オットーとディーゼルサイクル: ガソリンとディーゼルのエンジン
ほとんどの車のボンネットの下のエンジンは、相変化ではなく空気だけで動きます。シリンダー内で燃料を燃やして空気を熱するのです。オットーとディーゼルサイクルは四つの行程を共有し、違いはただ一つ、燃料が定容で燃えるか定圧で燃えるかです。
位相をドラッグしてオットーサイクルを追ってください。空気を断熱で圧縮し、火花が飛ぶとき定容で熱を入れ、膨張して仕事を出し、再び定容で熱を捨てます。実際の四ストロークエンジンでは四つの行程のうち膨張の一度だけが力を出し、残る三行程はフライホイールに蓄えた慣性がピストンを押します。
理想オットー効率は圧縮比だけで決まります。η = 1 − 1rγ−1 です。同じ空気をシリンダーのより小さな体積へ押し込むほど効率が上がります。ただし r が大きくなるほど効率の伸びは次第に小さくなり、非常に高い圧縮比では利得がゆるやかになります。r をドラッグしてください。
二つのサイクルは燃焼区間で分かれます。オットーは定容で燃えます。火花点火、P-V で縦の跳躍です。ディーゼルは定圧で燃えます。ピストンが動く間に燃料を噴射し、P-V で横の移動です。火花はあらかじめ混ざった混合気を一瞬で燃やすためピストンが動く間もなく体積はほぼそのままですが、ディーゼルは燃料を少しずつ噴いて燃やすので、ピストンが下がる間も圧力がほぼ一定に保たれます。切り替えてみてください。
ガソリンエンジンは燃料と空気を一緒に圧縮するので、ノッキングが圧縮比を抑えます。ディーゼルは空気だけ圧縮し、頂点でようやく燃料を噴射するので、はるかに高い圧縮比で回り、より高い効率に達します。だから燃費が重視されるトラックや船、重機にはディーゼルが主に使われ、より軽くて高回転まで回るガソリンエンジンは乗用車に向いています。ガソリンとディーゼルを切り替えてみてください。
三つを持ち帰ってください。どちらも相変化のない気体サイクルで、定容燃焼か定圧燃焼かだけで分かれ、圧縮比が要のつまみです。次は、サイクルを逆に回して熱を上へ運ぶこと、冷凍です。実際のエンジンはどちらか一方ではなく、定容燃焼と定圧燃焼を混ぜた中間の形で燃えており、これを複合サイクルと呼びます。