エアフローベンチ

エアフローベンチは、エンジン部品の内部の空気力学的特性をテストするために使用される装置であり、より一般的な風洞に関連しています。

これは主に、内燃機関のシリンダー ヘッドの吸気ポートと排気ポートのテストに使用されます。また、エア フィルター、キャブレター、マニホールド、ガスを流すために必要なその他の部品など、あらゆるコンポーネントの流量能力をテストするためにも使用されます。フロー ベンチは、高性能エンジン ビルダーの主要なツールの 1 つであり、これがなければシリンダー ヘッドのポート作業は成功か失敗かのどちらかになります。

フローベンチは、何らかのエアポンプ、計量要素、圧力計などの圧力および温度測定機器、およびさまざまな制御装置で構成されています。試験片はポンプと測定要素に直列に接続され、空気がシステム全体に送り込まれます。したがって、計量要素を通過するすべての空気は、試験片も通過します。計量要素を通過する体積流量は既知であり、試験片を通過する流量も同じであるため、これも既知です。既知の圧力と温度のデータを使用して空気の密度を計算し、体積流量を掛けることで、質量流量を計算できます。

使用するエアポンプは、必要な圧力で必要な量を供給できなければなりません。ほとんどの流量テストは、10 インチおよび 28 インチの水圧 (2.5 ～ 7キロパスカル) で行われます。他のテスト圧力でも機能しますが、他の作業と比較するには結果を変換する必要があります。発生する圧力は、テスト圧力、計量要素での損失、およびその他すべてのシステム損失を考慮する必要があります。計量要素の精度が高いほど、損失が大きくなります。テスト対象のエンジンのサイズに応じて、100 ～ 600立方フィート/分(0.05 ～ 0.28 m³/s ) の流量であれば、ほぼすべての用途に対応できます。

必要な圧力差と流量を供給できる任意のタイプのポンプを使用できます。最もよく使用されるのは、掃除機やターボチャージャーで使用されていることでよく知られている動的圧縮遠心型コンプレッサーですが、ほとんどのジェットエンジンで使用されているものと同様の多段軸流コンプレッサータイプも使用できます。ただし、通常、ジェットエンジンほどの高流量は必要なく、また、空気抵抗の考慮によって制限されることもないため、追加コストや複雑さはほとんど必要ありません。空気の流れの脈動を減衰するための適切な措置を講じれば、ピストンコンプレッサーなどの容積型や、ルーツブロワーなどの回転型も使用できます (ただし、ツインスクリューコンプレッサーなどの他の回転型は、圧縮流体を安定して供給できます)。単一のファンブレードの圧力比は低すぎるため、使用できません。

使用される計測要素には、いくつかの種類があります。フローベンチでは通常、オリフィス プレート、ベンチュリ メーター、ピトー管/静圧管の 3 種類のいずれかが使用されます。これらはすべて、同様の精度を実現します。ほとんどの商用マシンでは、構造が簡単で、複数の流量範囲を簡単に提供できるため、オリフィス プレートが使用されています。ベンチュリを使用すると効率が大幅に向上しますが、コストが高くなります。

空気の流れの状態は、テストピース全体と計測要素全体の 2 か所で測定する必要があります。テストピース全体の圧力差により、テストを標準化できます。計測要素全体の圧力により、システム全体の実際の流れを計算できます。

試験片全体の圧力は、通常、U 字管 マノメーターで測定されますが、感度と精度を高めるために、計測要素全体の圧力差は傾斜マノメーターで測定されます。各マノメーターの一端は、それぞれのプレナム チャンバーに接続され、もう一端は大気に開放されています。

通常、すべてのフローベンチマノメータは水柱インチで測定しますが、傾斜マノメータの目盛りは通常、選択された計測要素の総流量のパーセンテージで読み取る 対数目盛りに置き換えられ、流量計算が簡単になります。

温度も考慮する必要があります。エアポンプは通過する空気を加熱し、下流の空気の密度を下げて粘性を高めるためです。この差を補正する必要があります。温度は、試験片プレナムと計量要素プレナムで測定されます。次に、流量計算中に補正係数が適用されます。フローベンチの設計によっては、エアポンプを計量要素の後ろに配置して、エアポンプによる加熱がそれほど大きな問題にならないようにするものもあります。

追加の圧力計をハンドヘルドプローブと一緒に設置して、港内の局所的な流れの状態を調べることもできます。

エアフローベンチは、シリンダーヘッドやテスト対象のあらゆる部品の特性に関する豊富なデータを提供します。主な関心事はバルクフローです。これは、一定時間内にポートを通過する空気の量です。立方フィート/分または立方メートル/秒/分で表されます。

バルブリフトは、小数インチまたは mm 単位の実寸として表すことができます。特性直径とリフトL / Dの比率として指定することもできます。最もよく使用されるのはバルブヘッド直径です。通常、エンジンのL / D比率は 0 から最大 0.35 までです。たとえば、直径 1 インチ (25 mm) のバルブは最大 0.350 インチリフトされます。フローテスト中、バルブはL / D 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 に設定され、連続的に読み取りが行われます。バルブリフトは絶対値ではなく比例値であるため、これによりポートの効率を他のバルブサイズと比較できます。他のテストと比較するには、リフトを決定するために使用される特性直径が同じである必要があります。

流量係数は、試験片の実際の流量と、等面積の完全なオリフィスの理論上の流量を比較することによって決定されます。したがって、流量係数は効率の正確な尺度となります。L / D はダクトの実際の最小サイズを示すものではないため、正確な値ではありません。

流量係数が0.59のオリフィスは、その面積の59%の完全なオリフィスと同じ量の流体を流すか、同じ面積の完全なオリフィスの流量の59%を流すことになります（図に示すタイプのオリフィスプレートの係数は、構造の詳細と周囲の設置に応じて0.58〜0.62になります）。^[1]

バルブ/ポート係数は無次元で、ポートの特性物理面積とバルク フロー数値を乗算し、その結果を同じ面積の理想的なオリフィスと比較することによって得られます。ここで、エア フロー ベンチ基準は流体力学や空気力学全般とは異なります。係数は、内側のバルブ シート直径、外側のバルブ ヘッド直径、ポート スロート面積、またはバルブ オープン カーテン面積に基づいて算出されます。これらの方法はそれぞれ、何らかの目的には有効ですが、いずれも問題のバルブ/ポートの真の最小面積を表すものではなく、それぞれ異なるフロー係数になります。さまざまなバルブ リフトすべてで実際の最小面積を測定するのは非常に難しいため、これを特性測定として使用することはできません。これは、最小面積がリフト サイクル全体にわたって形状と場所を変えるためです。この非標準化のため、ポート フロー係数は、フロー パスの実際の最小面積に基づく「真の」フロー係数ではありません。どの方法を選択するかは、データの用途によって異なります。エンジン シミュレーション アプリケーションごとに独自の仕様が必要です。結果を他の人の作業と比較する場合は、同じ方法を選択する必要があります。

追加の計器（圧力計とプローブ）を使用すると、ポート内の複数のポイントをプローブで測定して、ポートを通る詳細な流れをマッピングできます。これらのツールを使用すると、ポート全体の速度プロファイルをマッピングできるため、ポートの動作と、それを改善するために実行できる操作についての洞察が得られます。

1 分または 1 秒あたりの質量流量は、テストが稼働中のエンジンのものではないため、それほど重要ではありません。これは、指定された時間にポートを通過する空気の重量です。1 分/時間あたりのポンドまたは 1 秒/分あたりのキログラムで表されます。質量流量は、密度補正が適用された体積流量の結果から得られます。

フローベンチで収集された情報を使用して、さまざまな式を適用することで、エンジン出力曲線とシステムダイナミクスを大まかに推定できます。ただし、正確なエンジンシミュレーションソフトウェアの登場により、フローデータを使用してシミュレータ用のエンジンモデルを作成することがはるかに有用になりました。

空気速度の測定は、フローテストの有用な部分です。非圧縮フロー (230 Ft/s または 70 M/s 未満) の場合、この式は 12 インチの水または 306 mm の水のテスト圧力に対応する 1% 未満の誤差を与えます。計算は次のようになります。

1セットの英語単位

${\displaystyle V\approx 1096.7{\sqrt {\frac {H}{d}}}}$

どこ：

V、速度（フィート/分）

H、試験圧力計で測定された試験片全体の圧力降下（水柱インチ）

d、空気の密度（ポンド/立方フィート）（標準状態では0.075ポンド/立方フィート）^[2]

SI単位の場合

${\displaystyle V={\sqrt {\frac {2H}{d}}}}$

どこ：

V、速度（メートル毎秒）

H、試験圧力計で測定された試験片全体の圧力降下（パスカル）

d、空気の密度（キログラム/立方メートル）（標準状態では1.20キログラム/立方メートル）

これは、通常形状のポートの流路における空気の最高速度、つまり最小面積の断面またはその付近 (たとえば、L/D の値が低い場合のバルブ シートを通過する) を表します。これは、ベンチュリ管などの他の形状には当てはまりません。ベンチュリ管では、スロート内の局所速度がシステム全体の圧力降下によって示される速度よりもはるかに高くなる可能性があります。(ピトー管を使用して 230 Ft/s または 70 M/s を超える速度 (断熱) を測定する場合、圧縮性による誤差はこの式で 1% からマッハ 1 で約 26% まで徐々に増加します)

速度が計算されると、その速度にオリフィス面積と流量係数を掛けて体積を計算できます。

フローベンチは、実際のエンジン性能と密接に関連しているものの、完全には関連していないフローデータを提供することができます。この不一致の原因となる制限要因は数多くあります。

フローベンチは、一定の圧力差でポートをテストしますが、実際のエンジンでは、サイクル全体を通じて圧力差が大きく変化します。フローベンチテストで存在する正確なフロー条件は、実際に稼働しているエンジンではほんの一瞬しか存在しません。稼働中のエンジンでは、空気はフローベンチの安定した流れではなく、強い波となって流れます。燃料/空気柱のこの加速/減速により、フローベンチテストでは考慮されていない影響が生じます。

このグラフは、エンジン シミュレーション プログラムで生成され、フロー ベンチの安定したテスト圧力と比較して、稼働中のエンジンの圧力がどの程度変化するかを示しています。

（グラフを見ると、この場合、吸気バルブが開くと、シリンダー圧力が大気圧（約 50% または 1.5 bar または 150 kPa）以上）を超えていることがわかります。これにより、シリンダー内の圧力がポート圧力を下回るまで、吸気ポートへの逆流が 発生します。）

ポートの係数は、レイノルズ数の変化により異なる圧力差で多少変化し、動的相似性が失われる可能性があります。フローベンチテストの圧力は通常、10 ～ 28 水インチ (2.5 ～ 7 kPa) で実施されますが、実際のエンジンでは 190 水インチ (47 kPa) の圧力差が生じる可能性があります。

フローベンチテストでは空気のみを使用しますが、実際のエンジンでは通常、燃料の液滴と燃料蒸気が混ざった空気を使用します。これは大きく異なります。ポートランナーを通過する燃料の蒸発により、ランナーに沿った空気流にガスが追加され、その温度が下がり、ポートランナーに入る流量よりも出口の流量がわずかに高くなります。乾燥した空気がよく流れるポートでは、燃料の液滴が懸濁液から落ちて、流量の数値だけでは示されない出力損失が発生する可能性があります。

大きなポートとバルブはフローベンチで高い流量を示すことができますが、速度が低下して実際のエンジンのガスダイナミクスが損なわれる可能性があります。ポートが大きすぎると、燃料の落下にもつながります。

作動中のエンジンは室温よりもはるかに高温であり、システムのさまざまな部分の温度は大きく異なります。これは、実際の流れ、燃料の影響、およびフローベンチには存在しないエンジン内の動的波の影響に影響します。

ピストンの近接性、形状、動き、およびバルブ自体の動きにより、実際のエンジンのフロー条件は大きく変化しますが、これはフローベンチテストでは存在しません。

フローベンチでシミュレートされた流れは、実際の排気ポートの流れとほとんど類似していません。ここでは、フローベンチで測定された係数さえも不正確です。これは、圧力と温度が非常に高く、範囲が広いためです。上のグラフから、ポート内の圧力が 2.5 bar (250 kPa ) に達し、シリンダーが開いたときの圧力が 6 bar (600 kPa) 以上であることがわかります。これは、一般的なフローベンチの能力である 0.06 bar (6 kPa) の何倍も大きいです。

実際の排気ポートの流れは、チョークフローが発生し、一部の領域では音速に達することもあります。非常に高い温度によりガスの粘度が増加し、レイノルズ数が大幅に変化します。

上記に加えて、下流の要素が排気ポートの流れに及ぼす影響は計り知れません。吸気側にある上流の要素よりもはるかに大きな影響があります。

排気ポートのサイズと流量に関する情報は曖昧であると考えられるかもしれませんが、最適なパフォーマンスのベースラインを作成する際に使用される特定のガイドラインがあります。もちろん、このベースラインは、ダイナモメーターによってさらに調整され、認定されます。

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