科目
熱力学
章
熱機関のサイクル
図番
08 / 14
内容
シミュレータ・例題3問
熱力学 8 / 14

効率で負ける形なのに、圧縮比で勝つディーゼルサイクル

ディーゼルエンジンの理論のサイクル。同じ圧縮比 10 ならオットーの 60.2% に対して 53.4% と低いが、空気だけを押し縮めるので圧縮比を上げられ、圧縮比 18・締切比 2 では 63.2% になる。実物でも、トヨタのディーゼル 1GD-FTV の最高の熱効率 44% は、ガソリンの Dynamic Force の 40% より高い。

ディーゼルエンジンのシリンダの断面。押し縮めた熱い空気に、ノズルから燃料の霧を噴いている
このページの内容
  1. トラックや船は、なぜディーゼル?
  2. 熱の入れ方がちがう
  3. 家計簿で読む
  4. 公式はこれ
  5. 公式を、かたまりに分けて読む
  6. 同じ圧縮比なら、オットーが上
  7. でも、圧縮比を高くできる
  8. どの数字がいちばん効く?
  9. 力を出すほど、熱効率は少し下がる
  10. 動かしてみよう
  11. よくある勘違い
  12. この公式が使える条件
  13. 例題

この単元のポイント

  1. ディーゼルエンジンは空気だけを押し縮めるので、圧縮比を高くできる。圧縮比 18・締切比 2 なら熱効率 63.2% で、ガソリンの例(圧縮比 10)の 60.2% を上回る。実物でも、トヨタのディーゼル 1GD-FTV の最高の熱効率 44% は、ガソリンの Dynamic Force の 40% より高い。
  2. 同じ圧縮比どうしなら、オットーのほうが高い。圧縮比 10・締切比 2 では 53.4%(オットーは 60.2%)。燃やしているあいだにピストンが下がり、ふくらませる長さが短くなるから。
  3. 燃料を多く吹いて締切比を 2 → 3 にすると、入れる熱は 2倍、仕事は 1.87倍で、熱効率は 63.2% → 58.9% に下がる。

トラックや船は、なぜディーゼル?

高速道路を走る大きなトラックや、港を出入りする船の多くは、ディーゼルエンジンで動いています。燃料は、ガソリンではなく軽油や重油です。

一日中走り続ける車や船では、燃料の熱のうち何割を仕事にできるかが、そのまま燃料代の差になります。ディーゼルエンジンが選ばれるのは、熱効率が高いからです。

ところが、理論の計算で、同じ圧縮比のガソリンエンジン(オットーサイクル)と比べると、意外な答えになります。

予想してから読む同じ圧縮比 10 で比べると、理論の熱効率が高いのは?

熱の入れ方がちがう

ガソリンエンジンは、混合気を押し縮めてから、火花で一気に燃やしました。オットーサイクル(ガソリンエンジン)の単元では、これを「体積一定のまま熱を入れる」と考えました。

ディーゼルエンジンは、空気だけを押し縮めます。断熱変化の単元で見たとおり、圧縮比 18 なら、押し縮めた空気は 681℃ です。そこへ燃料を霧にして吹き込むと、火花なしで燃え出します。

燃料は、少しずつ吹き込まれ、吹き込んだ順に燃えます。そのあいだに、ピストンは下がり始めます。体積が増えながら熱が入るので、圧力はあまり上がりません。これを「圧力一定のまま熱を入れる」と考えたのが、ディーゼルサイクルです。

変化 計算では
1→2 空気を、断熱で圧縮比 ε\sntEps まで押し縮める
2→3 圧力一定のまま熱 Q入\sotQin を入れる(体積は ρ\sdsRho 倍に)
3→4 断熱で、元の体積までふくらむ
4→1 体積一定のまま、熱 Q捨\sotQout を捨てる

燃やすあいだに体積が何倍になったかを締切比 ρ\sdsRho といいます。燃料の吹き込みを締め切ったときの体積 V3\sdsVThree と、押し縮めきった体積 V2\sotVTwo の比です。燃料を多く吹くほど、締切比は大きくなります。

家計簿で読む

1周すると空気は元に戻るので、入れた熱は、仕事と捨てた熱に分かれます。オットーサイクルと同じ家計簿です。

Q入⏟入れた熱=W⏟仕事+Q捨⏟捨てた熱\underbrace{\sotQin}_{\text{入れた熱}} = \underbrace{\sotW}_{\text{仕事}} + \underbrace{\sotQout}_{\text{捨てた熱}}

違うのは、熱を入れるのが圧力一定の変化だということです。等容変化と等圧変化(比熱 cv と cp)の単元で見たとおり、圧力一定では、熱の一部が押しのける仕事になるので、定圧比熱 cp\sntCp を使います。

この単元のシリンダ(27℃・101 kPa の空気が 500 cc、圧縮比 18・締切比 2)では、次のようになります。

状態 温度 体積
1 吸い込んだ空気 27℃ 500 cc
2 押し縮めた後 681℃ 27.8 cc
3 燃え終わり 1634℃ 55.6 cc
4 ふくらんだ後 519℃ 500 cc

入れた熱は 562 J、捨てた熱は 207 J です。仕事は 562 − 207 = 355 J、熱効率は 63.2% です。

公式はこれ

η=1−1ε κ−1⋅ρ κ−1κ (ρ−1)\sntEta = 1 - \dfrac{1}{\sntEps^{\,\sntKappa - 1}} \cdot \dfrac{\sdsRho^{\,\sntKappa} - 1}{\sntKappa\,(\sdsRho - 1)}
記号 意味 この単元の例で
η\sntEta 熱効率(仕事 ÷ 入れた熱) 63.2%
ε\sntEps 圧縮比 18
ρ\sdsRho 締切比(燃やす間に体積が何倍になるか) 2
κ\sntKappa 比熱比(空気は 1.4) 1.4

公式を、かたまりに分けて読む

η=1−1ε κ−1⏟オットーの捨てる割合×ρ κ−1κ (ρ−1)⏟締切りの重み\sntEta = 1 - \underbrace{\dfrac{1}{\sntEps^{\,\sntKappa - 1}}}_{\text{オットーの捨てる割合}} \times \underbrace{\dfrac{\sdsRho^{\,\sntKappa} - 1}{\sntKappa\,(\sdsRho - 1)}}_{\text{締切りの重み}}
  1. オットーの捨てる割合 1/ε κ−11/\sntEps^{\,\sntKappa - 1} オットーサイクルの単元と同じ式です。圧縮比 18 なら 31.5% です。
  2. 締切りの重み 締切比 1 のとき 1 で、締切比が大きいほど大きくなります。締切比 2 で 1.17、3 で 1.31。ディーゼルは、オットーより 1.17倍多く捨てます。
  3. 残りが仕事 圧縮比 18・締切比 2 では、捨てる割合は 31.5% × 1.17 = 36.8%、熱効率は 63.2% です。

締切りの重みが 1 より大きいのは、あとから入れた熱ほど、ふくらませる長さが短いからです。最後に入れた熱は、体積が 2倍になったところから、ふくらみ始めます。押し縮めた効き目を、全部は使えません。

同じ圧縮比なら、オットーが上

同じ圧縮比 10 で、同じ締切比 2 として比べます。

圧縮比 10 熱効率
オットー(体積一定で熱を入れる) 60.2%
ディーゼル(圧力一定で熱を入れる、締切比 2) 53.4%

ディーゼルのほうが 6.8 ポイント低くなります。盤の P-V 線図では、同じ熱を入れたオットーの1周を破線で重ねてあります。オットーは、押し縮めきったところで一気に圧力が上がり、囲んだ面積が大きくなります。

でも、圧縮比を高くできる

ガソリンエンジンは、混合気を押し縮めます。圧縮比を上げすぎると、火花を待たずに混合気が燃え出します(ノッキング)。だから、トヨタの Dynamic Force エンジン(2.5 L)で圧縮比 13 です。

ディーゼルエンジンは、空気だけを押し縮めます。燃料は、押し縮めきってから吹き込みます。燃えるのが早すぎることはないので、圧縮比を高くできます。

エンジン 圧縮比 理論の熱効率
ガソリンの例(オットー) 10 60.2%
ディーゼル(締切比 2) 15.6 61.0%
ディーゼル(締切比 2) 18 63.2%

圧縮比 15.6 は、トヨタのディーゼルエンジン 1GD-FTV(2.8 L)の値です。トヨタの発表では、このエンジンの最高の熱効率は 44% です。ガソリンの Dynamic Force(40%)より高くなっています。

どの数字がいちばん効く?

初期値(圧縮比 18・締切比 2・27℃・101 kPa・500 cc)から、1つずつ 10% 変えたときの熱効率です。

変えるもの 熱効率 変化
圧縮比 ε\sntEps を10%大きく(18 → 19.8) 64.5% +1.4 ポイント
締切比 ρ\sdsRho を10%大きく(2 → 2.2) 62.2% −0.9 ポイント(入れる熱は +20%)
初めの温度・圧力・体積を10%大きく 63.2% 変わらない

圧縮比を上げると、熱効率が上がります。締切比を大きくすると、力は増えますが、熱効率は少し下がります。

力を出すほど、熱効率は少し下がる

ガソリンエンジンは、空気の量を絞り弁で変え、それに合わせた燃料を入れて、力を変えます。ディーゼルエンジンは、空気は絞らず、吹き込む燃料の量で力を変えます。燃料を多く吹くと、燃やす時間が長くなり、締切比が大きくなります。

圧縮比 18 のまま、締切比を 2 から 3 にします。

締切比 入れた熱 仕事 熱効率
2 562 J 355 J 63.2%
3 1,123 J 662 J 58.9%

入れる熱は 2倍、仕事は 1.87倍です。熱効率は 4.2 ポイント下がります。あとから吹き込んだ燃料ほど、ふくらませる長さが短いからです。

動かしてみよう

圧縮比 ε\sntEps を動かしてください。左の上の2本の棒(ディーゼルと、同じ圧縮比のオットー)がそろって伸び縮みします。いちばん下の棒(ガソリンの例、圧縮比 10)は動きません。ディーゼルの棒が、いちばん下の棒を越える圧縮比を探してください。

次に、締切比 ρ\sdsRho を動かしてください。P-V 線図の 2→3 の横の線が伸び、囲んだ面積(仕事)が増えます。この線は左の端にあって短いので、「燃やす所を拡大」を押すと、よく見えます。そのとき、ディーゼルの棒は少し縮みます。

線図の薄い線と面積は、初期値です。「いまの図を残して比べる」を押すと、そのときの線と面積が薄く残り、そのときの答えを基準にして、何倍になったかが出ます。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 締切比は 2 のまま、圧縮比 ε を 15.6(トヨタのディーゼルエンジン 1GD-FTV)にする。左の棒で、ガソリンの例と比べる(まだ)
  2. 締切比は 2 のまま、圧縮比 ε を 10(ガソリンエンジンと同じ)にする。左の上の2本の棒を比べる(まだ)
  3. 圧縮比は 18 のまま、締切比 ρ を 3 にする(燃料を多く吹いて、大きな力を出す)。家計簿の帯の割合を見る(まだ)
℃
kPa
cc
範囲線図の範囲
熱効率(理論)0%20%40%60%80%ディーゼル(ε 18・ρ 2)63.2%同じ ε のオットー68.5%ガソリンの例(オットー・ε 10)60.2%入れた熱 Q入 = 562 J仕事 W 355 J(63.2%)捨てた熱 207 J(36.8%)押し縮めた空気 681℃・燃え終わり 1,634℃燃やす間に、体積は 27.8 → 55.6 ccP-V 線図(1サイクル)010020030040050060005101520体積 V [cc]圧力 p(絶対) [MPa]ディーゼル熱の出入り同じ ε・同じ熱のオットー囲んだ面積 = 仕事1234
熱効率は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

η=1−1ε κ−1⋅ρ κ−1κ (ρ−1)\htmlClass{q-geometry}{\eta} = 1 - \dfrac{1}{\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1}} \cdot \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{\rho}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa}} - 1}{\htmlClass{q-material}{\kappa}\,(\htmlClass{q-geometry}{\rho} - 1)}=1−13.178×1.171= 1 - \dfrac{1}{3.178} \times 1.171=63.2%= 63.2\%
熱効率
η=63.2 %\htmlClass{q-geometry}{\eta} = 63.2\ \%
同じ圧縮比のオットーサイクルの熱効率
ηオットー=68.5 %\htmlClass{q-geometry}{\eta_{\text{オットー}}} = 68.5\ \%
入れた熱(1サイクル)
Q入=562 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{入}}} = 562\ \mathrm{J}
1サイクルの仕事
W=355 J\htmlClass{q-moment}{W} = 355\ \mathrm{J}
ほかの値(4 個)
捨てた熱(1サイクル)
Q捨=207 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{捨}}} = 207\ \mathrm{J}
押し縮めた空気の温度
t2=681 ∘C\htmlClass{q-heat}{t_2} = 681\ {}^{\circ}\mathrm{C}
押し縮めた空気の圧力(絶対)
p2=5.78 MPa\htmlClass{q-stress}{p_2} = 5.78\ \mathrm{MPa}
燃えた後の最高温度
t3=1,634 ∘C\htmlClass{q-heat}{t_3} = 1{,}634\ {}^{\circ}\mathrm{C}
途中の計算(導出)を見る
  1. 1→2 断熱で押し縮めた温度

    T2=T1 ε κ−1=300.15 K×18 0.4=953.8 K (681 ∘C)\htmlClass{q-heat}{T_2} = \htmlClass{q-heat}{T_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1} = 300.15\ \mathrm{K} \times 18^{\,0.4} = 953.8\ \mathrm{K}\ (681\,{}^{\circ}\mathrm{C})
  2. 2→3 圧力一定で燃やした後の温度(体積が ρ 倍)

    T3=T2 ρ=953.8×2=1,908 K (1,634 ∘C)\htmlClass{q-heat}{T_3} = \htmlClass{q-heat}{T_2}\,\htmlClass{q-geometry}{\rho} = 953.8 \times 2 = 1{,}908\ \mathrm{K}\ (1{,}634\,{}^{\circ}\mathrm{C})
  3. 2→3 で入れた熱(圧力一定なので cp)

    Q入=m cp (T3−T2)=5.862×10−4×1,004.5×953.8=562 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{入}}} = \htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{c_p}\,(\htmlClass{q-heat}{T_3} - \htmlClass{q-heat}{T_2}) = 5.862\times 10^{-4} \times 1{,}004.5 \times 953.8 = 562\ \mathrm{J}
  4. 4→1 体積一定で捨てた熱

    Q捨=m cv (T4−T1)=5.862×10−4×717.5×492=207 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{捨}}} = \htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{c_v}\,(\htmlClass{q-heat}{T_4} - \htmlClass{q-heat}{T_1}) = 5.862\times 10^{-4} \times 717.5 \times 492 = 207\ \mathrm{J}
  5. 1サイクルの仕事(家計簿:入れた熱 − 捨てた熱)

    W=Q入−Q捨=561.7−206.9=355 J\htmlClass{q-moment}{W} = \htmlClass{q-heat}{Q_{\text{入}}} - \htmlClass{q-heat}{Q_{\text{捨}}} = 561.7 - 206.9 = 355\ \mathrm{J}
  6. 同じ圧縮比のオットーサイクル(比べる相手)

    ηオットー=1−1ε κ−1=1−13.178=68.5%\htmlClass{q-geometry}{\eta_{\text{オットー}}} = 1 - \dfrac{1}{\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1}} = 1 - \dfrac{1}{3.178} = 68.5\%
  7. 熱効率(オットーの捨てる割合に、締切りの重みがかかる)

    η=1−1ε κ−1⋅ρ κ−1κ (ρ−1)=1−13.178×1.171=63.2%\htmlClass{q-geometry}{\eta} = 1 - \dfrac{1}{\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1}} \cdot \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{\rho}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa}} - 1}{\htmlClass{q-material}{\kappa}\,(\htmlClass{q-geometry}{\rho} - 1)} = 1 - \dfrac{1}{3.178} \times 1.171 = 63.2\%

つまり、ものを作るときは

熱効率で勝つには、圧縮比を上げる。ディーゼルは、空気だけを押し縮めるので、それができます。その代わり、高い圧力に耐える、がんじょうで重いエンジンになります。

燃料を少しずつ、長く燃やすほど、熱効率は下がる。同じ力を出すなら、締切比は小さいほうが有利です。

よくある勘違い

「ディーゼルサイクルは、オットーサイクルより熱効率が高い」

同じ圧縮比どうしでは、逆です。ディーゼルの熱効率が高いのは、サイクルの形のおかげではなく、圧縮比を高くできるからです。

比べ方 熱効率が高いのは
同じ圧縮比 10 オットー(60.2%)> ディーゼル(53.4%)
ガソリン 圧縮比 10 と ディーゼル 圧縮比 18 ディーゼル(63.2%)> オットー(60.2%)

「燃料を多く入れれば、熱効率も上がる」

オットーサイクルでは、入れる熱を変えても熱効率は変わりませんでした。ディーゼルサイクルでは、燃料を多く吹くと締切比が大きくなり、熱効率は下がります。

「締切比は、燃料の吹き込み口の大きさのこと」

締切比は、燃やしているあいだに体積が何倍になったかです。部品の寸法ではありません。同じエンジンでも、吹き込む燃料の量で変わります。

この公式が使える条件

  • 中の気体は空気(理想気体)で、比熱比 κ=1.4\sntKappa = 1.4 が一定。燃料の分の質量は入れない
  • 押し縮める・ふくらむ変化は、熱の出入りがない(断熱)
  • 熱は圧力一定のまま入れ、体積一定のまま捨てる。実物のエンジンでは、燃え始めは体積一定に近く、そのあと圧力一定に近い(両方を組み合わせたサイクルもある)
  • 摩擦、すき間からのもれ、吸い込みと排気の仕事は入れない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

熱の出入り:2→3 は圧力一定なので Q入=m cp (T3−T2)\sotQin = \sntM\,\sntCp\,(\sotTThree - \sntTTwo)、4→1 は体積一定なので Q捨=m cv (T4−T1)\sotQout = \sntM\,\sntCv\,(\sotTFour - \sntTOne)。

温度:1→2 は断熱で T2=T1 ε κ−1\sntTTwo = \sntTOne\,\sntEps^{\,\sntKappa - 1}。2→3 は圧力一定で体積が ρ\sdsRho 倍なので、状態式から温度も ρ\sdsRho 倍、T3=T2 ρ\sotTThree = \sntTTwo\,\sdsRho。

3→4 は断熱で、体積が ρ V2\sdsRho\,\sotVTwo から ε V2\sntEps\,\sotVTwo まで ε/ρ\sntEps/\sdsRho 倍になるので、

T4=T3(ρε)κ−1=T1 ε κ−1 ρ⋅ρ κ−1ε κ−1=T1 ρ κ\sotTFour = \sotTThree \left(\dfrac{\sdsRho}{\sntEps}\right)^{\sntKappa - 1} = \sntTOne\,\sntEps^{\,\sntKappa - 1}\,\sdsRho \cdot \dfrac{\sdsRho^{\,\sntKappa - 1}}{\sntEps^{\,\sntKappa - 1}} = \sntTOne\,\sdsRho^{\,\sntKappa}

ふくらみ終わった温度は、圧縮比によらず、締切比だけで決まります。この単元の例では、圧縮比 10 でも 18 でも、捨てる熱は同じ 207 J です。

熱効率:cp=κ cv\sntCp = \sntKappa\,\sntCv を使って、

η=1−Q捨Q入=1−T1 (ρ κ−1)κ T1 ε κ−1 (ρ−1)=1−1ε κ−1⋅ρ κ−1κ (ρ−1)\sntEta = 1 - \dfrac{\sotQout}{\sotQin} = 1 - \dfrac{\sntTOne\,(\sdsRho^{\,\sntKappa} - 1)}{\sntKappa\,\sntTOne\,\sntEps^{\,\sntKappa - 1}\,(\sdsRho - 1)} = 1 - \dfrac{1}{\sntEps^{\,\sntKappa - 1}} \cdot \dfrac{\sdsRho^{\,\sntKappa} - 1}{\sntKappa\,(\sdsRho - 1)}

確かめる:P-V 線図で 1周して囲んだ面積を数値で足すと、この単元の例では 355 J になり、Q入−Q捨\sotQin - \sotQout と一致します。

例題

例題1 トラックのエンジンの1気筒

トラックのディーゼルエンジンの1気筒を、ディーゼルサイクルとして考えます。27℃・101 kPa(絶対圧)の空気 500 cc を吸い込み、圧縮比 16 まで押し縮めます。燃料を吹き込んで燃やすあいだに、体積は 1.8倍になります(締切比 1.8)。

(1) 押し縮めた空気の温度。(2) 1サイクルに入れた熱と、仕事。(3) 理論の熱効率。

ヒント 1 / 2

押し縮めた温度は、断熱変化の T2=T1 ε0.4T_2 = T_1\,\varepsilon^{0.4} です。燃え終わりの温度は T3=T2 ρT_3 = T_2\,\rho(圧力一定で体積が ρ\rho 倍)。

ヒント 2 / 2

入れた熱は圧力一定なので m cp (T3−T2)m\,c_p\,(T_3 - T_2)、捨てた熱は体積一定なので m cv (T4−T1)m\,c_v\,(T_4 - T_1) です。

答えと解き方を見る
(1) t2=637 ∘C(1)\ t_2 = 637\,{}^{\circ}\mathrm{C}
(2) Q入=429 J,W=267 J(2)\ Q_{\text{入}} = 429\ \mathrm{J},\quad W = 267\ \mathrm{J}
(3) η=62.4%(3)\ \eta = 62.4\%
  1. 1→2 断熱で押し縮めた温度

    T2=T1 ε κ−1=300.15 K×16 0.4=909.9 K (637 ∘C)\htmlClass{q-heat}{T_2} = \htmlClass{q-heat}{T_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1} = 300.15\ \mathrm{K} \times 16^{\,0.4} = 909.9\ \mathrm{K}\ (637\,{}^{\circ}\mathrm{C})
  2. 2→3 圧力一定で燃やした後の温度(体積が ρ 倍)

    T3=T2 ρ=909.9×1.8=1,638 K (1,365 ∘C)\htmlClass{q-heat}{T_3} = \htmlClass{q-heat}{T_2}\,\htmlClass{q-geometry}{\rho} = 909.9 \times 1.8 = 1{,}638\ \mathrm{K}\ (1{,}365\,{}^{\circ}\mathrm{C})
  3. 2→3 で入れた熱(圧力一定なので cp)

    Q入=m cp (T3−T2)=5.862×10−4×1,004.5×727.9=429 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{入}}} = \htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{c_p}\,(\htmlClass{q-heat}{T_3} - \htmlClass{q-heat}{T_2}) = 5.862\times 10^{-4} \times 1{,}004.5 \times 727.9 = 429\ \mathrm{J}
  4. 4→1 体積一定で捨てた熱

    Q捨=m cv (T4−T1)=5.862×10−4×717.5×383.3=161 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{捨}}} = \htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{c_v}\,(\htmlClass{q-heat}{T_4} - \htmlClass{q-heat}{T_1}) = 5.862\times 10^{-4} \times 717.5 \times 383.3 = 161\ \mathrm{J}
  5. 1サイクルの仕事(家計簿:入れた熱 − 捨てた熱)

    W=Q入−Q捨=428.6−161.2=267 J\htmlClass{q-moment}{W} = \htmlClass{q-heat}{Q_{\text{入}}} - \htmlClass{q-heat}{Q_{\text{捨}}} = 428.6 - 161.2 = 267\ \mathrm{J}
  6. 同じ圧縮比のオットーサイクル(比べる相手)

    ηオットー=1−1ε κ−1=1−13.031=67%\htmlClass{q-geometry}{\eta_{\text{オットー}}} = 1 - \dfrac{1}{\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1}} = 1 - \dfrac{1}{3.031} = 67\%
  7. 熱効率(オットーの捨てる割合に、締切りの重みがかかる)

    η=1−1ε κ−1⋅ρ κ−1κ (ρ−1)=1−13.031×1.14=62.4%\htmlClass{q-geometry}{\eta} = 1 - \dfrac{1}{\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1}} \cdot \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{\rho}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa}} - 1}{\htmlClass{q-material}{\kappa}\,(\htmlClass{q-geometry}{\rho} - 1)} = 1 - \dfrac{1}{3.031} \times 1.14 = 62.4\%

押し縮めただけで 637℃ になるので、吹き込んだ軽油は火花なしで燃え出します(断熱変化の単元)。

熱効率 62.4% は、同じ圧縮比 16 のオットー(67.0%)より低く、ガソリンの例(圧縮比 10、60.2%)より高くなります。

例題2 締切比は、どこまで大きくしてよいか

圧縮比 16 のディーゼルエンジンで、燃料を多く吹くほど締切比 ρ が大きくなり、熱効率が下がります。

ガソリンの例(オットーサイクル・圧縮比 10、熱効率 60.2%)と同じ熱効率になるのは、締切比がいくつのときか。

ヒント 1 / 2

盤で ε を 16 にして、ρ を動かし、熱効率が 60.2% になるところを探してもかまいません。

ヒント 2 / 2

式で解くときは、1160.4⋅ρ1.4−11.4(ρ−1)=1100.4\dfrac{1}{16^{0.4}} \cdot \dfrac{\rho^{1.4} - 1}{1.4(\rho - 1)} = \dfrac{1}{10^{0.4}} を満たす ρ\rho を、数を入れて少しずつ近づけて探します。

答えと解き方を見る
ρ=2.25\rho = 2.25

締切比 2.25 より小さければ、圧縮比 16 のディーゼルは、理論の上でガソリンの例より熱効率が高くなります。

160.4=3.0316^{0.4} = 3.03、100.4=2.5110^{0.4} = 2.51 なので、締切りの重み (ρ1.4−1)/(1.4(ρ−1))(\rho^{1.4} - 1)/(1.4(\rho - 1)) が 3.03 ÷ 2.51 = 1.21 になる締切比です。

例題3 同じ出力に要る燃料の熱

ディーゼルエンジンとガソリンエンジンが、どちらもいちばん効率のよい回し方で、出力 100 kW を出しています。熱効率は、ディーゼルが 44%(トヨタ 1GD-FTV の最高の熱効率)、ガソリンが 40%(トヨタ Dynamic Force の最高の熱効率)とします。

(1) それぞれ、燃料が毎秒出す熱は何 kW か。(2) ディーゼルは、燃料の熱が何% 少なくてすむか。

ヒント 1 / 2

燃料の熱 = 出力 ÷ 熱効率 です。

ヒント 2 / 2

(2) は、1 − (ディーゼルの燃料の熱 ÷ ガソリンの燃料の熱) です。

答えと解き方を見る
(1) ディーゼル 227 kW,ガソリン 250 kW(1)\ \text{ディーゼル } 227\ \mathrm{kW},\quad \text{ガソリン } 250\ \mathrm{kW}
(2) 9.1%(2)\ 9.1\%

熱効率が 4 ポイント違うだけで、燃料の熱は 9.1% 少なくてすみます。一日中走るトラックや船で、ディーゼルが選ばれる理由の1つです。

ここで比べたのは熱の量です。軽油とガソリンは、1 L あたりの熱の量も値段も違います。