のフランジ44と模擬シリンダ10における場合と同様に、ピストンヘッド42には固定用穴42Aが形成され、ピストン本体20側にはネジ穴(図示せず)が形成されている。このため、固定用穴42を貫通するネジを用いて、ピストンヘッド42をピストン本体20に固定することができる。この状態で、ピストンヘッド42が固定されたピストン本体20は実質的にディーゼルエンジンにおけるピストンと同様に機能する。
On the other hand, FIG. 4 is a perspective view showing a form of the
この状態において、図1において最も熱損失の状況に寄与する模擬燃焼室R側はピストンヘッド42で構成されている。このため、図4(b)の構造は、ピストンヘッド42を構成する材料で構成されたピストンを模している。このため、前記のシリンダライナ41と同様に、このような複数のピストンヘッド42を製造し、その中から一つを適宜選択して上記のようにピストン本体20に装着することによって、各材料をピストンに用いた場合を模した状況を実現することができる。
In this state, the simulated combustion chamber R side, which contributes most to the heat loss situation in FIG. 1, is composed of the
図2(b)、図4(b)の構造を実際に図1の構成に組み込み、急速圧縮膨張装置100を駆動してピストン本体20を往復運動させた際の、熱損失を測定する方法について説明する。この方法は、非特許文献1、2に記載されたものと同様である。この際に実際に測定対象となる物理量は、模擬燃焼室Rの体積Vと。模擬燃焼室Rの圧力Pである。体積Vは、急速圧縮膨張装置100によるロッド30の変位量(位置)により一義的に定まる。圧力Pは、圧力センサ15によって測定できる。
A method for measuring heat loss when the structures of FIGS. 2 (b) and 4 (b) are actually incorporated into the configuration of FIG. 1 and the rapid compression /
図5は、エンジンにおける吸気、圧縮、燃焼、膨張のサイクルにおける燃焼室における圧力Pと体積Vの一般的な関係(P-V)線図(出典元:中島泰夫、村中重夫編著、新・自動車用ガソリンエンジン 研究開発技術者の基礎と実際,山海堂)を示す。ここで、吸気行程は(1)から(2)に至る間で行われ、その後の圧縮行程は(2)から(3)に至る間で行われ、燃焼行程は(3)から(4)に至る間で行われ、膨張行程は(4)から(5)に至る間で行われる。ここで測定すべき熱損失とは、膨張行程における熱損失(冷却損失)である。図5においては、膨張行程については、理想的な場合(熱損失が全くない場合)における特性Aと、実際に測定された特性A’が記載されている。この冷却損失は、理想的な特性である(4)から(5)に至る特性Aと、実際に得られた特性である(4)’から(5)’に至る特性A’との差分の積分値に対応する。すなわち、この積分値の大小が、熱損失の大小に対応する。上記の特性Aは、模擬燃焼室Rの設計によって予め算出が可能であるため、PC200は、上記の積分値を上記の熱損失評価装置1を用いて算出することができる。なお、PC200は、また、特にピストンヘッド42やシリンダライナ41の温度を温度センサ14A、14Bで測定し、これらの温度とその外側の温度(ヒーター13がある側の温度との差から、これらから放出される熱量を測定することができ、これを熱損失の算出に用いることもできる。特に、ピストン(ピストンヘッド42)やシリンダ(シリンダライナ41)に表面処理を施した場合の評価を行う場合には、こうした情報は有効である。図1に記載されたように、複数の温度センサを様々な箇所に設けることによって、こうした計測が可能である。
FIG. 5 is a general relationship (PV) diagram of the pressure P and volume V in the combustion chamber in the cycle of intake, compression, combustion, and expansion in the engine (Source: Yasuo Nakajima, Shigeo Muranaka, ed. The basics and practice of a gasoline engine research and development engineer for automobiles (Sankaido) are shown. Here, the intake stroke is performed between (1) and (2), the subsequent compression stroke is performed between (2) and (3), and the combustion stroke is performed from (3) to (4). It is carried out all over, and the expansion stroke is carried out between (4) and (5). The heat loss to be measured here is the heat loss (cooling loss) in the expansion stroke. In FIG. 5, for the expansion stroke, the characteristic A in an ideal case (when there is no heat loss) and the actually measured characteristic A'are described. This cooling loss is the difference between the ideal characteristic A from (4) to (5) and the actually obtained characteristic (4)'to (5)'. Corresponds to the integrated value. That is, the magnitude of this integrated value corresponds to the magnitude of the heat loss. Since the above characteristic A can be calculated in advance by designing the simulated combustion chamber R, the
ただし、実際にシリンダライナ41、ピストンヘッド42を構成する材料毎に上記の熱損失を測定するにあたり、特に重要なのは、各材料毎の熱損失の比較である。このため、実際には上記の特性Aとの間の差分の積分値を算出する必要はなく、各材料毎に得られた上記の特性A’の差分あるいはこの差分の積分値を認識すれば、十分である。
However, in actually measuring the above heat loss for each material constituting the
この際に、この熱損失は、模擬シリンダ10やピストン本体20等の温度にも依存し、この評価は、実際にディーゼルエンジンが動作した場合と同等の温度環境下で行う必要がある。このため、図1におけるヒーター13、温度センサ14A、14Bを、このように温度の条件を統一するために用いることができる。すなわち、実際に動作するエンジンを製造することなしに、上記の熱損失評価装置1を用いて、シリンダやピストンに用いる材料の熱損失に関する評価を、精密に行うことができる。
At this time, this heat loss also depends on the temperature of the
この際、前記のように、シリンダライナ41、ピストンヘッド42の交換作業は容易である。このため、共に異なる材料で構成された複数のシリンダライナ41、ピストンヘッド42を準備し、これらに対応した熱損失の評価を効率的に行うことができる。
At this time, as described above, the replacement work of the
なお、上記の熱損失評価装置においては、評価対象となる材料が拡散燃焼式のディーゼルエンジン用のものであり、模擬燃焼室Rもディーゼルエンジンに対応するものとした。しかしながら、同様にピストンの往復運動が行われるレシプロ式のエンジン(内燃機関)である予混合式のエンジンについても、模擬燃焼室をこれに対応した構成とすることによって、同様の評価が可能である。 In the above heat loss evaluation device, the material to be evaluated is for a diffusion combustion type diesel engine, and the simulated combustion chamber R is also compatible with the diesel engine. However, a premixed engine, which is a reciprocating engine (internal combustion engine) in which the reciprocating motion of the piston is similarly performed, can be evaluated in the same manner by configuring the simulated combustion chamber corresponding to this. ..
上記の熱損失評価装置、熱損失評価方法は、レシプロ式のエンジンの設計、開発において有効である。このようなエンジンは、船舶、自動車、航空機を初めとする広い技術範囲の機器に使用可能である。 The above heat loss evaluation device and heat loss evaluation method are effective in the design and development of a reciprocating engine. Such engines can be used in a wide range of equipment, including ships, automobiles, and aircraft.
1 熱損失評価装置
10 模擬シリンダ
10A シリンダライナ受け面
10B フランジ装着部
10C ネジ穴
11 模擬シリンダヘッド
12 燃料噴射ノズル
13 ヒーター(加熱手段)
14A~14D 温度センサ(温度検知手段)
15 圧力センサ(圧力検知手段)
20 ピストン本体
30 ロッド
41 シリンダライナ
41A 端面
42 ピストンヘッド
42A、44A 固定用穴
43 ガスケット
44 フランジ(固定手段)
100 船舶
200 パーソナルコンピュータ(PC:評価手段)
R 模擬燃焼室
X 中心軸
1 Heat
14A-14D temperature sensor (temperature detection means)
15 Pressure sensor (pressure detecting means)
20
100
R simulated combustion chamber X central axis
Claims (14)
前記急速圧縮膨張装置と、
一方向に沿った一方の側に位置する前記急速圧縮膨張装置により、前記一方の側と他方の側との間で往復運動をするように駆動されるピストン本体と、
前記ピストン本体の前記往復運動によって体積が変動する模擬燃焼室が前記他方の側において内部に形成されるように、前記ピストン本体を内部に収容する模擬シリンダと、
前記模擬シリンダを外部から加熱する加熱手段と、
前記模擬燃焼室の圧力を検知する圧力検知手段と、
前記往復運動に際しての前記圧力の変化に基づき前記熱損失を評価する評価手段と、
を具備し、
前記模擬シリンダと別体で形成され、前記ピストン本体を内部で摺動させるシリンダライナが、前記模擬シリンダに脱着可能とされて装着される構成とされたことを特徴とする熱損失評価装置。 It is a heat loss evaluation device that evaluates the heat loss in the reciprocating engine by simulating the operation cycle of the reciprocating engine using a rapid compression expansion device.
With the rapid compression and expansion device,
A piston body driven to reciprocate between one side and the other by the rapid compression and expansion device located on one side along one direction.
A simulated cylinder that houses the piston body inside so that a simulated combustion chamber whose volume fluctuates due to the reciprocating motion of the piston body is formed inside on the other side.
A heating means for heating the simulated cylinder from the outside,
A pressure detecting means for detecting the pressure in the simulated combustion chamber and
An evaluation means for evaluating the heat loss based on the change in the pressure during the reciprocating motion, and an evaluation means.
Equipped with
A heat loss evaluation device characterized in that a cylinder liner formed separately from the simulated cylinder and sliding the piston body inside is configured to be detachably attached to the simulated cylinder.
前記シリンダライナが前記模擬シリンダに嵌入した状態で、前記シリンダライナを前記他方の側から押圧して固定する固定手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の熱損失評価装置。 The cylinder liner is configured to be fitted into the simulated cylinder from the other side along the one direction.
The heat loss evaluation device according to claim 1, further comprising a fixing means for pressing and fixing the cylinder liner from the other side while the cylinder liner is fitted in the simulated cylinder.
前記シリンダライナにおける前記ガスケットと当接する側の端面において、前記ピストン本体の前記一方向に沿った中心軸から遠い側の角部に前記ガスケットとの接触面での面圧を上げるための方策が講じられたことを特徴とする請求項2に記載の熱損失評価装置。 The cylinder liner is locked inside the simulated cylinder with a cylinder liner receiving surface, which is a surface intersecting with the one direction, via a gasket.
At the end surface of the cylinder liner on the side that comes into contact with the gasket, a measure is taken to increase the surface pressure at the contact surface with the gasket at the corner portion of the piston body on the side far from the central axis along the one direction. The heat loss evaluation device according to claim 2, wherein the heat loss is evaluated.
前記温度検知手段の測定結果をフィードバックして前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項6に記載の熱損失評価装置。 The evaluation means is
The heat loss evaluation device according to claim 6, wherein the heating means is controlled by feeding back the measurement result of the temperature detecting means.
異なる材料で構成された複数の前記シリンダライナを準備し、
複数の前記シリンダライナの各々を前記模擬シリンダに装着して、前記シリンダライナ毎に前記熱損失を評価することを特徴とする熱損失評価方法。 A heat loss evaluation method using the heat loss evaluation device according to any one of claims 1 to 7.
Prepare multiple cylinder liners made of different materials
A heat loss evaluation method comprising mounting each of a plurality of the cylinder liners on the simulated cylinder and evaluating the heat loss for each cylinder liner.
異なる材料で構成された複数の前記ピストンヘッドを準備し、
複数の前記ピストンヘッドの各々を前記ピストン本体に装着して、前記ピストンヘッド毎に前記熱損失を評価することを特徴とする熱損失評価方法。 A heat loss evaluation method using the heat loss evaluation device according to claim 5.
Prepare multiple piston heads made of different materials
A heat loss evaluation method comprising mounting each of a plurality of the piston heads on the piston body and evaluating the heat loss for each piston head.
前記温度検知手段を用いて前記模擬シリンダ周囲の熱流束を算出し、前記熱損失を評価することを特徴とする熱損失評価方法。 A heat loss evaluation method using the heat loss evaluation device according to claim 6.
A heat loss evaluation method comprising calculating a heat flux around the simulated cylinder using the temperature detecting means and evaluating the heat loss.
膨張行程における前記模擬燃焼室の前記圧力と前記模擬燃焼室の体積の変化に基づき前記熱損失を評価することを特徴とする請求項8から請求項10までのいずれか1項に記載の熱損失評価方法。 In the reciprocating motion,
The heat loss according to any one of claims 8 to 10, wherein the heat loss is evaluated based on the change in the pressure of the simulated combustion chamber and the volume of the simulated combustion chamber in the expansion stroke. Evaluation methods.
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