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Abnormal and Normal Combustion in an Aircraft Engine

エンジンの内部では、圧縮された空気と燃料の混合気(Fuel/Air Mixture)がスパーク(点火)プラグによって燃焼(Combustion)します。 シリンダー内部の混合気がピストンで圧縮され、最高のタイミングでスパークプラグが火花を散して、混合気が規則正しく燃焼します。 この規則正しい燃焼がピストン・エンジンの性能をフルに出し、またエンジンの寿命も長くなります。

通常の燃焼
エンジンが普通に動いている状態。
シリンダー内部の排気ガスが排出されると、今度は新しい混合気(Fuel/Air Mixture)が入ってきます。次はピストンが上に押し上げられて圧縮されます。圧縮されると、タイミングの良い所で、Spark Plug(点火プラグ)に火花が散り、その火花が圧縮された混合気を「燃焼、Burning または Combustion」させます。この燃焼では、プラグの部分から規則だ出しく燃焼が始まり、スムーズに、綺麗に大きく膨張します。 この膨張がピストンを押し下げ、エンジンの出力となります。

異常燃焼
エンジンに異常が生じるとDetonation(デトネーション)やPre-Iginition(早期点火)と言う危険な状態が発生します。

Detonationとは混合気が、勝手に自然発火、爆発してしまう状態です。英語では"Explosion"と言います。 これはタイミングとかを無視した状態で起こるのでエンジンの出力が大きく低下し、最悪の場合はエンジンを完璧に破損させてしまいます。ノッキング(Knoking)と言う状態でもあります。Detonationを起すとタイミングがバラバラの為、凄く大きな振動と出力の低下を感じます。通常のBurning / Cumbustionの変わりに燃料が爆発(Explosion/自然発火)してしまう場合をDetonationと言います。

Detonationが起こる時
・エンジンが高温過ぎる時 (High Power and Slow Airpseed)
シリンダー内部が高温すぎると発生しやすくなります。 離陸時の高出力で夏場の暑い時間帯が危険です。
また航空機のエンジンは多くが空冷式ですから、速度が無いと冷却効果が薄れます。
下記の状態ではDetonationなどが発生しなくても、エンジンの温度が高くなります

  • 急上昇 (Steep Climb)
    上と同じ様な理由です。 急上昇をするにはエンジン出力が大きくなりますが、速度が遅くなる為にエンジンの温度が上昇します。無理をし過ぎるとDetonationを起します。
  • 燃料比率が低すぎる場合 (Excessively Lean Mixture)
    エンジンは若干多い目にガソリンを送り込んで、ちょっと燃え残ったガソリンが熱を逃がします。余裕が無いとエンジンが高温になります。 またガソリンの量が少なすぎる(空気が多すぎる)と燃焼効率が悪くなって、デトネーションを起す場合があります。
  • 等級以下の燃料の使用 Lower Fuel Grade than Specified
    メーカーが指定した等級より下の燃料を使った時にDetonationが起こりやすくなります。
    ガソリンの等級はオクタン価と言う数値で、Detonationに対する燃料の耐久性の数値です。 数字の大きい方がDetonationに対して強く、数字が小さいとDetonationが発生しやすくなります。ここで勘違いして欲しくないのは、等級が低い方が燃えやすく、火力が強いのです。等級が高い方が火力は落ちますが、圧縮に対して強くなります。 グレードの高いガソリンは、爆発力は落ちますがより高い圧縮率を得られるので、結果的に高出力を得る事ができます。グレードの低いガソリンは現在の高圧縮エンジンには耐え切らずに、Detonationを起してします。
  • High Manifold Pressure and Low RPM(Constant Speed Propellerの場合)
    すいません。ちょっと理由が分りませんがテキストに書かれてたので。 (勘で書くと、、、シリンダー内部が高圧になるけど、回転が遅い為に点火が遅れるのでDetoantionが起こるのかな。)

Detonationを防ぐのと対処法
高温になったエンジンが大きな理由です、高温にしない事が方法でもあります。
下記はDetonationを防いだりする為でもありますが、エンジン温度を下げる効果・方法でも有ります。

  • Preflightで必ず、燃料のGradeを確認する。
    航空燃料には等級が分かる様に、色付けされています。必ず飛行前に燃料を点検してください。 使用できる燃料はPOHに書かれていますし、多くの場合、Placardにも書かれているはずです。 燃料についてはこちらでも。
  • 高出力で低速度を可能な限り避ける。
    離陸中には必要な状況ですが、可能な限り避けて下さい。 高温がDetonationなどの問題を起します。
    Detoanationなどの異常を感じたら、可能な限り頭を下げて、速度を上げてください。飛行機は空冷式のエンジンが多いので、速度が速くなると冷却が進みます。 また出力を少しでも下げ、エンジン自体が高温になる事を避けます。
    High RPM (High Power,Manifold Pressure)で、Low Airspeed、Steep Climbは危険と頭に入れてくださいね。
    逆の事をすれば、安全に飛行できます。 夏場のShort Fieldからの離陸は注意ですよ。
  • MixtureをRichに
    Fuel/Air Mixtureが薄すぎる(Lean)だと、高温にもなり、Detonationが起こりやすくなります。 MixtureをRichにする事によって、余分な燃料がエンジンの熱を排出してくれる事にもなります。
    Carburetor Heatを引っ張る(On)にするとRichになるとも言えますが、熱い空気がエンジンに入り込むので、対処法では有りません。
  • Cowl FlapをOpen(明ける)
    手動式のCowl Flapを登載している飛行機では、離陸の際やTaxi中はCowl FlapをOPENしましょう。(明ける) またエンジン温度が高い時もOpenにして少しでも多くの空気を循環させて、エンジンを冷却させましょう。 (C-152/172には付いていませんが、C-182クラスから増えてきます。)
  • Engine Instrumentを見る癖をつけよう。
    どうしてもFlight Instrumentに眼が行ってしまいますが、Engineの状況も確認する事でDetonationなどの異常を防ぐ事が可能です。

Preignitionとはシリンダー内部の一部が凄く熱くなって、スパークプラグが点火する前に、その部分から先に混合気の燃焼が始まる事を言います。するとより早く点火する事になるので、タイミングがバラバラになります。よく言われるのが燃えカス(Carbon Deposit)が熱を持って発生してしまう事が多いです。またシリンダー内やプラグの傷が原因の場合もあります。Pre-iginitionは、通常燃焼の先に起こるので"in advance"と言う単語が良く出てきますので、和訳は「〜よりも先に」と覚えておいて下さい。危険度はDetonationと同じで、対処法もDetonationと同じ方法が最適でしょう。

この2つの関係
両方とも違う現象ですが、原因は同じ様な物です。 またDetonationがPre-Ignitionを誘発したり、逆の事もあります。そして同時にも起こります。また操縦している者に取っては、区別はまず付ないでしょう。両方とも高温で発生し、出力の低下と振動を伴います。また実際の飛行中に命を掛けて訓練するものでは有りませんので異常震度を感じた時はDetoantionなどを疑って、即座に出力を下げ、速度を上げて、MixtureをRichにして様子を見てください。

 

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