|
3.2 一部コンポーネントの設計製作
（1）総噴孔面積の決定
性能検討結果から得た基本諸元をベースに、総噴孔面積を決定から噴射弁の設計をスタートした。噴射弁の入口、出口の圧力温度条件をもとに、所望の噴射量を得る総噴孔面積を導出した結果を表. 3-2-1に示す。噴射期間45deg、噴射量3.0倍（対燃料量）の条件で検討した結果、必要噴孔面積は15.0［mm2］となった。
また噴孔面積は15.0［mm2］で高圧N2ガスを噴射した場合の噴射量の結果も表. 3-2-1に併せて示す。
（2）弁通路面積と噴孔数の決定
つぎに導出した総噴孔面積をもとに、ノズル各部の通路面積を決めた。既存の燃料噴射弁を参考に、ノズルの総噴孔面積に対する比率で各部の通路面積を決定した。なお、噴射弁本数は1〜3本について検討した。検討結果を表. 3-2-2に示す。
また噴孔数についても検討した。これも既存の燃料噴射弁にならい、噴孔面積と噴孔ピッチの関係から噴孔数を確定した。基本的に噴射弁はシリンダのサイドに配置することとし、噴射弁の先端において、噴孔の配置角度は150度とした。検討結果を表. 3-2-3に示す。
（3）噴射弁図面
上記のノズル部計画をベースに噴射弁全体の設計を進めた。超臨界水噴射弁の組立図を図. 3-2-1に示す。後述のカバー配置の制限もあり、噴射弁のサック部を長くするタイプとした。サック部を長くしたことで先端径が細くなる構造となったため、噴射弁本数はまずは1本で計画した。噴射弁の全体写真を図. 3-2-2に示す。
また参考までに噴射弁製作メーカにてノズルの噴霧特性を検査した際の写真を図. 3-2-3に示す。開弁圧力は15MPa程度である。
（4）カバーへの噴射弁配置
カバーへの噴射弁配置を検討するために、図. 3-2-4のとおりカバー切断による調査を行った。現状のカバーは給排気ポート、燃料噴射弁、冷却水流路などが入り組んだ複雑な形状をしており、そこの超臨界水噴射弁を配置することは難しい。
本年度の結果をうけて、超臨界水噴射弁の改造、また給排気ポートの位置変更も念頭に置き、来年度カバー設計・製作を進めていく。
図. 3-2-5に超臨界水噴射弁の取り付け概略図を示す。（噴射弁2本の場合）
表. 3-2-1 総噴孔面積決定
|
項目 |
記号 |
単位 |
H2O噴射 |
N2噴射 |
導出式など |
| 理論 |
蒸気表 |
理論 |
物性表 |
| 1 |
適用機関 |
|
|
30B |
|
30B |
|
|
| 2 |
エンジン出力 |
kW |
kW/cyl |
450 |
|
450 |
|
|
| 3 |
機関回転数 |
Ne |
rpm |
750 |
|
750 |
750 |
|
| 4 |
発電端効率 |
ηthg |
% |
47.0 |
|
47.0 |
|
|
| 5 |
燃料発熱量 |
Hu |
kcal/kg、Nm3 |
10149 |
|
10149 |
|
|
| 6 |
燃料密度 |
ρf |
kg/m3 |
- |
|
- |
|
|
| 7 |
燃料噴射量 |
Gf |
Nm3/st |
- |
|
- |
|
|
| 8 |
燃料噴射量 |
Gf |
kg/st |
0.003717 |
|
0.003717 |
|
=kW/(η/100*0.97)/4.186/(rpm/60/2)/Hu |
| 9 |
筒内最高圧力 |
Pmax |
MPa |
25.00 |
|
25.00 |
|
|
| 10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| 11 |
噴射流体 |
|
|
超臨界水 |
|
N2 |
|
|
| 12 |
比熱比 |
k |
|
3.95 |
|
1.71 |
|
1（入口）の条件で熱物性値表、蒸気表より |
| 13 |
分子量 |
M |
|
18 |
|
28 |
|
|
| 14 |
ガス定数 |
R |
J/kgK |
461.91 |
|
296.94 |
|
=8314.3/M |
| 15 |
ガス定数 |
R' |
J/kgK |
109.48 |
|
352.77 |
|
=P1/ρ1/T1 |
| 16 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| 17 |
入口 |
|
|
|
|
|
|
|
| 18 |
圧力 |
P1 |
MPa |
35 |
|
35 |
|
|
| 19 |
温度 |
T1 |
℃ |
400 |
|
10 |
|
|
| 20 |
密度 |
ρ1 |
kg/m3 |
474.9 |
474.9 |
350.4 |
350.4 |
1（入口）の条件で熱物性値表、蒸気表より |
| 21 |
比エンタルピ |
h1 |
kJ/kg |
|
1988.4 |
|
252.0 |
1（入口）の条件で熱物性値表、蒸気表より |
| 22 |
比エントロピ |
s1 |
kJ/K |
|
4.214 |
|
4.886 |
1（入口）の条件で熱物性値表、蒸気表より（入口→出口で断熱膨張を仮定） |
| 23 |
出口 |
|
|
|
|
|
|
|
| 24 |
圧力 |
P2 |
MPa |
25 |
25 |
25 |
25 |
=Pmax |
| 25 |
温度 |
T2 |
℃ |
250.4 |
381.2 |
-26.9 |
-12.0 |
=T1×(P2/P3)^((k-1)/k)、2（出口条件での熱物性表、蒸気表より） |
| 26 |
出口密度 |
ρ2 |
kg/m3 |
436.1 |
430.5 |
287.8 |
302.9 |
=ρ1×(Pmax/Ps)^(1/k)、2（出口条件での熱物性表、蒸気表より） |
| 27 |
比エンタルピ |
h2 |
kJ/kg |
|
1966.4 |
|
221.1 |
2（出口）の条件で熱物性値表、蒸気表より |
| 28 |
比エントロピ |
s2 |
kJ/K |
|
4.214 |
|
4.886 |
2（出口）の条件で熱物性値表、蒸気表より |
| 29 |
噴射期間 |
θ |
CA0 |
45 |
|
45 |
45 |
|
| 30 |
対燃料量 |
G/Gf |
- |
3.0 |
|
|
|
|
| 31 |
噴射量 |
G |
kg/st |
0.0112 |
|
0.0088 |
0.0092 |
=Gf×G/Gf |
| 32 |
噴射量 |
G |
kg/h |
250.9 |
|
198.1 |
|
|
| 33 |
噴射流量 |
G' |
kg/s |
1.1152 |
1.1152 |
0.8802 |
0.9190 |
=G/(θ/(rpm/60×360)) |
| 34 |
臨界圧力 |
Pc |
MPa |
10.401 |
|
16.838 |
|
=(2/(k+1))^(k/(k-1))×Ps |
| 35 |
出口局所音速 |
a2 |
m/s |
475.8 |
|
|
|
=(2×Pmax/ρ2)^0.5 |
| 36 |
出口速度 |
V2 |
m/s |
209.4 |
209.8 |
250.5 |
248.5 |
=(2×k/(k-1)×R'×T1×(1-(Pmax/Ps)^((k-1)/k)))^0.5 , (2(h1+h2))^0.5 |
| 37 |
マッハ数 |
MACH |
- |
0.4401 |
|
|
|
=V2/a2 |
| 38 |
単位面積流量 |
g' |
kg/s/m2 |
91331 |
90315 |
72087 |
75265 |
=V2*ρ2 |
| 39 |
単位面積流量’ |
g' |
kg/s/m2 |
91331 |
|
|
|
=Ps*10^6*((2/(R'×Ts*k/(k-1)×((Pmax/Ps)^(2/k)-(Pmax/Ps)^((k+1)/k))^0.5 |
| 40 |
必要噴口面積 |
A |
mm2 |
12.21 |
12.35 |
12.21 |
12.21 |
=G'/g' |
| 41 |
噴孔直径 |
φd |
mm |
3.94 |
3.97 |
|
|
=(A×4/PI())^0.5 |
| 42 |
噴孔直径（12穴） |
φd' |
mm |
1.1382 |
1.1446 |
|
|
=(A/12×4/PI())^0.5 |
| 43 |
流量係数0.6 |
A' |
mm2 |
20.4 |
20.6 |
20.4 |
20.4 |
|
| 44 |
流量係数0.8 |
A' |
mm2 |
15.3 |
15.4 |
15.3 |
15.3 |
|
|
H2O噴射：噴射期間45deg、噴射量3.0倍
N2噴射：H2Oでの噴孔15.3m［mm2］でどれほど噴射量が得られるか計算
表. 3-2-2 通路面積の決定
| |
|
|
|
|
1弁 |
2弁 |
3弁 |
備考 |
| 入力 |
|
|
|
|
SRベース |
SRベース |
SRベース |
|
| 1 |
燃料供給圧 |
Ps |
MPa |
35 |
35 |
35 |
|
| 2 |
1cyl弁数 |
|
|
1 |
2 |
3 |
|
| 3 |
|
|
|
Cd=0.8 |
Cd=0.8 |
Cd=0.8 |
|
| 4 |
|
目標噴孔総面積 |
|
mm2 |
15.0 |
7.5 |
5.0 |
|
| 5 |
噴孔 |
穴径 |
dn |
mm |
1.46 |
1.78 |
1.46 |
|
| *6 |
穴数 |
N |
|
9.0 |
3.0 |
3.0 |
下表より |
| 7 |
総面積 |
An |
mm2 |
15.0 |
7.5 |
5.0 |
|
| 8 |
サック部 |
サック径 |
ds |
mm |
7.501 |
5.3 |
4.3 |
|
| 9 |
断面積 |
As |
mm2 |
44.2 |
22.1 |
14.7 |
|
| *10 |
針弁先端 |
針弁リフト
|
x
|
mm
|
1.50
|
1.06
|
0.87
|
|
| 11 |
リフト時流路面積 |
Axs |
mm2 |
22.5 |
11.3 |
7.5 |
|
| *12 |
針弁 |
針弁下部径 |
dxi |
mm |
13.1 |
9.3 |
7.6 |
サック径の1.75倍 |
| 13 |
針弁下部流路外径 |
dxo |
mm |
- |
- |
- |
|
| 14 |
針弁下部通路面積 |
Ax |
mm2 |
|
|
|
|
| *15 |
ノズル内 |
導管径 |
d0 |
mm |
9.3 |
6.6 |
5.4 |
|
| 16 |
本数 |
N0 |
|
1.0 |
1.0 |
1.0 |
|
| 17 |
総面積 |
A0 |
mm2 |
67.9 |
34.2 |
22.9 |
|
| *18 |
本体内 |
導管径 |
d1 |
mm |
11.2 |
7.9 |
6.5 |
|
| *19 |
本数 |
N1 |
|
1.0 |
1.0 |
1.0 |
|
| 20 |
総面積 |
A1 |
mm2 |
98.5 |
49.0 |
33.2 |
|
| 21 |
|
An/An 噴孔 |
An/An |
|
1.0 |
1.0 |
1.0 |
|
| 22 |
As/An サック |
As/An |
|
2.95 |
2.95 |
2.95 |
|
| 23 |
Axs/An 着座部 |
Axs/An |
|
1.50 |
1.50 |
1.50 |
1.5を目標とする。 |
| 24 |
Ax/An |
Ax/An |
|
- |
- |
- |
|
| 25 |
A0/An 導管部 |
A0/An |
|
4.53 |
4.56 |
4.58 |
|
| 26 |
A1/An 導管入口 |
A1/An |
|
6.57 |
6.54 |
6.64 |
|
| *27 |
受圧面積 |
針弁上部径 |
dg |
mm |
- |
- |
- |
|
| 28 |
針弁下部受圧面積 |
Axi |
mm2 |
135.3 |
67.7 |
45.1 |
|
| 29 |
針弁上部受圧面積 |
Ag |
mm2 |
|
|
|
|
| 30 |
上／下部受圧面積比 |
Ag/Axi |
mm2 |
|
|
|
|
| 31 |
|
噴孔配置角度 |
θn |
deg |
150.0 |
150.0 |
150.0 |
|
| 32 |
噴孔ピッチ（サック径に対して） |
P |
mm |
2.455 |
3.472 |
2.835 |
|
| 33 |
ピッチと噴孔径の割合 |
P/dh |
- |
1.685 |
1.946 |
1.946 |
>>1.7目標 |
| 34 |
サック径に対する針弁リフト |
x/ds |
- |
0.200 |
0.200 |
0.200 |
0.2とした。 |
| 35 |
|
サック径に対する針弁径 |
dxi/ds |
|
1.75 |
1.75 |
1.75 |
サック径の1.75倍 |
|
表. 3-2-3 噴孔数の決定
サイドの場合噴孔配置角度は150度とした。
またとくに1弁の場合噴孔は2段（上段5＋下段4＝9）
P/dn>1.7を目標に決定
・中央で1弁の場合、噴孔記置は360度とした。
・ピッチに余裕がでるため、15噴孔でもOK
・2、3弁の場合はサイドと同様噴孔配置は150度とする。
図. 3-2-1 超臨界水噴射弁組立図
|
（拡大画面：63KB）
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