合理的な熱モーターの理論と構造

ディーゼルの合理的な熱機関の構想は、^カルノーサイクルに基づいて、熱利用を最大限に高めるサイクルを設計することであった。^[9 ]^{当時の蒸気}機関や燃焼機関の効率の低さを克服するために、ディーゼルは全く新しいタイプの内燃機関を作ろうとした。^{[ 10 ] 1890年代には、通常のガスエンジンは}燃料エネルギーのわずか6%しか運動エネルギーに変換できなかった。^{[ 11 ]}優れた三重膨張蒸気機関はそれよりわずかに優れており、燃料エネルギーの7.2%を運動エネルギーに変換できた。ディーゼルは、自身の合理的な熱機関の熱効率は73%であり、したがって化学エネルギーの約6～7倍を運動エネルギーに変換できるため、効率は約50%であると述べた。ディーゼルは、自身の機関の将来のバージョンではさらに高い効率が得られると主張した。^{[ 2 ]}

ディーゼルは圧縮着火に依存しているにもかかわらず、この特定の特性を持つようにモーターを意図的に設計したことはないと述べている。彼の特許DRP 67 207では、ディーゼルは最高の熱効率を持つモーターは自動的に圧縮着火を持つと説明している。^{[ 9 ]} 1913年の著書『ディーゼルモーターの誕生』では、圧縮着火が彼のモーターの重要な特徴であることを否定している。^{[ 9 ]}

私は自分の特許の中で圧縮着火を主張したことはなく、また、それを達成すべき目標として出版物の中で述べたこともありません。

ディーゼルは著書『合理的な熱機関の理論と構造』の16ページで、彼の合理的な熱機関における点火は人工点火または圧縮点火のいずれかによって行われると述べている。

ここで点火が行われる。点火は人工的に行われる場合もあれば、温度が十分に高ければ圧縮着火によって行われる場合もある。

ディーゼルプロセスは、4つの異なるプロセス、いわゆるサイクルからなる仮想的な定圧モデルであり、これらの4つの異なるプロセスは何度も繰り返すことができます。これらの異なるプロセスは、 4ストロークエンジンに見られるプロセスと同じです。吸気、圧縮、燃焼、排気です。^{[ 1 ]} 4つのストロークすべてが組み合わさってサイクルを形成し、有効な仕事を生み出すとされています。ディーゼルプロセスは、ガスを等温断熱複合方式で圧縮できるという考えに基づいた特別な圧縮行程を使用します。^{[ 12 ]}等温とは、圧縮中の温度が変化しないため放熱が必要であることを意味します。断熱とは、ガスの体積は変化しますが、放熱がないことを意味します。つまり、廃熱はありません。^{[ 13 ]}

圧縮手段として、ディーゼルは仮想的な圧縮シリンダーを使用することを意図していた。^{[ 14 ]}このプロセスには作業が必要であり、4つの段階から構成される。

• 吸気とは、圧縮されていない空気を吸い込むことであり、作業を必要とする。
• 等温曲線（または異なる曲線）による圧縮で、熱を放散し、仕事が必要となる。
• 断熱曲線による圧縮であり、仕事が必要となる。
• 燃焼用空気を排出するには、作業が必要です。

ディーゼルは、独自の燃焼プロセスには仮想膨張シリンダーを使用することを意図していた。これもまた4つのフェーズから構成される：^{[ 15 ]}

• 一定圧力で流入するガスは、仕事を必要とする。
• 燃焼は、どのような曲線でも起こり、仕事を生み出し、熱を放散する。
• 断熱曲線に沿って気体が膨張し、大気圧に達するまで膨張することで仕事が発生する。
• ガスを消費するには、作業が必要です。

これらの段階を追加すると、右図に示すようなカルノー図に似た図が得られます。ガスに燃料が加えられるため、開始位置 1 は終了位置 1 と同一ではなく、常にわずかに多くの仕事が必要になります。しかし、ディーゼルは非常に希薄な空気燃料混合気を使用することを検討したため、必要な追加仕事の量はごくわずかでした。^{[ 16 ]}理論上、燃焼プロセスは図の位置 4 で終了します。しかし、これは、説明したように、燃焼(3-4) と膨張(4-1) の 2 つの段階で行われる仕事の形成の終わりではありません。ディーゼルは、等温膨張段階は実現不可能であると考えました。なぜなら、巨大な膨張シリンダーが発生し、非常に大きくて実用的でないエンジンになるからです。これが、ガスの膨張が断熱的で、大気圧に達するまでしか行われない理由です。彼は、全体的な仕事の損失につながる追加の仕事は「重要ではない」と考えました。なぜなら、最高の効率に焦点を当てるよりも、実際のモーターを作る方が合理的だと考えたからです。^{[ 17 ]}これにより、オリジナルのディーゼル図が得られた。^{[ 18 ]}

ディーゼルの理論には3つの大きな問題点があった。

• 高効率をもたらすとされる等温断熱圧縮は不可能であったため、ディーゼルは後に自身のプロセスを改良した。
• ディーゼルは高い熱効率を達成するために200～300気圧（20.3～30.4MPa）の高圧縮を使用することを意図していたが^{[ 19 ]} 、これは摩擦損失が大きすぎる結果となる。  
• 熱効率は温度に依存しないため、ディーゼルは99.324:1の希薄な空気燃料混合気を使用することで燃焼温度を下げることを意図していたが、燃焼は起こらなかった。^{[ 2 ] [ 20 ]}

熱効率とモーターの仕事量は、空気量ではなく圧縮比に依存します。圧縮比が大きいほど熱効率は向上します。この効率はプロセスの最高温度には全く依存しません。したがって、高い燃焼温度は重要ではなく、むしろ高温とは正反対の条件が必要です。温度が高いと、モーター部品の破損を防ぎ、潤滑を維持するなど、熱エネルギーを放散させる必要があります。高い燃焼温度はこの熱エネルギーを増加させるため、燃焼温度を下げる必要があります。この目的のためには、大量の空気を選択する必要があることが、この式からすぐにわかります。大量の空気の目的は放熱量を減らすことであり、それによって水冷をほとんど、あるいは全く必要としなくなります。

実際、圧縮比が高いと効率は向上しますが、ディーゼルが考えたように、熱エネルギーが過剰に放散され、摩擦が過剰に発生し、エンジンの仕事で補えないため、ある一定のところまでしか向上しません。一方、圧縮比が低すぎると、熱の利用が不十分になります。^{[ 21 ]}理論を設計する際、ディーゼルはすでに圧縮を90 気圧（9.1MPa  ）まで下げることを検討しており、これにより熱効率の損失はわずか5%で、実際の効率が大幅に向上すると考えていましたが、^{[ 22 ]}圧力をできるだけ高くすることを推奨しています。^{[ 23 ]}熱放散の問題に対する彼の解決策はまだ間違っていました。彼はより多くの空気を使用することに決めましたが、その結果、空気燃料混合気が希薄になりすぎました。このような空気燃料混合気は、人工着火でも燃焼しないため、仕事を提供することができません。^{[ 20 ]}

前述の通り、ディーゼルは熱機関のアイデアについて主に批判されたが、肯定的なフィードバックも受けた。しかし、ほとんどの批評家は理論の欠陥ではなく、ディーゼルの熱機関が作動するために非常に高い圧力を必要とする点を批判した。^{[ 5 ]}ディーゼル自身もフィードバックを認めた。

私のエッセイを出版したところ、激しい批評が巻き起こりました…平均的には、それらは好意的ではなく、むしろ壊滅的なものでした…肯定的な批評はわずか3件でしたが、それらは非常に重要なものでした。以下にその名前を挙げます：リンデ、シュレーター、ツォイナー…

[否定的なレビューに関して言えば]、私はリードラー教授と[ズブリン氏]のレビューのみが関連性があると考えています。

スルザー社のエンジニアであるヴィルヘルム・ズブリンとアロイス・リードラー教授は、ディーゼルのモーターは圧縮仕事が非常に多く必要となるため、おそらく何の役にも立たないだろうという結論に達した。^{[ 24 ] [ 5 ]}オットー・ケーラーは、 1887年の著書『ガスモーターの理論』の中で、理想サイクルは実際のモーターには適さないと既に述べており、前述の者と同じ結論に達していた。彼は摩擦損失の問題を予見しており、モーターの仕事が無駄になると考えていた^{[ 5 ] [ N6 ]} 。また、ディーゼルの友人であるヴェナトール宛の手紙の中で、必要な圧力が高すぎると考えていた。

さらに、カルノーサイクルと空気を利用した熱機関の製作は実現不可能だと考えています。非常に大きな伝達機構を必要とする膨大なピストン圧力は避けられません。しかも、このプロセス自体がそもそも引き起こす問題についてはここでは触れていません。（…）私の意見では、ディーゼルエンジンの指示された仕事量はすべて、この膨大な摩擦を克服するために必要となるでしょう。

他の批評家たちは、その素材が途方もない負荷に耐えられないのではないかと懸念したが、それ以外ではディーゼルの理論の誤りを批判しなかった。

誤解しないでいただきたいのですが、私は多くの実務経験から、これらの理論に基づいて実際にエンジンを製作することには深刻な疑問を抱いています。300回転/分で200気圧以上の圧力に耐え、短時間で固体燃料を消費・燃焼できるエンジンを製作した経験を持つ人はこれまで誰もいません。そして、この試みが大きな失望に終わるだろうと予想しても、私の考えは間違っていないと思います。

ディーゼル氏と彼の理論を称賛する声もあった。

…あなたの成功を心から願っています…丁寧に静かに製造された、優れた設計の製品を市場に投入し、世紀末に蒸気機関をその王座から引きずり下ろすのです！蒸気機関の衰退を予言した者の中で、あなたほど過激な考えを持った者は他にいません。ですから、勝利はあなたのものとなるでしょう…

蒸気機関における石炭燃焼とガス機関におけるガス燃焼の効率の低さ、現代のエンジン効率レベルに到達することの困難さ、そして現状のままではもはや大きな進歩を遂げる可能性がほとんど残されていないことを考えると、この道を離れ、新たな道を切り開く必要がある。

私たちがこれまで以上に理想的なカルノーサイクルに近づくことを期待できる道筋は、その実現において、静穏さと思慮深さ、そして大胆さと誠実さの両方をもってあらかじめ定められてきた。

理論的な観点から言えば、私はあなたの意見に賛成です。新しい熱機関の提案を高く評価します。この分野に関して、これほど興味をそそられる文献を読んだのは久しぶりです。あなたの基本的な理論は、斬新であると同時に正しいものです。

ディーゼルエンジンはまだ製造されていないため、その技術的価値をまだ判断することはできませんが、内燃機関の設計を熱機関の完成へと導く正しい方向性を示すことは間違いありません。さらに、エンジニアは、小型から大型まであらゆる規模の産業用途、さらには機関車や船舶向けに、この新しいエンジンを意図的に設計するというやりがいのある仕事に携わることになるでしょう。蒸気、圧縮空気、電気、ガス管に依存せず、ボイラー、煙突、石炭燃料も不要で、排気ガスも発生せず、燃料を非常に効率的に使用できるため、機械製造業や輸送業界に大きな影響を与えることは明らかです。ディーゼルの合理的な熱機関の高い科学的、技術的、経済的重要性は、その開発を確実に促進するでしょう。

あなたの機械は、その効率性において強力な蒸気機関を凌駕することで、再びその牙城を崩しました。技術は、旧来の蒸気機関の長年の欠点を克服する段階にまで達しなければなりません。

ディーゼルは、自分の論文に対するリードラーとズブリンの反応が重要だと考え、エンジンが何の役にも立たないという彼らの指摘に対処しようとした。1893年2月13日付のモーリッツ・シュレーター宛の手紙で、ディーゼルは、最大の損失を仮定した場合の、彼の合理的な熱機関の熱効率について説明している。彼は、絶対最小熱効率は30.4～31.6%を下回らないという結論に達した。これは、三重膨張蒸気機関 の熱効率の2.5倍以上、中型複式蒸気機関の熱効率の4～5倍である。^{[ 5 ]}この時、ディーゼルはまだ、自分の合理的な熱機関が機能しないことに気づいていなかった。効率をさらに上げる方法を模索していた彼は、機関の理想的な図の想定等温線の長さを長くすることで、吸入期間の長さを長くすることを検討した。ディーゼルは、そうすることで効率が向上すると信じていた。当時彼が理解していなかったのは、彼の図には等温線が示されていなかったということである。実際の等温線では、入力仕事の量が出力仕事よりもほぼ大きくなり、狭いpV図となり、合理的な熱モーターは仕事をしないことを示している。^{[ 24 ]}

ディーゼルがこの問題を解明するのに数ヶ月かかった。彼は1893年5月に「Schlußfolgerungen über die definitiv fd Praxis zu wählende Arbeitsmethode des Motors」（実用的なエンジンに必ず選択しなければならない作動原理の結論）と題した新しい燃焼プロセスの設計を開始し、同年9月までかかった。1893年6月16日までに^{[ 8 ]} 、アウクスブルク機械工場でエンジンの実験を開始する前に、カルノーサイクルは実際には不可能であり、そのためエンジンの動作方法を変更しなければならないことに気付いた。「以前の私の反対の主張にもかかわらず、等温プロセス以外の燃焼プロセスがより大きな図（＝実際のエンジンの仕事）をもたらすかどうかという疑問に答えなければならない」。こうしてディーゼルは最終的に等温断熱圧縮の考えを放棄し、後に日記に「空気を等温断熱複合方式で圧縮してはならない。代わりに、断熱圧縮のみを行うべきである」と記した。^{[ 25 ]}

これを実現するために、ディーゼルは、噴射時間を短縮して吸入期間2-3の長さを長くするのではなく、図の点3を上げようとした。圧力や温度に大きな変化のない燃焼プロセスに関する特許（DRP 67 207）を取得していたディーゼルは、この特許が定圧燃焼曲線もカバーすると考えていたが、自身の燃焼プロセスの変更も特許でカバーされるようにするため、1893年11月29日に新たな追加特許を申請し、後にそれが認められた（DRP 82 168）。しかし、ここでもディーゼルは間違いを犯した。この場合、燃料をより速く噴射するのではなく、より多くの燃料を噴射することが正しい解決策だったのだ。 1893 年 9 月にテスト エンジンの改良のための計算を行った際、彼はテスト エンジンを通常のパラフィン エンジンと比較しました。「平均的なパラフィン エンジンの燃料消費量は約 600 g/PSh = 750 cm ³ /PSh パラフィンであり、したがって 10 PSh で 7,500 cm ^{3 です}。最大負荷で運転し、1 時間あたり 150×60=9000 回の噴射を行うエンジンの場合、同じ量の燃料を想定する必要があります。」^{[ 26 ]}こうしてディーゼルは、実用的なエンジンでは空気燃料比を約 100:1 ではなく約 14:1 にする必要があることを発見しました。^{[ 20 ]}さらに、ディーゼルは最終的に、1890 年代の機械により適した 30 atm (3 MPa) の低圧を採用し、高圧縮圧力の概念を放棄することにしました。^{[ 27 ]}彼は正しく、圧縮比が低いと熱効率は低下するものの摩擦が少なくなり、その結果、熱効率は高いが摩擦損失が多いエンジンよりも総合効率の高いエンジンが実現すると考えた。^{[ 7 ]}

実際の効率は、30～40気圧、500～600℃の範囲で最大となる。それ以上の圧縮は無意味である。なぜなら、熱効率の向上は機械効率の低下によって相殺され、また、高い摩擦損失のために圧縮率の上昇に伴って比出力が低下するからである。

ディーゼルは、自分の間違いを知っていて、それを克服する方法も知っていたにもかかわらず、公には決して間違いを認めなかった。それは特許を守るためだった。合理的な熱機関が機能しないことを公に認めれば、彼の特許DRP 67 207は無効になり、彼の個人的な研究は無駄になってしまうからである^{[ 20 ] [ 28 ]。}なぜなら、特許のライセンスを取得せずにディーゼルエンジンを製造することが可能になってしまうからである^{[ 29 ] 。}