ブックタイトルマツダ技報　2016 No.33

概要

マツダ技報　2016 No.33

マツダ技報No.33(2016)論文・解説18高応答遮熱壁面が速度境界層内現象に及ぼす影響The influence of high-response heat insulation wall surfaceon the velocity boundary layer phenomena原田雄司*2*1 *3田中達也中尾裕典Tatsuya TanakaYuji HaradaYusuke Nakao山下洋幸*5*4 *6服平次男山本寿英Tsugio FukubeHiroyuki YamashitaToshihide Yamamoto要約エンジンの熱効率向上が強く求められており,その向上策の一つとして,低熱伝導・低比熱の遮熱材を燃焼室壁へ塗布することで,壁温がガス温に追従して振幅し,冷却損失低減により熱効率の向上を図る方法が期待されている。ここでは遮熱材を最適化し,冷却損失の低減を最大化することを目指して,遮熱壁近傍の熱流体現象に起因する伝熱メカニズムを明らかにすることを目的としており,本報では,二次元流速計測法と薄膜積層熱電対を急速圧縮膨張装置に適用し、遮熱材を塗布した壁近傍の境界層内のガス速度と遮熱壁面温度を計測することで,各種乱流特性値が伝熱メカニズムへ及ぼす影響について明らかにした。SummaryImprovement of thermal efficiency is strongly required for automotive engines. To reduce heat loss,heat insulation coating of low heat conductivity and capacity to combustion chamber walls is proved to beeffective. To optimize the specifications of the heat insulation coating, it is necessary to find the heattransfer mechanism between gas and the wall surfaces as well as the wall temperatures. For thatpurpose, the heat loss process originated in thermal fluid near the wall was investigated. To clarify theeffects of turbulent characteristics on heat transfer mechanism, a micro-particle image velocimetrymethod and a thin film thermocouple were applied to a rapid compression and expansion machine, andthe gas velocity in the boundary layer near the heat insulated wall and the wall temperature weremeasured.1.はじめに温暖化やエネルギーセキュリティ等の地球規模の課題に対応するため,内燃機関の熱効率向上が強く求められている。その内燃機関の熱効率向上策の一つとして,低熱伝導かつ低比熱の遮熱材を燃焼室壁へ塗布することで,壁温がガス温に追従して振幅し,冷却損失低減により熱効率の向上が期待できる方法(1)~(6)が知られている。そこでは,遮熱壁近傍の熱流体現象に起因する伝熱メカニズムを明らかにすることで,遮熱材の仕様を最適化し,冷却損失の低減を最大化する必要がある。壁近傍の熱流体現象に関しては,トルエンのレーザー誘起蛍光法により加熱壁上での境界層内温度分布の詳細な計測を行った例(7)や,抵抗線温度計を用いて急速圧縮膨張装置の燃焼室壁近傍のガス温度を直接測定した研究(8)がある。しかしながら,遮熱壁近傍の伝熱メカニズムにおいて重要になるのは,ガスと壁間の界面(壁面)の温度とその界面に対して熱エネルギーを輸送する流動の状態であり,ガス温度の情報だけでは不十分である。遮熱壁の壁面温度に関しては,薄膜積層熱電対によって遮熱材を塗布した急速圧縮膨張装置の燃焼室壁の表面温度の計測および熱流束の算出を行った研究(9),(10)や,燐光体寿命法による可視化ディーゼルエンジン内のピストン遮熱壁の表面温度の計測を行った報告(11)がある。薄膜積層熱電対は熱電対の熱容量を低減することで,遮熱材の温度振幅に追従した高応答計測ができるが,燐光体寿命法は,燐光体の塗布厚さおよび燐光体温度と遮熱材温度の関係が明確になっておらず定量的な壁温計測には更なる研究が必要である。一方,壁近傍の流動計測に関しては,可視化エンジンにμPIV計測法を適用し,壁から50μmレベルの分解能でガス速度の計測を行った例(12)があるが,ガス速度分布を壁関数(13)の校正に適用するに留まり,壁近傍の乱流特性量と伝熱メカニズムと*1~6技術研究所Technical Research Center-100-