圧縮比

圧縮比は、ピストンエンジンまたはヴァンケルエンジンの動力サイクルの圧縮段階における最大容積と最小容積の比です。このようなエンジンの基本的な仕様であり、2つの異なる方法で測定できます。より簡単な方法は静的圧縮比です。往復動エンジンでは、これはピストンがストロークの最下点にあるときのシリンダー容積と、ピストンがストロークの最上点にあるときのシリンダー容積の比です。^{[ 1 ]}動的圧縮比は、圧縮段階中にシリンダーに出入りするガスも考慮に入れた、より高度な計算です。^{[ 2 ]}

圧縮比が高い方が望ましいのは、熱効率が高くなるため、一定量の燃料からより多くの機械エネルギーを取り出すことができるからである。^{[ 3 ]}これは、内燃機関が熱機関であり、圧縮比が高いほど同じ量の燃料からより多くのエネルギーを有効な仕事に変換でき、膨張サイクルが長くなり、より多くの機械的出力が得られ、排気ガス温度が低下する可能性があるためである。^{[ 4 ]}

しかし、いくつかの工学的制約により、非常に高い圧縮比の実用化は制限されます。圧縮比が高くなると、シリンダー内の最高圧力と最高温度が上昇するため、追加の機械的および熱的ストレスに耐えるには、より強度が高く耐熱性に優れたエンジン部品と材料が必要になります。^{[ 5 ]}さらに、圧縮比が高いと、特にオクタン価の低い燃料を使用した場合に、エンジン部品が損傷したり効率が低下したりするノッキングやデトネーションが発生しやすくなります。 ^{[ 6 ]}また、圧縮比を約10:1以上に上げると、摩擦と熱損失の増加が熱力学的利点を相殺し始めるため、熱効率の向上も減少します。^{[ 7 ]}

往復動エンジンでは、静的圧縮比（${\displaystyle \mathrm {CR} }$）は、ピストンがストロークの最下点にあるときのシリンダーと燃焼室の容積と、ピストンがストロークの最上点にあるときの燃焼室の容積との比です。^{[ 18 ]}したがって、式^{[ 19 ]で計算されます。}$${\displaystyle \mathrm {CR} ={\frac {V_{d}+V_{c}}{V_{c}}}}$$

どこ

• ${\displaystyle V_{d}}$は排気量です。これは、圧縮行程の開始から終了までの間にピストンによってシリンダー内で押し出された容積です。
• ${\displaystyle V_{c}}$クリアランス容積とは、圧縮行程の終わりにシリンダー内に残る空間の容積のことです。

${\displaystyle V_{d}}$円柱体積の公式で推定できます。 $${\displaystyle V_{d}={\tfrac {\pi }{4}}b^{2}s}$$

どこ

• ${\displaystyle b}$シリンダーボア （直径）
• ${\displaystyle s}$ピストンストロークの長さは

複雑な形状のため${\displaystyle V_{c}}$通常は直接測定されます。これは多くの場合、シリンダーに液体を満たし、その後、使用した液体の体積を測定することによって行われます。

ほとんどのエンジンは固定圧縮比を使用していますが、可変圧縮比エンジンはエンジンの運転中に圧縮比を調整できます。可変圧縮比を備えた最初の量産エンジンは2019年に導入されました。可変圧縮比は、エンジンの運転中に内燃機関の圧縮比を調整する技術です。これは、さまざまな負荷の下で燃料効率を高めるために行われます。可変圧縮エンジンは、上死点におけるピストン上部の容積を変更できます。^{[ 20 ]}負荷が高い場合は、出力を上げるために低い比率が必要であり、負荷が低い場合は、効率を高める、つまり燃料消費量を減らすために高い比率が必要です。自動車用途では、負荷と運転要求に応じてエンジンが作動している間にこれを行う必要があります。2019年のインフィニティQX50は、可変圧縮比エンジンを使用する最初の市販車です。

前述の静的圧縮比は、シリンダー容積と燃焼室容積のみに基づいて計算されるため、圧縮行程中にシリンダーに出入りするガスは考慮されていません。ほとんどの自動車エンジンでは、吸気バルブの閉鎖（シリンダーを密閉する）は圧縮行程中（つまり下死点後）に行われるため、一部のガスが吸気バルブから押し出されることがあります。一方、吸気ポートのチューニングや掃気によって、静的容積から予想されるよりも多くのガスがシリンダー内に閉じ込められることがあります。動的圧縮比は、これらの要因を考慮に入れています。

動的圧縮比は、より保守的な吸気カムシャフトタイミング（つまり、下死点直後にバルブが閉じる）の場合に高くなり、より急激な吸気カムシャフトタイミング（つまり、下死点後遅くにバルブが閉じる）の場合に低くなります。^{[ 21 ]}動的圧縮比は通常、静的圧縮比よりも低くなりますが、常にそうとは限りません。特定の条件下では、吸気管路を流れる空気の慣性により、圧縮行程でピストンが上昇し始めた後でも、シリンダー内にさらに空気が押し込まれることがあります。そのため、シリンダーは空気で「過給」される可能性があり、通常はシリンダーの形状のみから生じる空気よりも約10%多くなります。これは、体積効率110%としても表すことができます。この現象は慣性ラム過給として知られており、吸気管路の長さを慎重に調整する必要があります。吸気管路に沿って往復する音波圧力波が吸気バルブの背面と吸気管路の開口端で反射することによって、同様の効果が生じます。バルブが閉じる瞬間に正圧波が到達すると、シリンダー内にさらに空気が送り込まれる。これはソニックラム過給として知られている。慣性過給とソニックラム過給は限られたエンジン回転数範囲で動作するが、エンジンのトルク曲線や出力曲線を微調整するために使用できる。絶対シリンダー圧力は、次の式を使用して動的圧縮比を計算するために使用される。 $${\displaystyle P_{\text{cylinder}}=P_{\text{atmospheric}}\times {\text{CR}}^{\gamma }}$$ どこ${\displaystyle \gamma }$は、存在する温度における燃焼ガスの比熱比を表すポリトロピック値です（これは、圧縮によって引き起こされる温度上昇と、シリンダーへの熱損失を補償します）。

理想的な（断熱）条件下では、比熱比は 1.4 になりますが、熱損失量は設計、サイズ、および使用される材料に基づいてエンジンごとに異なるため、一般的には 1.2 ～ 1.3 の低い値が使用されます。たとえば、静的圧縮比が 10:1、動的圧縮比が 7.5:1 の場合、シリンダー圧力の有用な値は 7.5 ^1.3 × 大気圧、つまり 13.7 bar (大気圧に対する相対値) になります。動的圧縮比の 2 つの補正は、シリンダー圧力に反対方向に影響を与えますが、同じ強さではありません。静的圧縮比が高く、吸気バルブの閉鎖が遅いエンジンは、圧縮比は低いが吸気バルブの閉鎖が早いエンジンと同様の動的圧縮比になります。^{[ 22 ]} 

• 平均有効圧力