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燃料と空気の混合物を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、水上艦艇と潜水艦の両方で使用されています。

ディーゼル サイクルでは、燃焼段階の初期部分 (下の図のから) では圧力が一定であると想定されています。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。対照的に、ガソリン エンジンの理想的なオットー サイクルでは、その段階で定容積プロセスに近似します。 ${\displaystyle V_{2}}$${\displaystyle V_{3}}$

この画像は、理想的なディーゼル サイクルのp-V 図を示しています。ここで、は圧力、V は体積、またはプロセスが単位質量ベースに置かれた場合の比容積です。理想的なディーゼル サイクルは、理想気体を想定し、燃焼化学、排気および再充填手順を無視し、単に 4 つの異なるプロセスに従います。 ${\displaystyle p}$${\displaystyle v}$

• 1→2 :流体の等エントロピー圧縮（青）
• 2→3：定圧加熱（赤）
• 3→4 : 等エントロピー膨張（黄色）
• 4→1 : 定容冷却（緑）^[1]

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。下部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行しますが、定義により (等エントロピー)、熱の形でシステムに移行したりシステムから移行したりするエネルギーはありません。定圧 (赤、等圧) 過程中、エネルギーは熱 としてシステムに入ります。上部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行しますが、定義により (等エントロピー)、熱の形でシステムに移行したりシステムから移行したりするエネルギーはありません。定積 (緑、等容積) 過程中、エネルギーの一部は右の減圧過程 を通じ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、仕事の正味の増加は、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。 ${\displaystyle W_{in}}$${\displaystyle Q_{in}}$${\displaystyle W_{out}}$${\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）${\displaystyle W_{in}}$
• （）内の熱は燃料の燃焼によって発生する。${\displaystyle Q_{in}}$
• 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ます（これにより使用可能な作業が生成されます）${\displaystyle W_{out}}$
• 熱を逃がす（）は空気を排出することによって行われる${\displaystyle Q_{out}}$
• 純生産量 = -${\displaystyle Q_{in}}$${\displaystyle Q_{out}}$

生成される正味仕事は、p-V 図のサイクルによって囲まれた領域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、他の有用な種類のエネルギーに変換して車両を推進したり (運動エネルギー)、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、発生電力と呼ばれます。 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の充填を圧縮するために使用されます。 ${\displaystyle W_{out}}$

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、次の式で表されます。

${\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\left({\frac {\alpha ^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}}\right)}$

どこ

${\displaystyle \eta _{th}}$熱効率は

${\displaystyle \alpha }$カットオフ比（燃焼段階の終了容積と開始容積の比）${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}}$

rは圧縮比である ${\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}}$

${\displaystyle \gamma }$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。

${\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle \displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}}$

${\displaystyle \alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)}$

${\displaystyle T_{3}}$は、使用される燃料の炎の温度に近似できます。炎の温度は、対応する空燃比と圧縮圧力を持つ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。 ${\displaystyle p_{3}}$${\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、熱と摩擦の損失により大幅に低くなります。この式は、次の式を持つオットーサイクル(ガソリン/ガソリンエンジン) の関係よりも複雑です。

${\displaystyle \eta _{otto,th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}$

ディーゼル式の複雑さが増すのは、熱の付加が一定圧力で行われ、熱の放出が一定容積で行われるためです。これに対して、オットー サイクルでは、熱の付加と放出が一定容積で行われます。

2 つの式を比較すると、特定の圧縮比 ( r ) に対して、理想的な オットー サイクルの方が効率的であることがわかります。ただし、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、効率が大幅に低下しますが、ディーゼル エンジンでは、自己着火が望ましい動作です。さらに、これらのサイクルは両方とも理想化されたものであり、実際の動作はそれほど明確または鋭く分かれることはありません。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。

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 台ではなく 2 台のエンジンを使用します)。高圧強制吸気、特にターボチャージャーを備えた 2 ストローク ディーゼルは、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、低ストレス、高効率サイクルにより、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 エンジンは重量物を運ぶ鉄道や土木作業の環境での使用にも最適です。

多くの模型飛行機は、非常に単純な「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」模型飛行機エンジンは、可変の圧縮比を備えています。どちらのタイプも特殊な燃料に依存します。

19 世紀以前の実験用エンジンの中には、バルブによって露出された外部炎を点火に使用したものもありましたが、圧縮が増す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。) このことから歴史的に見て、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ります。 歴史的重要性については、熱球エンジンと間接噴射
の開発を参照してください。

• ディーゼルエンジン
• 熱球エンジン
• 混合/デュアルサイクル
• 部分予混合燃焼