エンジン効率

熱エンジンのエンジン効率は、燃料に含まれる総エネルギーと、有用な作業を実行するために使用されるエネルギー量 との関係です。熱エンジンには2つの分類があります。

1. 内燃機関（ガソリン、ディーゼル、ガスタービン-ブレイトンサイクルエンジン）と
2. 外燃機関（蒸気ピストン、蒸気タービン、スターリングサイクルエンジン）。

これらのエンジンはそれぞれ独自の 熱効率特性を持っています。

エンジン効率、トランスミッション設計、タイヤ設計はすべて車両の燃費効率に影響します。

エンジンの効率は、提供される熱に対する 有効な仕事の比率として定義されます。

${\displaystyle \eta ={\frac {\mathrm {work\ done} }{\mathrm {heat\ absorbed} }}={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}}$

ここで、は吸収された熱量であり、は行われた仕事です。 ${\displaystyle Q_{1}}$${\displaystyle Q_{1}-Q_{2}}$

「行われた仕事」という用語は、クラッチまたはドライブシャフトで伝達される動力に関係することに注意してください。

これは、摩擦やその他の損失が熱膨張によって行われた仕事から差し引かれることを意味します。したがって、外部環境に仕事をまったく行わないエンジンの効率はゼロです。

内燃機関の効率はいくつかの要因によって決まりますが、最も重要なのは膨張率です。どの熱機関でも、そこから抽出できる仕事は膨張段階における始動圧力と終了圧力の差に比例します。したがって、始動圧力を上げることは、抽出できる仕事を増やす効果的な方法です (蒸気タービンで真空排気を行うように終了圧力を下げることも同様に効果的です)。

一般的なガソリンの圧縮比（機械部品の形状からのみ計算）は10:1（プレミアム燃料）または 9:1（レギュラー燃料）で、一部のエンジンでは 12:1 以上の比率に達します。膨張比が大きいほど、原理的にはエンジンの効率が高くなり、圧縮 / 膨張比が高い従来のエンジンでは原理的にオクタン価の高いガソリンが必要になりますが、この単純化した分析は実際の圧縮比と幾何学的圧縮比の違いによって複雑になります。オクタン価が高いと、高圧縮 / 高熱状態で燃料がほぼ瞬時に燃える傾向（デトネーションまたはノックと呼ばれる）が抑制されます。ただし、ディーゼルエンジンやバークエンジンなどの非常に高い圧縮比（14～25:1）によって火花点火ではなく圧縮を利用するエンジンでは、高オクタン価の燃料は必要ありません。実際、これらの用途では、通常セタン価で評価される低オクタン価燃料の方が、圧縮下でより簡単に点火されるため好まれます。

部分スロットル状態（スロットルが完全に開いていない状態）では、流入する燃料と空気の混合気が制限され、チャンバーを大気圧まで満たすことができないという単純な事実により、有効圧縮比はエンジンが全開で動作しているときよりも低くなります。エンジン効率は、エンジンが全開で動作しているときよりも低くなります。この問題の解決策の 1 つは、多気筒エンジンの負荷を一部の気筒（非アクティブ化）から残りの気筒に移し、個々の負荷を高くして、それに応じて有効圧縮比を高くして動作できるようにすることです。この技術は可変容量と呼ばれます。

ほとんどのガソリン (オットー サイクル) およびディーゼル (ディーゼル サイクル) エンジンの膨張比は、圧縮比と同じです。アトキンソン サイクルまたはミラー サイクルを使用する一部のエンジンでは、膨張比を圧縮比よりも大きくすることで効率が向上します。

ディーゼル エンジンの圧縮/膨張比は 14:1 から 25:1 です。この場合、圧縮比が高いほど効率が高くなるという一般的なルールは適用されません。圧縮比が 20:1 を超えるディーゼルは間接噴射ディーゼル(直接噴射ではない) であるためです。これらは、自動車や小型トラックに必要な高回転運転を可能にするために、プレチャンバーを使用します。プレチャンバーからの熱損失とガス動力損失により、直接噴射ディーゼルは (圧縮/膨張比が低いにもかかわらず) より効率的です。

エンジンには、摩擦を生む可動部品が多数あります。これらの摩擦力の一部は一定のままです (加えられた負荷が一定である限り)。一方、ピストンの横力や接続ベアリング力 (ピストンの振動による慣性力が増加) など、エンジン速度が上昇すると摩擦損失の一部は増加します。吸気バルブと排気バルブを操作するカムのローブの摩擦力など、いくつかの摩擦力は高速で減少します(高速でのバルブの慣性により、カム フォロアがカム ローブから引き離される傾向があります)。摩擦力とともに、作動中のエンジンにはポンピング損失があります。ポンピング損失とは、シリンダーに空気を出入りさせるために必要な仕事です。このポンピング損失は低速では最小限ですが、速度の 2 乗にほぼ比例して増加し、定格出力ではエンジンが摩擦損失とポンピング損失を克服するために総出力の約 20% を使用するようになります。

空気は約 21% が酸素です。適切な燃焼に十分な酸素がない場合、燃料は完全に燃焼せず、生成されるエネルギーが少なくなります。燃料と空気の比率が高すぎると、エンジンから排出される未燃焼の炭化水素汚染物質が増加します。燃料が多すぎて酸素がすべて消費されると、エンジンの出力が低下します。

燃焼温度は燃料と空気の混合気が希薄になると上昇する傾向があるため、未燃焼の炭化水素汚染物質と、燃焼温度が高いときに生成される窒素酸化物 ( NOx )などの高レベルの汚染物質とのバランスを取る必要があります。これは、燃焼室の上流に燃料を導入し、蒸発冷却によって入ってくる空気を冷やすことで緩和されることがあります。これにより、シリンダーに入る総充填量が増加し (冷たい空気は密度が高くなるため)、出力が増加しますが、炭化水素汚染物質のレベルが高くなり、窒素酸化物汚染物質のレベルが低下します。直接噴射の場合、この効果はそれほど劇的ではありませんが、窒素酸化物 (NOx) などの特定の汚染物質を減らすのに十分なほど燃焼室を冷却し、部分的に分解した炭化水素などの他の汚染物質を増加させる可能性があります。

ピストンの下降運動により部分的な真空状態が誘発され、空気と燃料の混合気がエンジンに引き込まれます。さらにコンプレッサーを使用して、シリンダーに大量の負荷 (強制吸入) を強制的に送り込み、出力を高めることもできます。コンプレッサーは、機械駆動のスーパーチャージまたは排気駆動のターボチャージのいずれかです。いずれの場合も、強制吸入によりシリンダー入口ポートの外側の空気圧が上昇します。

エンジン内部で利用できる酸素の量を増やす方法は他にもあります。その 1 つは、混合物に亜酸化窒素(N _{2 O) を注入することです。また、一部のエンジンでは、燃焼に必要な酸素を自ら供給する燃料である}ニトロメタンを使用しています。そのため、混合物は燃料 1 部と空気 3 部になる可能性があり、エンジン内でより多くの燃料を燃焼させ、より高い出力を得ることができます。

往復エンジンはアイドリング時には熱効率が低くなります。これは、エンジンから引き出される唯一の使用可能な仕事が発電機からのものだからです。

低速では、ガソリン エンジンは、小さなスロットル開度で、流入する空気がほぼ閉じたスロットルを迂回しなければならないときに生じる高乱流と摩擦 (ヘッド) 損失 (ポンプ損失) により効率が低下します。一方、ディーゼル エンジンでは流入する空気が絞られないためこの損失は発生しませんが、空気を圧縮して少量の電力出力を得るために全充填量を使用するため「圧縮損失」が発生します。

高速では、ポンピングと機械的な摩擦損失、および燃焼が発生する期間の短縮により、両方のタイプのエンジンの効率が低下します。また、高速になると抗力も大きくなります。

現代のガソリンエンジンの最大熱効率は50%を超えますが、^[1]公道走行可能な自動車のほとんどは約20%から40%の効率しか達成していません。^{[2] [3] [4] [5]}多くのエンジンはより高い熱効率で動作することができますが、摩耗と排出量の増加を犠牲にしています。^[6]言い換えれば、エンジンが最大熱効率で動作しているときでさえ、消費されたガソリンによって放出される全熱エネルギーのうち、全パワーの約60-80%は、クランクシャフトの回転などの有用な仕事に変換されることなく熱として放出されます。^[7]この放出された熱の約半分は排気ガスによって運び去られ、残りの半分はシリンダー壁またはシリンダーヘッドを通過してエンジン冷却システムに入り、冷却システムラジエーターを介して大気中に放出されます。^[8]発生した仕事の一部は、摩擦、騒音、乱気流、水ポンプやオイルポンプ、発電機などのエンジン機器や器具を回すのに使用される仕事としても失われ、消費された燃料によって放出されるエネルギーの約20～40％だけが車両を動かすために利用可能になります。

ガソリンエンジンは、ガソリンと空気の混合物を燃焼させます。空気は約 12 ～ 18 重量部、燃料は約 1 重量部です。空気/燃料比が 14.7:1 の混合物は化学量論的であり、燃焼すると燃料と酸素が 100%消費されます。^{[要出典]燃料がわずかに少ない混合物は}リーンバーンと呼ばれ、より効率的です。燃焼は、空気中の酸素含有量を使用して燃料と結合する反応です。燃料は数種類の炭化水素の混合物であり、水蒸気、二酸化炭素、場合によっては一酸化炭素と部分的に燃焼した炭化水素が生成されます。さらに、高温では酸素が窒素と結合して窒素酸化物(化合物内の酸素原子の数は変化するため、通常はNOxと呼ばれます。そのため、添え字に「X」が付きます) が形成される傾向があります。この混合物は、未使用の窒素やその他の微量大気元素とともに、排気ガスに含まれています。

最も効率的なサイクルはアトキンソン サイクルですが、ほとんどのガソリン エンジン メーカーは、より高い出力とトルクを得るためにオットー サイクルを使用しています。マツダの Skyactiv-G やトヨタが設計したハイブリッド エンジンなど、一部のエンジン設計では、アトキンソン サイクルとオットー サイクルを電気モーター/発電機およびトラクション ストレージ バッテリーと組み合わせて使用​​しています。ハイブリッド ドライブトレインは、40% 近くの有効効率を達成できます。

ディーゼル サイクルを使用するエンジンは通常、より効率的ですが、ディーゼル サイクル自体は、同じ圧縮比では効率が低くなります。ディーゼル エンジンははるかに高い圧縮比を使用するため (圧縮熱を使用して、燃焼の遅いディーゼル燃料を点火します)、その高い比率により、エンジン内の空気ポンプ損失が十分に補われます。

現代のターボディーゼルエンジンは、効率を高めるために電子制御コモンレール燃料噴射を使用しています。幾何学的に可変のターボチャージングシステム（メンテナンスは必要ですが）の助けを借りて、エンジンの低回転数（1,200～1,800 rpm）でのエンジントルクも増加します。MAN S80ME-C7などの低速ディーゼルエンジンは、54.4 ％の総合エネルギー変換効率を達成しており、これは単一サイクルの内燃機関または外燃機関による燃料から動力への最高の変換率です。^{[9] [10] [11]}大型ディーゼルトラック、バス、および新しいディーゼル車のエンジンは、約45％のピーク効率を達成できます。^[12]

ガスタービンは最大出力時に最も効率が良くなります。これは往復エンジンが最大負荷時に最も効率が良いのと同じです。違いは、回転速度が低いと圧縮空気の圧力が下がり、熱効率と燃料効率が劇的に低下することです。効率は出力の低下とともに着実に低下し、低出力範囲では非常に低くなります。

ゼネラルモーターズはかつてガスタービンで動くバスを製造していましたが、1970年代の原油価格の高騰によりこの構想は断念されました。ローバー、クライスラー、トヨタもタービン駆動車の試作車を作りました。クライスラーは実用評価用に短期間の試作車を製造しました。運転の快適さは良かったのですが、上記の理由により全体的な経済性が欠けていました。これは、ガスタービンが常設およびピーク電力発電所に使用できる理由でもあります。この用途では、ガスタービンは効率的な場合はフルパワーまたはそれに近い状態でのみ稼働し、必要がない場合は停止します。

ガスタービンは出力密度の点で有利であり、重装甲車両や装甲戦車のエンジンやジェット戦闘機の発電機として使用されています。

ガスタービンの効率に悪影響を与えるもう一つの要因は、周囲の空気温度です。温度が上昇すると吸入空気の密度が低くなるため、ガスタービンは周囲の空気温度の上昇に比例して出力損失を経験します。^[13]

最新世代のガスタービンエンジンは、単純サイクルで46％、複合サイクルで61％の効率を達成しています。^[14]

参照:蒸気機関#効率

参照:蒸気動力のタイムライン

蒸気エンジンとタービンはランキンサイクルで作動します。このサイクルでは、実用的なエンジンの最大カルノー効率は 63% で、蒸気タービン発電所では 40% 台半ばの効率を達成できます。

蒸気機関の効率は、主に蒸気の温度と圧力、および段階または膨張の数に関係しています。^{[15]蒸気機関の効率は、動作原理の発見により向上し、}熱力学の科学の発展につながりました。グラフを参照：蒸気機関の効率

初期の蒸気エンジンでは、ボイラーはエンジンの一部と考えられていました。今日では、ボイラーとエンジンは別々に考えられているため、記載されている効率がボイラーを含む全体の効率なのか、それともエンジンだけの効率なのかを知る必要があります。

初期の蒸気機関の効率と出力の比較は、いくつかの理由から難しい。1) 石炭 1 ブッシェルの標準重量は存在せず、82 ポンドから 96 ポンド (37 kg から 44 kg) の範囲であった。2) 石炭の標準発熱量はなく、おそらく発熱量を測定する方法もなかった。石炭の発熱量は今日の蒸気用石炭よりもはるかに高く、1 ポンドあたり 13,500 BTU (31 メガジュール/kg) と言われたこともある。3) 効率は「デューティ」として報告され、つまり何フィートポンド (またはニュートンメートル) の水を揚水する仕事が行われたかを意味していたが、機械的な揚水効率は不明である。^[15]

トーマス・ニューコメンが 1710 年頃に開発した最初のピストン蒸気エンジンの効率は、わずか 0.5% 強でした。このエンジンは、負荷によって大気圧に近い圧力の蒸気がシリンダーに引き込まれ、蒸気で満たされたシリンダーに冷水を噴射して凝縮し、シリンダー内に部分的な真空状態を作り出し、大気圧によってピストンを押し下げるという仕組みです。シリンダーを蒸気を凝縮する容器として使用することで、シリンダーも冷却され、次のサイクルで流入する蒸気の熱の一部がシリンダーを温める際に失われ、熱効率が低下しました。ジョン・スミートンがニューコメン エンジンに施した改良により、効率は 1% 以上にまで向上しました。

ジェームズ・ワットはニューコメンエンジンにいくつかの改良を加えたが、その中で最も重要なのは冷却水がシリンダーを冷却するのを防ぐ外部コンデンサーであった。ワットのエンジンは大気圧よりわずかに高い圧力の蒸気で作動した。ワットの改良により効率は2.5倍以上向上した。^{[16]熟練した機械工、}工作機械、製造方法 などの一般的な機械能力の欠如により、実際のエンジンとその設計の効率は1840年頃まで制限されていた。^[17]

高圧エンジンは、オリバー・エバンスとリチャード・トレビシックによって独立して開発されました。これらのエンジンは効率はそれほど高くありませんでしたが、出力重量比が高く、機関車や船の動力として使うことができました。

遠心式調速機はワットが最初に一定速度を維持するために使用したもので、吸入蒸気を絞ることで圧力を下げ、高圧（大気圧以上）エンジンの効率を低下させるという仕組みだった。^[18]その後の制御方法では、この圧力損失が軽減または解消された。

コーリス蒸気機関（特許取得、1849年）の改良されたバルブ機構は、変化する負荷に合わせて速度を調整しやすく、効率が約30％向上しました。コーリス機関は、入口蒸気と排気蒸気に別々のバルブとヘッダーを備えていたため、熱い給気蒸気が冷たい排気口やバルブに接触することはありませんでした。バルブは素早く作動し、蒸気の絞り量を減らして応答を速くしました。絞り弁を操作する代わりに、調速機を使用してバルブタイミングを調整し、可変蒸気カットオフを実現しました。可変カットオフは、コーリス機関の効率向上の大部分を占めていました。^[19]

コーリス以前にも、可変カットオフの特許を取得したザカリア・アレンなど、このアイデアの少なくとも一部は持っていたが、需要の不足、コストと複雑さの増加、機械加工技術の未発達により、導入はコーリスまで遅れた。^[19]

ポーター・アレンの高速エンジン（1862年頃）は、他の同サイズのエンジンの3～5倍の速度で作動した。速度が速いためシリンダー内の凝縮量が最小限に抑えられ、効率が向上した。^[19]

複合エンジンは効率をさらに向上させました。^[19] 1870年代までに、三段膨張エンジンが船舶で使用されるようになりました。複合エンジンにより、船舶は貨物よりも少ない量の石炭を運ぶことができました。^[20]複合エンジンは一部の機関車で使用されましたが、機械が複雑であったため広く採用されませんでした。

非常によく設計され、よく作られた蒸気機関車は、全盛期には約7～8%の効率を達成していました。^[21]最も効率的な往復蒸気エンジンの設計（ステージあたり）はユニフローエンジンでしたが、ユニフローエンジンが登場した頃には、蒸気はディーゼルエンジンに置き換えられていました。ディーゼルエンジンはさらに効率的で、労力が少なくて済み（石炭の取り扱いや給油）、燃料の密度が高く、積載量が少ないなどの利点がありました。

1940 年代初期に収集された統計を使用して、サンタフェ鉄道は、当時大量に運用を開始していた FT ユニットと比較して、自社の蒸気機関車の効率を測定しました。蒸気エンジンで使用される石油燃料 1 トンのコストは 5.04 ドルで、システム全体で平均 20.37 列車マイルの走行が可能であると判定しました。ディーゼル燃料は 11.61 ドルでしたが、1 トンあたり 133.13 列車マイルの走行が可能でした。つまり、ディーゼルは、燃料コストが 2 倍の蒸気機関車よりも 6 倍の距離を走行したことになります。これは、ディーゼル エンジンの熱効率が蒸気機関車よりもはるかに優れていたためです。おそらく、マイルの基準として使用された列車は、当時の標準のタンネージ l (sic) であった 4,000 トンの貨物列車編成だったと思われます。

— ジム・ヴァレ「蒸気機関はどれくらい効率的か？」^[21]

蒸気タービンは最も効率的な蒸気エンジンであるため、発電に広く使用されています。タービン内の蒸気膨張はほぼ連続的であるため、タービンは非常に多数の膨張段に匹敵します。臨界点で稼働している蒸気発電所の効率は 40% 台前半です。タービンは直接​​回転運動を生み出し、往復エンジンよりもはるかにコンパクトで軽量であり、非常に一定の速度内で制御できます。ガスタービンの場合と同様に、蒸気タービンは最大出力で最も効率的に動作し、低速では効率が低下します。このため、蒸気タービンは重量に対する出力の比率が高いにもかかわらず、一定速度で動作できる用途で主に使用されてきました。AC 発電では、正しい周波数を維持するために、タービン速度を非常に一定に維持する必要があります。

スターリングエンジンは、あらゆる熱エンジンの中で最も理論的な効率が高いですが、出力対重量比が低いため、実際の出力のスターリング エンジンは大型になる傾向があります。スターリング エンジンのサイズ効果は、温度上昇によるガスの膨張と、エンジン コンポーネントの動作温度の実際的な制限に依存しているためです。理想気体の場合、所定の体積に対して絶対温度が上昇すると、圧力はそれに比例してしか増加しません。そのため、スターリング エンジンの低圧が大気圧である場合、実際の圧力差は温度制限によって制限され、通常は 2、3 気圧以下であるため、スターリング エンジンのピストン圧力は非常に低くなり、したがって有効な出力を得るには比較的大きなピストン面積が必要になります。

• クライスラー タービンカー(1963)
• 燃費効率
• 燃料消費率（シャフトエンジン）
• 比推力

• 燃費、エンジン効率、パワー