ディーゼルサイクル

ディーゼルサイクルは、往復動型内燃機関の燃焼プロセスの一種です。このプロセスでは、燃焼室内の空気の圧縮時に発生する熱によって燃料が点火され、その後、燃焼室内に燃料が噴射されます。これは、オットーサイクル（4ストローク／ガソリン）エンジンのように点火プラグで混合気に点火するのとは対照的です。ディーゼルエンジンは、航空機、自動車、発電、ディーゼル電気機関車、そして水上艦艇と潜水艦に使用されています。

ディーゼルサイクルでは、燃焼初期段階（下図のから）において圧力が一定であると仮定されています。これは理想的な数学モデルです。実際のディーゼルエンジンでは、この期間中に圧力が上昇しますが、オットーサイクルほど顕著ではありません。一方、ガソリンエンジンの理想的なオットーサイクルでは、この段階では定容プロセスに近似します。 V2{\displaystyle V_{2}}V3{\displaystyle V_{3}}

理想化されたディーゼルサイクル

理想的なディーゼルサイクルのp-V図。サイクルは1～4の数字を時計回りにたどります。

この図は理想的なディーゼルサイクルのp-V線図を示しています。ここで、は圧力、Vは体積、またはプロセスを単位質量基準で表す場合は比容積です。理想的なディーゼルサイクルは理想気体を前提とし、燃焼化学、排気、再充填のプロセスを無視し、以下の4つの異なるプロセスに従います。 p{\displaystyle p}v{\displaystyle v}

ディーゼル エンジンは熱機関です。つまり、熱を仕事に変換します。下の等エントロピー過程 (青) では、エネルギーは仕事 の形でシステムに移送されますが、定義により (等エントロピー)、熱の形でシステムに出入りするエネルギーはありません。定圧 (赤、等圧) 過程中は、エネルギーは熱 としてシステムに入ります。上の等エントロピー過程 (黄色) では、エネルギーは の形でシステムから移動しますが、定義により (等エントロピー)、熱の形でシステムに出入りするエネルギーはありません。定積 (緑、等容積) 過程中は、エネルギーの一部が右側の減圧過程 によって熱としてシステムから流出します。システムから流出する仕事は、システムに入る仕事と、システムに加えられた熱とシステムから流出する熱の差を加えたものに等しくなります。言い換えると、仕事の正味の利得は、システムに加えられた熱とシステムから流出する熱の差に等しくなります。 W私n{\displaystyle W_{in}}質問私n{\displaystyle Q_{in}}Woあなたt{\displaystyle W_{out}}質問oあなたt{\displaystyle Q_{out}}

  • （）内の仕事はピストンが空気を圧縮することによって行われる（システム）W私n{\displaystyle W_{in}}
  • （ ）内の熱は燃料の燃焼によって発生する。質問私n{\displaystyle Q_{in}}
  • 作業（）は作動流体が膨張してピストンを押すことによって行われる（これにより使用可能な作業が生成される）Woあなたt{\displaystyle W_{out}}
  • 熱の放出（）は空気を排出することによって行われる質問oあなたt{\displaystyle Q_{out}}
  • 純生産量 = -質問私n{\displaystyle Q_{in}}質問oあなたt{\displaystyle Q_{out}}

生成される正味仕事は、p-V線図上のサイクルで囲まれた面積によっても表されます。正味仕事はサイクルごとに生成され、他の有用なエネルギーに変換され、車両（運動エネルギー）を推進したり、電気エネルギーを生成したりできるため、有効仕事とも呼ばれます。単位時間あたりのこのようなサイクルの合計は、発生出力と呼ばれます。これは総仕事とも呼ばれ、その一部はエンジンの次のサイクルで次の空気を圧縮するために使用されます。 Woあなたt{\displaystyle W_{out}}

最大の熱効率

ディーゼルサイクルの最大熱効率は、圧縮比とカットオフ比に依存します。冷気標準分析では、以下の式で表されます。

ηth＝1−1rγ−1（αγ−1γ（α−1））{\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\left({\frac {\alpha ^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}}\right)}

どこ

ηth{\displaystyle \eta_{th}}熱効率は
α{\displaystyle \alpha}カットオフ比（燃焼段階の終了容積と開始容積の比）V3V2{\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}}
rは圧縮比であるV1V2{\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}}
γ{\displaystyle \gamma}は比熱比（C p /C v）[ 2 ]

カットオフ比は、以下のように温度で表すことができます。

T2T1＝（V1V2）γ−1＝rγ−1{\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}}
T2＝T1rγ−1{\displaystyle \displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}}
V3V2＝T3T2{\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}}
α＝（T3T1）（1rγ−1）{\displaystyle \alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)}

T3{\displaystyle T_{3}}は、使用される燃料の炎温度に近似できます。炎温度は、対応する空燃比と圧縮圧力における燃料の断熱炎温度に近似できます。 は、入口空気温度に近似できます。 p3{\displaystyle p_{3}}T1{\displaystyle T_{1}}

この式は理想的な熱効率のみを示します。実際の熱効率は、熱損失と摩擦損失により大幅に低下します。この式は、以下の式で表されるオットーサイクル（ガソリンエンジン）の関係よりも複雑です。

ηotto、th＝1−1rγ−1{\displaystyle \eta _{otto,th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}

ディーゼルサイクルの計算式がさらに複雑になるのは、熱の付加が定圧で行われ、熱の放出が定容で行われるためです。これに対し、オットーサイクルでは、熱の付加と放出の両方が定容で行われます。

オットーサイクルとの効率の比較

2つの式を比較すると、与えられた圧縮比（r）に対して、理想的なオットーサイクルの方が効率が高いことがわかります。しかし、実際のディーゼルエンジンはより高い圧縮比で動作できるため、全体的に効率が高くなります。ガソリンエンジンが同じ圧縮比であれば、ノッキング（自己着火）が発生し、効率が著しく低下しますが、ディーゼルエンジンでは自己着火が望ましい挙動です。さらに、これらのサイクルはどちらも理想化されたものであり、実際の挙動はそれほど明確かつ鋭敏に分かれるわけではありません。さらに、上記の理想的なオットーサイクルの式には、ディーゼルエンジンには適用されないスロットル損失は含まれていません。

アプリケーション

ディーゼルエンジン

ディーゼルエンジンは、単一サイクルを採用する大型内燃機関の中で最も低い燃料消費率を誇り、超大型船舶用エンジンでは0.26 lb/hp·h（0.16 kg/kWh）です（複合サイクル発電所はより効率的ですが、1基ではなく2基のエンジンを使用します）。特にターボチャージャーを備えた高圧強制吸気方式の2ストロークディーゼルエンジンは、超大型ディーゼルエンジンの大部分を占めています。

北米では、ディーゼルエンジンは主に大型トラックに使用されており、低負荷で高効率なサイクルにより、エンジン寿命が大幅に延び、運用コストも削減されます。これらの利点により、ディーゼルエンジンは重量輸送の鉄道や土木工事の現場でも理想的なエンジンとなっています。

点火プラグのないその他の内燃機関

多くの模型飛行機は、非常にシンプルな「グローエンジン」と「ディーゼルエンジン」を使用しています。グローエンジンはグロープラグを使用します。「ディーゼルエンジン」は圧縮比が可変で、どちらのタイプも特殊な燃料を必要とします。

19世紀以前の実験用エンジンの中には、バルブを通して露出する外部炎を点火に利用したものもありましたが、圧縮率が高くなるにつれてこの方法は魅力的ではなくなりました。（圧縮の熱力学的値を確立したのは、ニコラ・レオナール・サディ・カルノーの研究でした。）このことから得られる歴史的な意味合いは、ディーゼルエンジンは電気の助けを借りずに発明できた可能性があるということです。 歴史的意義については、 熱球エンジンと間接噴射の開発をご覧ください。

参考文献

  1. ^ Eastop & McConkey 1993,工学技術者のための応用熱力学, Pearson Education Limited, 第 5 版, p.137
  2. ^ 「ディーゼルエンジン」。

参照

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