【自動車工学】ガソリンエンジンの仕組み(オットーサイクル)

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ガソリンエンジンの理論サイクルがオットーサイクルと呼ばれます。実際のガソリンエンジンでは様々な損失があるため、オットーサイクルの理論通りのサイクルにはなりませんが、理論サイクルを理解することはエンジン開発において開発の方向性を決めるために非常に大切です。まずはその理論について説明します。

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オットーサイクルの理論

図1:オットーサイクルのPV線図

図1はオットーサイクルのPV線図を示しています。ここで、PV線図とは横軸に体積、縦軸に圧力を取ったグラフのことであり、エンジンの場合は横軸がシリンダー体積、縦軸がシリンダー内圧に対応します。オットーサイクルは1から4までの行程を繰り返し行います。TDCとはTop Dead Centerの略で、ピストンが最上端に来た状態(体積最小)、BDCとはBottom Dead Centerの略で、ピストンが最下端に来た状態(体積最大)を指します。

断熱圧縮(1→2)

1→2は断熱圧縮をします。圧縮前の温度、圧力を\(P_1\)、\(T_1\)、圧縮後の温度、圧力を\(P_2\)、\(T_2\)とすると、$$P_2=P_1(\frac{V_{BDC}}{V_{TDC}})^\kappa$$$$T_2=T_1(\frac{V_{BDC}}{V_{TDC}})^{\kappa-1}$$が成り立ちます。

ここで、\(\kappa\)は比熱比です。

定積加熱(2→3)

2→3は定積加熱、つまり点火と燃焼と対応します。オットーサイクルでは、点火から燃焼までがTDCですべて完了するという仮定を置いています。TDCで点火した瞬間にすべての燃料が燃焼すると考えているため、2→3が定積変化となっています。

断熱膨張(3→4)

3→4は断熱膨張をします。膨張前の温度、圧力を\(P_3\)、\(T_3\)、膨張後の温度、圧力を\(P_4\)、\(T_4\)とすると、$$P_4=P_3(\frac{V_{TDC}}{V_{BDC}})^\kappa$$$$T_4=T_3(\frac{V_{TDC}}{V_{BDC}})^{\kappa-1}$$が成り立ちます。

定積冷却(4→1)

4→1は定積冷却をします。ピストンがBDCまで下がったタイミングで排気と吸気を同時に行います。これも定積加熱と同様に、BDCですべての排気ガスが吸気ガスにガス交換されるという仮定を置いています。

以上のように、ガリソンエンジンの理論サイクルであるオットーサイクルは2つの断熱変化と2つの定積変化が組み合わされて構成されています。

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オットーサイクルの理論熱効率

熱効率における圧縮比と比熱比の関係

オットーサイクルの理論熱効率\(\eta_{th}\)は以下の式で記述されます。$$\eta_{th}=1-\frac{1}{\varepsilon^{\kappa-1}}$$ここで、\(\varepsilon\)は圧縮比であり$$\varepsilon=\frac{V_{BDC}}{V_{TDC}}$$で定義されます。この式からわかることは、オットーサイクルの熱効率は圧縮比と比熱比の2つのパラメータだけで決まるということです。

図2:オットーサイクル熱効率における圧縮比と比熱比の関係

図2は圧縮比と比熱比の2つのパラメータを振ってオットーサイクルの熱効率をグラフにしたものです。グラフからもわかるように、オットーサイクルの熱効率を高めるには圧縮比と比熱比の両方を高めることが重要なのです。

熱効率向上の技術

上記でガソリンエンジンの理論サイクルであるオットーサイクルの熱効率を向上させるためには圧縮比と比熱比の両方を上げることが重要だと解説しました。では、どのようにすれば圧縮比と比熱比を上げられるのでしょうか?

圧縮比向上の技術

まず圧縮比を上げると起こる問題があります。それはノッキングという異常燃焼です。断熱圧縮の式からもわかるように、圧縮比を上げると圧縮後の圧力、温度も上がってしまいます。混合気が高温になり過ぎると、点火する前に混合気が自己着火を起こしてしまい、ノッキングが起こります。

ノッキングを回避しながら圧縮比を上げる技術としてガソリンをシリンダー内に直接噴射する「直噴」という技術があります。液体のガソリンを直接シリンダー内に噴射することにより、液体のガソリンが気化し、その気化熱によってシリンダー内の温度を下げることができるからです。

比熱比向上の技術

比熱比を上げるためには、シリンダー内の多くの空気を入れることです。比熱比は分子の形状で決まっています。\(\mathrm{He}\)などの単原子分子は\(\kappa=1.67\)、\(\mathrm{O_2}\)などの二原子分子は\(\kappa=1.4\)、多原子分子は\(\kappa=1.33\)となります。

したがって、\(\mathrm{N_2}\)や\(\mathrm{O_2}\)の二原子分子で大半が構成されている空気を多くシリンダーに入れると混合気全体の比熱比が上がります。このように空気を多く取り込んで燃料させる技術のことを「リーンバーン」と呼びます。

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