概要：本論文では、ディーゼルエンジンの排気ガス流を利用して真空を得るディーゼルエンジン自吸式ポンプユニットを紹介する。このユニットは、遠心ポンプ、ディーゼルエンジン、クラッチ、ベンチュリ管、マフラー、排気管などから構成される。ディーゼルエンジンの出力軸はクラッチとカップリングで構成されている。マフラーは遠心ポンプの入力軸に接続され、ディーゼルエンジンのマフラーの排気口にはゲートバルブが設置されている。マフラーの側面には排気管が別途配置され、排気管はベンチュリ管の吸気口に接続され、ベンチュリ管の側面のインターフェースは遠心ポンプのポンプ室の排気口に接続され、配管にはゲートバルブと真空逆止弁が設置され、出口管はベンチュリ管の排気口に接続されている。ディーゼルエンジンから排出された排気ガスはベンチュリ管に排出され、遠心ポンプのポンプ室内のガスと遠心ポンプの給水管内のガスが排出されて真空状態が形成される。これにより、遠心ポンプの給水口より低い位置にある水がポンプ室内に吸い込まれ、正常な排水が実現される。
ディーゼルエンジンポンプユニットは、ディーゼルエンジンを動力源とする給水ポンプユニットであり、排水、農業灌漑、消防、一時的な水移送などに広く使用されています。ディーゼルエンジンポンプは、給水ポンプの取水口より低い位置から水を汲み上げるような状況でよく使用されます。現在、このような状況で水を汲み上げるには、以下の方法がよく用いられています。
01．吸込プール内のウォーターポンプの吸込管の端に底弁を取り付けます。ディーゼルエンジンポンプセットを始動する前に、ウォーターポンプのキャビティに水を満たします。ポンプチャンバーとウォーターポンプの吸込管内の空気を排出した後、ディーゼルエンジンポンプセットを始動して、正常な給水を実現します。底弁はプールの底に設置されているため、底弁が故障した場合、メンテナンスが非常に不便です。また、大流量ディーゼルエンジンポンプセットの場合、ポンプキャビティが大きく、吸込管の直径も大きいため、大量の水が必要となり、自動化の度合いが低く、非常に使いづらいです。
02．ディーゼルエンジンポンプセットにはディーゼルエンジン真空ポンプセットが装備されています。まずディーゼルエンジン真空ポンプセットを起動すると、ポンプ室とウォーターポンプの給水管内の空気が排出され、真空状態が生成されます。水源の水は、大気圧の作用によりウォーターポンプの給水管とポンプ室に入ります。内部でディーゼルエンジンポンプセットを再起動すると、通常の給水が実現します。この吸水方式の真空ポンプもディーゼルエンジンで駆動する必要があり、真空ポンプには蒸気水分離器を装備する必要があるため、装置の占有スペースが増加するだけでなく、装置コストも増加します。
03 、自吸式ポンプはディーゼルエンジンと組み合わせて使用されます。自吸式ポンプは効率が低く容量が大きく、流量が少なく揚程が低いため、多くの場合、使用要件を満たせません。ディーゼルエンジンポンプセットの設備コストを削減し、ポンプセットの占有スペースを縮小し、ディーゼルエンジンポンプセットの使用範囲を拡大し、高速回転するディーゼルエンジンから発生する排気ガスをベンチュリ管[1]を通して最大限に利用するために、遠心ポンプ室と遠心ポンプ入口配管内のガスは、遠心ポンプ室の排気ポートに接続されたベンチュリ管の吸込インターフェースを通して排出され、遠心ポンプ室と遠心ポンプ入口配管内に真空が発生し、遠心ポンプ入口より低い位置にある水源の水は、大気圧の作用により、遠心ポンプ入口配管と遠心ポンプ室に入り込み、遠心ポンプ入口配管と遠心ポンプ室を満たし、その後クラッチを始動してディーゼルエンジンと遠心ポンプを接続します。ポンプが作動し、遠心ポンプが正常な給水を実現します。
２：ベンチュリ管の動作原理
ベンチュリ管は、流体を用いてエネルギーと質量を伝達する真空発生装置です。その一般的な構造を図1に示します。作動ノズル、吸引部、混合室、スロート、ディフューザーから構成されています。これは真空発生器です。この装置の主要構成要素は、正圧流体源を用いて負圧を発生させる、新しく効率的でクリーンかつ経済的な真空素子です。真空発生の動作プロセスは以下のとおりです。
01 、ポイント 1 からポイント 3 までのセクションは、作動ノズル内の動的流体の加速段階です。高圧の駆動流体は、作動ノズル入口 (ポイント 1 セクション) でより低い速度でベンチュリの作動ノズルに入ります。作動ノズルのテーパーセクション (セクション 1 からセクション 2) を流れるとき、流体力学から、非圧縮性流体の連続の式 [2] に対して、セクション 1 の動的流体流量 Q1 とセクション 2 の動的力 Q2 の間の関係は Q1=Q2 であることがわかっています。
Sciliset A1v1= A2v2
式において、A1、A2は点1と点2の断面積（m2）を表す。
v1、v2 — 点1セクションと点2セクションを流れる流体の速度（m/s）。
上記の式から、断面積が増加すると流速は減少し、断面積が減少すると流速は増加することがわかる。
水平パイプの場合、非圧縮性流体に対するベルヌーイの式によれば
P1+（1/2）*ρv12=P2+(1/2)ρv22
式中、P1、P2はそれぞれ点1と点2の断面における対応する圧力（Pa）を表します。
v1、v2 — 点1および点2の断面を流れる流体の速度（m/s）
ρ — 流体の密度 (kg/m³)
上記の式から、動的流体の流速は点1から点2にかけて連続的に増加し、圧力は連続的に減少することがわかります。v2>v1、P1>P2のとき、v2が一定の値（音速に達することができる値）まで増加すると、P2は1気圧未満となり、つまり点3の断面で負圧が発生します。
作動流体が作動ノズルの膨張部、すなわち点2から点3までの区間に入ると、作動流体の速度は上昇し続け、圧力は低下し続けます。作動流体が作動ノズルの出口部（点3の区間）に到達すると、作動流体の速度は最大となり、超音速に達します。このとき、点3の区間の圧力は最小となり、すなわち真空度は最大となり、90kPaに達します。
02.、ポイント3からポイント5までのセクションは、駆動流体とポンプで送られる流体の混合段階です。
作動ノズル出口部（点3のセクション）で動的流体によって形成された高速流体は、作動ノズル出口付近に真空領域を形成するため、比較的高い圧力付近の吸引流体は圧力差の作用により混合室に吸い込まれる。ポンプされた流体は点9のセクションで混合室に吸い込まれる。点9のセクションから点5のセクションへの流れの間、ポンプされた流体の速度は連続的に増加し、圧力は点9のセクションから点3のセクションまでの間、作動ノズル出口部（点3）の流体の圧力まで低下し続ける。
混合室部とスロート前部（3点目から6点目までの区間）では、駆動流体と送液される流体が混合し始め、運動量とエネルギーが交換され、駆動流体の圧力ポテンシャルエネルギーから変換された運動エネルギーが送液される流体に伝達されます。これにより、動流体の速度は徐々に減少し、吸引体の速度は徐々に増加し、2つの速度は徐々に減少して近づきます。最終的に、4点目では2つの速度が同じ速度に達し、ベンチュリ管のスロート部とディフューザーから流体が排出されます。
三：ディーゼルエンジンの排気ガス流を利用して真空を得る自吸式ポンプ群の構成と動作原理
ディーゼルエンジンの排気とは、ディーゼルエンジンが軽油を燃焼した後に排出する排気ガスを指します。これは排気ガスの一種ですが、この排気ガスには一定の熱と圧力があります。関連研究部門による試験の結果、ターボチャージャー[3]を搭載したディーゼルエンジンから排出される排気ガスの圧力は0.2MPaに達することがあります。エネルギーの効率的な利用、環境保護、運転コストの削減の観点から、ディーゼルエンジンの運転から排出される排気ガスの利用は研究テーマとなっています。ターボチャージャー[3]は、ディーゼルエンジンの運転から排出される排気ガスを利用します。動力駆動部品として、ディーゼルエンジンのシリンダーに入る空気の圧力を高めるために使用され、ディーゼルエンジンがより完全に燃焼できるようにすることで、ディーゼルエンジンの出力性能を向上させ、比出力を向上させ、燃費を向上させ、騒音を低減します。以下に示すのは、ディーゼルエンジンの運転時に排出される排気ガスを動力流体として利用する方式であり、遠心ポンプのポンプ室および給水管内のガスをベンチュリ管を通して吸引し、遠心ポンプのポンプ室および給水管内に真空を発生させる。大気圧の作用により、遠心ポンプの入口の水源よりも低い位置にある水が遠心ポンプの入口配管およびポンプ室に入り込み、それによって入口配管およびポンプ室が満たされ、遠心ポンプが作動して正常な給水を実現する。その構造を図2に示し、動作プロセスは以下のとおりである。
図2に示すように、遠心ポンプの給水口は、ポンプ吐出口より下のプール内に沈められた配管に接続され、吐出口はポンプ吐出弁および配管に接続されている。ディーゼルエンジンが作動する前は、遠心ポンプの吐出弁は閉じられ、ゲート弁（6）が開かれ、クラッチを介して遠心ポンプはディーゼルエンジンから切り離される。ディーゼルエンジンが始動して正常に作動すると、ゲート弁（2）が閉じられ、ディーゼルエンジンから排出された排気ガスは、マフラーからの排気管（4）を通ってベンチュリ管に入り、排気管（11）から排出される。この過程では、ベンチュリ管の原理に従って、遠心ポンプのポンプ室内のガスはゲート弁および排気管を通ってベンチュリ管に入り、ディーゼルエンジンからの排気ガスと混合されてから排気管から排出される。このようにして、遠心ポンプのポンプ室と遠心ポンプの給水管内に真空が形成され、遠心ポンプの給水口より低い位置にある水源の水が、大気圧の作用により遠心ポンプの給水管を通って遠心ポンプのポンプ室に入ります。遠心ポンプのポンプ室と給水管が水で満たされたら、ゲートバルブ（6）を閉じ、ゲートバルブ（2）を開き、クラッチを介して遠心ポンプとディーゼルエンジンを接続し、遠心ポンプの排水バルブを開くと、ディーゼルエンジンポンプセットが正常に作動し、給水を開始します。テストの結果、ディーゼルエンジンポンプセットは、遠心ポンプの給水管より2メートル低い位置にある水を遠心ポンプのポンプ室に吸い上げることができることが確認されました。
上記ディーゼルエンジンからの排気ガス流を利用して真空を得るディーゼルエンジン自吸式ポンプ群は、以下の特徴を有する。
1. ディーゼルエンジンポンプセットの自吸能力の問題を効果的に解決する。
2. ベンチュリ管は小型軽量で構造もコンパクトであり、一般的な真空ポンプシステムよりもコストが低い。そのため、この構造のディーゼルエンジンポンプセットは、装置の占有スペースと設置コストを削減し、エンジニアリングコストを低減できる。
3. この構造のディーゼルエンジンポンプセットは、ディーゼルエンジンポンプセットの使用範囲を広げ、ディーゼルエンジンポンプセットの使用範囲を向上させます。
4. ベンチュリ管は操作が簡単で、メンテナンスも容易です。専任の担当者を配置する必要もありません。機械的な伝動部がないため、騒音も少なく、潤滑油も不要です。
5. ベンチュリ管は構造がシンプルで、耐用年数が長い。
この構造のディーゼルエンジンポンプセットは、遠心ポンプの吸水口よりも低い位置から水を吸い上げることができ、ディーゼルエンジンの運転によって排出される排気ガスをコアコンポーネントのベンチュリ管内を高速で流すことで、本来自吸機能を持たないディーゼルエンジンポンプセットに自吸機能を持たせることができる。
４：ディーゼルエンジンポンプセットの吸水高さを改善する
上述のディーゼルエンジン自吸式ポンプセットは、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスをベンチュリ管に流し込んで真空を得ることで自吸機能を発揮します。しかし、この構造のディーゼルエンジンポンプセットの動力流体はディーゼルエンジンから排出される排気ガスであり、圧力が比較的低いため、得られる真空度も比較的低く、遠心ポンプの吸込高さが制限され、ポンプセットの使用範囲も制限されます。遠心ポンプの吸込高さを上げるには、ベンチュリ管の吸込領域の真空度を上げる必要があります。ベンチュリ管の作動原理から、ベンチュリ管の吸込領域の真空度を上げるには、ベンチュリ管の作動ノズルを設計する必要があります。音速ノズル型、あるいは超音速ノズル型にすることで、ベンチュリ管を流れる流体の初期圧力を上げることができます。
ディーゼルエンジンポンプセット内を流れるベンチュリ駆動流体の初期圧力を高めるために、ディーゼルエンジンの排気管にターボチャージャーを取り付けることができる[3]。ターボチャージャー[3]は空気圧縮装置であり、エンジンから排出される排気ガスの慣性インパルスを利用してタービン室内のタービンを押し、タービンが同軸インペラを駆動し、インペラが空気を圧縮する。その構造と動作原理を図3に示す。ターボチャージャーは高圧、中圧、低圧の3種類に分けられる。出力圧縮ガスの圧力は、高圧が0.3MPa以上、中圧が0.1～0.3MPa、低圧が0.1MPa未満であり、ターボチャージャーから出力される圧縮ガスの圧力は比較的安定している。ターボチャージャーから入力される圧縮ガスをベンチュリ動力流体として使用すると、より高い真空度が得られ、すなわちディーゼルエンジンポンプセットの吸水高さが増加する。
五： 結論:ディーゼルエンジンの排気ガス流を利用して真空を得るディーゼルエンジン自吸式ポンプ群は、ディーゼルエンジンの運転中に発生する排気ガスの高速流、ベンチュリ管、およびターボチャージャー技術を最大限に活用し、遠心ポンプのポンプ室および給水管内のガスを吸引して真空を発生させます。これにより、遠心ポンプの水源よりも低い位置にある水が遠心ポンプの給水管およびポンプ室に吸い込まれ、ディーゼルエンジンポンプ群は自吸効果を発揮します。この構造のディーゼルエンジンポンプセットは、構造がシンプルで操作が容易、かつ低コストであるという利点を持ち、ディーゼルエンジンポンプセットの使用範囲を拡大します。
投稿日時：2022年8月17日