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熱力学 わかりやすく

オットーサイクル ディーゼルサイクル

相変化のない気体サイクル。オットーは定容、ディーゼルは定圧燃焼。η = 1 − 1/rγ−1、ディーゼルは高い r で勝つ

ほとんどの車のボンネットの下のエンジンは、相が変わる水ではなく空気だけで回り、シリンダーの中で燃料を燃やしてその空気を温めます。オットーとディーゼルは同じ四つの行程を使い、燃料が体積を固定して燃えるか圧力を固定して燃えるかだけが違います。

空気を断熱で押し、火花が飛ぶとき体積を固定して熱を入れ、広がりながら仕事を出し、再び体積を固定して熱を捨てます。実際の 4行程エンジンでは広がる区間の一度だけが力を出し、残りの区間は輪に蓄えた慣性がピストンを押します。

理想的なオットーの効率は圧縮比だけにかかり、η = 1 − 1rγ−1 です。同じ空気をより小さな体積へ押し込むほど効率は上がり、比が大きくなるほど伸びは小さくなって、とても高い比では利得がゆるやかになります。

二つの循環は燃料が燃える区間で分かれます。オットーは体積を固定して燃える火花で P-V では縦に跳び、ディーゼルは圧力を固定して燃え、ピストンが動く間に燃料をまいて P-V では横へ進みます。火花はあらかじめ混ざった気体を一瞬で燃やすので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燃やすのでピストンが下がる間も圧力はほぼ一定です。

ガソリンのエンジンは燃料と空気を一緒に押すので、ノッキングが圧縮比を止めます。ディーゼルは空気だけを押し、頂点でようやく燃料をまくので、はるかに高い比で回り、より高い効率に届きます。だから燃費が大切なトラックや船、重い機械にはディーゼルが主に使われ、より軽く速く回るガソリンは乗用車に向きます。

どちらも相が変わらない気体の循環で、体積を固定して燃やすか圧力を固定して燃やすかだけで分かれ、圧縮比が要のつまみです。次は循環を逆に回して熱を上へ上げる仕事、つまり冷凍です。実際のエンジンはどちらか一方だけではなく二つの方式を混ぜた中間の形で燃え、これを複合循環と呼びます。

実際に使うオットーとディーゼルは空気を作動物質にする、相が変わらない内燃の循環です。四つの区間(断熱圧縮 → 燃焼 → 断熱膨張 → 定容排気)を共有し、オットーは体積を固定して火花で、ディーゼルは圧力を固定して圧縮で熱を入れます。理想的なオットー効率 η = 1 − 1rγ−1 は圧縮比だけで決まり、比が大きいほど高くなります。ガソリンは燃料まで押すのでノッキングで比が止まりますが、ディーゼルは空気だけ押して比をはるかに高くでき、実際にはより効率的です。同じ比ではディーゼルは燃料をまく区間のためオットーよりわずかに低いですが、より高い比がその差をひっくり返します。続く D3 ではこの循環を逆に回し、仕事を使って熱を冷たいところから熱いところへ上げる冷凍とヒートポンプへ進みます。
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