2015 Fiscal Year Research-status Report
ピストンスラップによるライナーキャビテーションの実構造における予測法の開発
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26420177
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
太田 和秀 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60403929)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ライナーキャビテーション / ピストンスラップ / 内燃機関 / 冷却水 / 構造音場連成振動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エンジンの構造振動特性と冷却水内音場の振動特性は有限要素法で求め，モード解析法を用いて両者の連成振動特性を求める計算法を前年度までの研究で開発した．本年度はクランク軸や歯車軸系等の回転軸系が装着されたエンジン構造に筒内圧(ガス爆発力)，ピストンスラップ力を作用させて，実機運転状態でのエンジン各部の振動応答波形と冷却水内圧力変動波形の時刻歴応答解析法を開発した．
水中の音速は気泡含有量によって敏感に変化するので，水中音速をパラメーターとして，エンジン構造と冷却水内音場の連成振動応答計算を実施し，ライナー接水面での圧力変動を評価した．その結果，特定のシリンダーで圧力振幅が最大になり，その値も特定の音速でピーク値を取ることが明らかになった．ライナーが大きく振動するモードと冷却水内音場の圧力変動が前後方向に変化するモードの固有振動数が近接すると水圧変動が増大し，ピストンとライナーのクリアランス増大などでピストンスラップ力が大きくなると，圧力変動が飽和蒸気圧を下回るキャビテーション発生条件に到達することを確認した．これらの計算結果は特定のシリンダーでキャビテーションエロージョンが発生する事象と対応しているが，詳細は実機の運転状態での圧力変動計測で確認する必要がある．
また，ライナー振動と冷却水内圧力変動波形のピーク値は，殆どピストンスラップ力で決定されることを，エンジンの全起振力を作用させた場合とピストンスラップを除いた起振力を作用させた場合の水圧変動の計算結果を比較することで明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
構造の固有振動特性を有限要素法で求め，冷却水内音場の固有音響特性を有限要素法や境界要素法で求めて，両者の連成振動応答をモード解析法で簡単に計算できる方法を提案し，箱形モデルでの加振試験でその妥当性を検証した．水音場は構造振動に対して付加水質量効果だけでなく，付加剛性効果も有していることを実験と計算で確認した．また水中音速が微小な泡の混入で大きく変化することを確認し，水圧変動予測計算では水中音速を変化させたパラメータ計算が必要であることを明らかにした．
また，箱形モデル試験で加振力を大きくしていくと，負側の水圧変動が飽和蒸気圧を下回るようになることを実験と計算で確認した．キャビテーション発生状態では気泡の崩壊による高周波数域の水中音が発生することが報告されているが，本研究の実験でもキャビテーションに対応すると考えられる高周波の水中音が観測され，本研究で用いているキャビテーション発生のクライテリアが有効であることを確認できた．
実機でのライナーキャビテーションは特定のシリンダーで発生することが多く，その原因が不明であった．本研究では実機エンジンの構造振動特性と冷却水音場の音響特性を有限要素法や境界要素法で求めて，両者が連成した状態での運転時の水圧変動波形の計算を可能とした．計算された水圧変動波形は各シリンダーで異なり，特定のシリンダーで水圧変動の最大値が発生することが明らかになった．また水圧変動の最大値は水中音速で変化し，音場と構造の特定の振動モードの固有振動数の近接度が大きく影響していることを明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
エンジン構造振動特性の有限要素法による計算結果の妥当性は加振試験で検証することができるが，複雑な形状を有する冷却水内音場の音響特性は気泡の混入量や混入個所で大きく変化するので，これまで計算結果と比較できる明確な計測結果が得られていなかった．そこで今年度は実機に注入した冷却水に圧力を加えて気泡を消滅させるデバイスを製作して，実機のシリンダーを加振して加圧状態の水圧変動を計測する．これらの計測結果と計算結果を比較して水圧変動を用いたライナキャビテーション発生予測法の妥当性と実機適用性を確認する，
また，昨年度までの研究で明らかになった，ピストンスラップによる冷却水内の水圧変動増大に及ぼすエンジンブロックと冷却水内音場の振動モードの組み合わせと固有振動数の近接度の影響を実験的に検証するために，４シリンダーを側板と底板で囲む試験モデルを製作する．構造の振動数は質量を付加して調整し，水音場の固有振動数は水位で調整して，構造と音場の連成振動特性を変化させることによって，水圧変動の最大値が増減することを実験的に確認するとともに検証計算を行う．
以上の計測結果と計算結果を取りまとめて，ライナーキャビテーションを防止するためのエンジンブロックと冷却水音場の形状決定法を提案する．また，ライナーキャビテーションを低減するためのピストンスラップ低減対策 (たとえばピストンクリアランスやピストン形状の変更) も検討する．
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| Causes of Carryover |
実験用の多気筒エンジンモデルと実機エンジン改造を第一ステップと第2ステップに分けて実施予定であったが，第一ステップの実験と計算結果の比較検討に手間取り，第2ステップに進めなかったため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
第2ステップの実験装置改造に使用する．
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