科目
熱力学
章
熱機関のサイクル
図番
06 / 14
内容
シミュレータ・例題3問
熱力学 6 / 14

1周して囲んだ面積が、エンジンの仕事P-V線図と仕事

シリンダの中の圧力と体積を1サイクル追うと、P-V 線図は1周して戻り、囲んだ面積が1サイクルの仕事になる(125 cc の例で 125 J)。同じ面積の長方形の高さが平均有効圧で、1.0 MPa × 125 cc = 125 J。4ストロークは2回転で1サイクルなので、6000 min⁻¹ なら毎秒 50 サイクルで 6.25 kW。

単気筒エンジンのシリンダ1本を切り開いた断面。筒の奥に熱い気体(黄土色)があり、その手前にピストン、連接棒、クランクがつながっている。気体がピストンを押す向きを紫の矢印が示している。クランクの回る向きを青い円弧が示している
このページの内容
  1. バイクのエンジンの中で、何が起きている?
  2. 4つの行程を、線図でたどる
  3. 公式はこれ
  4. 家計簿で読む
  5. 同じ面積の長方形の高さ = 平均有効圧
  6. 毎秒何サイクル? 出力を出す
  7. 公式を、かたまりに分けて読む
  8. どの数字がいちばん効く?
  9. 実物のエンジンに戻る
  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. シリンダの中の圧力と体積を1サイクル追うと、P-V 線図の上で1周して元に戻る。囲んだ面積が、1サイクルで取り出せる仕事。125 cc のエンジンの例では、ふくらんで出す 178 J − 押し縮める 53.0 J = 125 J。
  2. 同じ面積で、横幅が排気量の長方形をかくと、その高さが平均有効圧。1.0 MPa × 125 cc = 125 J(MPa × cc は、そのまま J)。
  3. 4ストロークは2回転で1サイクル。6000 min⁻¹ なら毎秒 50 サイクルで、出力は 125 J × 50 = 6.25 kW。

バイクのエンジンの中で、何が起きている?

125 cc のバイクは、小さなエンジン1つで、人を乗せて走ります。エンジンの中では、ピストンが1分に何千回も上下しています。

ピストンの上の、閉じた筒(シリンダ)の中には、空気と燃料が入っています。この中の圧力を、センサで1サイクル分記録します。横軸に体積、縦軸に圧力をとって点を打つと、線は1周して、元の点に戻ってきます。

この単元のエンジンは、排気量 125 cc・圧縮比 10 です。101 kPa・27℃ の空気を吸い込み、燃えると温度が 1778 K 上がるとします(燃焼のくわしい計算はしない、理想のサイクル)。

シリンダの中の、1サイクル050100150200250300024681012体積 V [cc]圧力 p(絶対) [MPa]1234

図の点は、そのときのシリンダの中の状態です。右へ動くとふくらみ、左へ動くと押し縮められ、上へ動くと圧力が上がります。

この線から、エンジンが1サイクルで出す仕事を読み取れます。断熱変化の単元では、押し縮める仕事を「線の下の面積」で見ました。1周する線では、どの面積が仕事になるでしょうか。

予想してから読むP-V 線図で1周して戻る線。1サイクルで取り出せる仕事は、どの面積?

4つの行程を、線図でたどる

4ストロークのエンジンは、ピストンが2往復する間に、4つの行程を1回ずつ行います。ピストンの位置とクランクの角度の関係は、機構学の ピストンクランク機構 の単元で扱いました。

行程 ピストン 線図の上で
吸気 下がる。吸気の弁が開き、空気を吸い込む 101 kPa の横の線を、右へ
圧縮 上がる。弁は閉じている 1 → 2:断熱で押し縮める。0.101 MPa から 2.54 MPa へ立ち上がる
膨張 上死点で燃え、押し下げられる 2 → 3:体積はそのまま、8.52 MPa へ跳ね上がる。3 → 4:断熱でふくらむ
排気 上がる。排気の弁が開き、燃えた気体を押し出す 4 → 1:圧力が下がる。101 kPa の横の線を、左へ

吸気と排気は、同じ横の線を行って帰ります。囲む面積は 0 なので、この2つの行程は、仕事の勘定に入りません。仕事を出すのは、圧縮と膨張の2つの行程です。

公式はこれ

1サイクルの仕事 W\spvW は、ふくらんで出す仕事から、押し縮める仕事を引いたものです。P-V 線図では、1周して囲んだ面積です。

W=W膨張−W圧縮=∮p dV\spvW = \spvWe - \spvWc = \oint p\,dV
記号 意味 この単元のエンジンで
W膨張\spvWe ふくらんで出す仕事(膨張の線の下の面積) 178 J
W圧縮\spvWc 押し縮める仕事(圧縮の線の下の面積) 53.0 J
W\spvW 1サイクルの仕事(囲んだ面積) 125 J
∮p dV\oint p\,dV 1周して p dVp\,dV を足し合わせたもの 125 J

178−53.0=125 J178 - 53.0 = 125\ \mathrm{J} です。膨張の線は、圧縮の線より高いところを通ります。燃えて熱くなった気体は、同じ体積でも強く押し返すからです。

家計簿で読む

熱と仕事(第一法則) の単元で、エネルギーの勘定を家計簿にたとえました。

家計簿(この科目を通す決まり)

エネルギーは消えも生まれもしない。入ってきた分 = 中にためた分 + 外へ出した分。

1周して元の状態に戻ると、気体の温度も元どおりです。中にためた分(内部エネルギーの増え)は 0 です。だから、入ってきた熱は、全部が外へ出ていきます。出口は2つ、仕事と、排気が持ち去る熱です。

Q入⏟入れた熱=W⏟仕事(囲んだ面積)+Q出⏟捨てた熱\underbrace{\spvQin}_{\text{入れた熱}} = \underbrace{\spvW}_{\text{仕事(囲んだ面積)}} + \underbrace{\spvQout}_{\text{捨てた熱}}

この単元のエンジンでは、燃えて入る熱が 207.7 J、排気が持ち去る熱が 82.7 J です。差の 207.7−82.7=125.0 J207.7 - 82.7 = 125.0\ \mathrm{J} が仕事で、線図の面積と同じになります。入れた熱のうち、どれだけが仕事になるかは、オットーサイクル(ガソリンエンジン) の単元で扱います。

同じ面積の長方形の高さ = 平均有効圧

囲んだ形はいびつで、面積が読みにくい。そこで、同じ面積の長方形に置きかえます。横幅は、ピストンが動いて変わる体積(排気量)Vs\spvVs にそろえます。

pm=WVs\spvPm = \dfrac{\spvW}{\spvVs}

この長方形の高さ pm\spvPm を平均有効圧といいます。ピストンを、この一定の圧力で1行程だけ押したのと同じ仕事になる、という意味です。

単位に注目します。MPa は 106 Pa10^6\ \mathrm{Pa}、cc は 10−6 m310^{-6}\ \mathrm{m^3} です。かけると 106×10−6=110^6 \times 10^{-6} = 1 で、MPa × cc は、そのまま J になります。

W=pm Vs=1.0 MPa×125 cc=125 J\spvW = \spvPm\,\spvVs = 1.0\ \mathrm{MPa} \times 125\ \mathrm{cc} = 125\ \mathrm{J}

排気量が2倍のエンジンは、同じ押し方でも仕事が2倍です。仕事を排気量で割った平均有効圧は、エンジンの大きさによりません。1 cc あたり、どれだけ強く押せるかを表す数です。

毎秒何サイクル? 出力を出す

出力は、1秒あたりの仕事です。1サイクルの仕事に、1秒あたりのサイクルの回数をかけます。

4ストロークのエンジンは、2回転で1サイクルです。6000 min⁻¹ は、1秒に 6000÷60=1006000 \div 60 = 100 回転です。サイクルは、その半分の 50 回です。

P=W×N2×60=125 J×50 回/s=6250 W=6.25 kW\spvPow = \spvW \times \dfrac{\spvNe}{2 \times 60} = 125\ \mathrm{J} \times 50\ \text{回/s} = 6250\ \mathrm{W} = 6.25\ \mathrm{kW}

公式を、かたまりに分けて読む

上の2つの式をまとめると、出力は3つのかたまりのかけ算になります。

P=pm⏟押す強さ×Vs⏟エンジンの大きさ×N120⏟1秒のサイクルの回数\spvPow = \underbrace{\spvPm}_{\text{押す強さ}} \times \underbrace{\spvVs}_{\text{エンジンの大きさ}} \times \underbrace{\dfrac{\spvNe}{120}}_{\text{1秒のサイクルの回数}}
  1. 押す強さ pm\spvPm 燃料をよく燃やすほど、膨張の線が高くなり、囲んだ面積が増えます。
  2. エンジンの大きさ Vs\spvVs 排気量が大きいほど、1サイクルで吸い込む空気が多く、仕事が大きくなります。
  3. 1秒のサイクルの回数 N/120\spvNe/120 速く回すほど、1秒に繰り返す回数が増えます。1サイクルの仕事は変わりません。

どの数字がいちばん効く?

初期値(125 cc・6000 min⁻¹・燃えて上がる温度 1778 K)から、1つずつ10%変えたときの変化です。

変えるもの 1サイクルの仕事 平均有効圧 出力
燃えて上がる温度 ΔT\spvDT を10%大きく 138 J(+10%) 1.10 MPa(+10%) 6.88 kW(+10%)
排気量 Vs\spvVs を10%大きく(137.5 cc) 138 J(+10%) 1.00 MPa(変わらない) 6.88 kW(+10%)
回転数 N\spvNe を10%上げる(6600 min⁻¹) 125 J(変わらない) 1.00 MPa(変わらない) 6.88 kW(+10%)

出力には、どれも同じ割合で効きます。違いは、平均有効圧が動くかどうかです。平均有効圧を上げられるのは、燃やし方だけです。大きさや回転数を変えても、平均有効圧は変わりません。

実物のエンジンに戻る

ホンダのスーパーカブ C125(2021年の新しいエンジン)の諸元は、排気量 123 cm³・圧縮比 10.0・最大トルク 10 N·m(6,250 min⁻¹)です。

トルクから、1サイクルの仕事を出せます。仕事は、トルク × 回った角度です。1サイクルでクランクは2回転、角度にして 4π4\pi ラジアン回ります。

W=10 N⋅m×4π=126 J,pm=126 J123 cc=1.02 MPa\spvW = 10\ \mathrm{N\cdot m} \times 4\pi = 126\ \mathrm{J}, \qquad \spvPm = \dfrac{126\ \mathrm{J}}{123\ \mathrm{cc}} = 1.02\ \mathrm{MPa}

この単元の例の 1.0 MPa は、実物のエンジンに近い値です。最高出力 7.2 kW(7,500 min⁻¹)のときは、1サイクル 115 J・平均有効圧 0.937 MPa で、トルクがいちばん大きいときより少し低くなります。

動かしてみよう

「動かす」を押すと、クランクが回り、ピストンが上下します。動きは実物の 1/200 の速さです。右の P-V 線図では、赤い点が線の上を1周します。

膨張の行程に入ると、膨張の線と圧縮の線の間が、点の進みにつれて紫に塗られていきます。塗り終わった形が、1サイクルの仕事です。破線の長方形は、同じ面積で高さが平均有効圧のものです。

燃えて上がる温度 ΔT\spvDT を小さくすると、線図が低くなり、面積が減ります。回転数 N\spvNe を変えると、線図はそのままで、出力だけが変わります。

薄い破線は、比べる相手(初期値か、「いまの図を残して比べる」で残した図)の1周です。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 燃えて上がる温度 ΔT を 0 にして(燃料を燃やさない)、線図の行きと帰りの線を見る(まだ)
  2. 排気量 Vs を 2倍の 250 cc にして、仕事と平均有効圧の両方を見る(まだ)
  3. 回転数 N を半分の 3000 min⁻¹ にして、出力を見る(まだ)
K
cc
min⁻¹
吸気圧縮膨張排気吸気の弁排気の弁θ = 180° 気体 300 K動きは実物の 1/200 の速さ(θ は吸気の始めから)P-V 線図(シリンダの中)050100150200250300024681012体積 V [cc]圧力 p(絶対) [MPa]1周の線囲んだ面積 = 仕事高さ pm = 1 MPa1234入れた熱 Q入 = 207.7 J(燃えた分)仕事 W 125 J + 捨てた熱 Q出 82.7 J
t = 0.00 s
1サイクルの仕事(囲んだ面積)は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

P=W×N2×60\htmlClass{q-moment}{P} = \htmlClass{q-moment}{W} \times \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{N}}{2 \times 60}=125 J×6,000120 /s= 125\ \mathrm{J} \times \dfrac{6{,}000}{120}\ \mathrm{/s}=6.25 kW= 6.25\ \mathrm{kW}
1サイクルの仕事(囲んだ面積)
W=125 J\htmlClass{q-moment}{W} = 125\ \mathrm{J}
出力
P=6.25 kW\htmlClass{q-moment}{P} = 6.25\ \mathrm{kW}
平均有効圧
pm=1 MPa\htmlClass{q-stress}{p_m} = 1\ \mathrm{MPa}
1秒あたりのサイクルの回数
f=50 回/s\htmlClass{q-geometry}{f} = 50\ \text{回/s}
ほかの値(5 個)
ふくらんで出す仕事(気体がする)
W膨張=178 J\htmlClass{q-moment}{W_{\text{膨張}}} = 178\ \mathrm{J}
押し縮める仕事(気体がされる)
W圧縮=53 J\htmlClass{q-moment}{W_{\text{圧縮}}} = 53\ \mathrm{J}
入れた熱(燃えた分)
Q入=207.7 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{入}}} = 207.7\ \mathrm{J}
捨てた熱(排気が持ち去る分)
Q出=82.7 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{出}}} = 82.7\ \mathrm{J}
燃えた直後の圧力(いちばん高い)
p3=8.52 MPa\htmlClass{q-stress}{p_3} = 8.52\ \mathrm{MPa}
途中の計算(導出)を見る
  1. すき間の体積(上死点で残る体積。圧縮比 10 から)

    Vc=Vsε−1=125 cc10−1=13.89 cc\htmlClass{q-displacement}{V_c} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{V_s}}{\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon} - 1} = \dfrac{125\ \mathrm{cc}}{10 - 1} = 13.89\ \mathrm{cc}
  2. 押し縮めた後の圧力(断熱、pV^κ が一定)

    p2=p1 ε κ=101 kPa×10 1.4=2.54 MPa\htmlClass{q-stress}{p_2} = \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa}} = 101\ \mathrm{kPa} \times 10^{\,1.4} = 2.54\ \mathrm{MPa}
  3. 燃えた直後の圧力(体積はそのままで、絶対温度に比例して上がる)

    p3=p2 T2+ΔTT2=2.537 MPa×753.9+1,778753.9=8.52 MPa\htmlClass{q-stress}{p_3} = \htmlClass{q-stress}{p_2}\,\dfrac{\htmlClass{q-heat}{T_2} + \htmlClass{q-heat}{\Delta T}}{\htmlClass{q-heat}{T_2}} = 2.537\ \mathrm{MPa} \times \dfrac{753.9 + 1{,}778}{753.9} = 8.52\ \mathrm{MPa}
  4. 押し縮める仕事(圧縮の線の下の面積)

    W圧縮=p2 Vc−p1 V1κ−1=35.24−14.030.4 J=53 J\htmlClass{q-moment}{W_{\text{圧縮}}} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_2}\,\htmlClass{q-displacement}{V_c} - \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1} = \dfrac{35.24 - 14.03}{0.4}\ \mathrm{J} = 53\ \mathrm{J}
  5. ふくらんで出す仕事(膨張の線の下の面積)

    W膨張=p3 Vc−p4 V1κ−1=118.3−47.110.4 J=178 J\htmlClass{q-moment}{W_{\text{膨張}}} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_3}\,\htmlClass{q-displacement}{V_c} - \htmlClass{q-stress}{p_4}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1} = \dfrac{118.3 - 47.11}{0.4}\ \mathrm{J} = 178\ \mathrm{J}
  6. 1サイクルの仕事(1周して囲んだ面積)

    W=W膨張−W圧縮=178.1−53.02=125 J\htmlClass{q-moment}{W} = \htmlClass{q-moment}{W_{\text{膨張}}} - \htmlClass{q-moment}{W_{\text{圧縮}}} = 178.1 - 53.02 = 125\ \mathrm{J}
  7. 平均有効圧(同じ面積の長方形の高さ)

    pm=WVs=125 J1.25×10−4 m3=1 MPa\htmlClass{q-stress}{p_m} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{W}}{\htmlClass{q-displacement}{V_s}} = \dfrac{125\ \mathrm{J}}{1.25\times 10^{-4}\ \mathrm{m^3}} = 1\ \mathrm{MPa}
  8. 出力(1サイクルの仕事 × 1秒あたりのサイクルの回数。2回転で1サイクル)

    P=W×N2×60=125 J×6,000120 /s=6.25 kW\htmlClass{q-moment}{P} = \htmlClass{q-moment}{W} \times \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{N}}{2 \times 60} = 125\ \mathrm{J} \times \dfrac{6{,}000}{120}\ \mathrm{/s} = 6.25\ \mathrm{kW}

つまり、ものを作るときは

エンジンを比べるときは、平均有効圧で比べる。50 cc と 1000 cc では仕事が20倍違いますが、平均有効圧なら同じ物差しで、燃やし方のよさを比べられます。

出力を上げる道は3つ。よく燃やして線図を高くする、排気量を大きくする、速く回す。小さなエンジンで大きな出力を出すバイクは、回転数を上げる道をとります。

よくある勘違い

「ふくらむときの線の下の面積が、全部仕事になる」

ふくらむときに出す 178 J のうち、53.0 J は、次のサイクルで押し縮めるのに使います。外へ取り出せるのは、差の 125 J だけです。

考え方 1サイクルの仕事
膨張の線の下の面積だけ 178 J
囲んだ面積(膨張 − 圧縮) 125 J

「平均有効圧は、シリンダの中の圧力の平均」

違います。シリンダの中の圧力は、0.101 MPa から 8.52 MPa まで大きく変わります。平均有効圧は、仕事を排気量で割った「長方形の高さ」です。吸気と排気の行程も含めた、時間の平均の圧力とは別の数です。

「回転数を2倍にすると、1サイクルの仕事も2倍になる」

1サイクルの仕事は、線図の形で決まります。回転数を2倍にして増えるのは、1秒に繰り返す回数です。出力は2倍になりますが、1サイクルの仕事 125 J はそのままです。

この公式が使える条件

  • 囲んだ面積 = 仕事 は、どんなエンジンでも使える(線図がいびつでも、実際に記録した線でもよい)
  • 平均有効圧の式は、4ストロークでは2回転で1サイクル、として出力に直す(2ストロークなら1回転で1サイクル)
  • この単元の盤は、理想のサイクル:空気だけ・比熱比 1.4 一定、燃えるのは上死点の一瞬、弁の開け閉めも一瞬、熱は壁から逃げない
  • 実物では、燃えるのに時間がかかり、熱も壁へ逃げるので、線図の角が丸くなり、面積は理想より小さくなる
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

1周の仕事:ピストンがわずかに動いて体積が dVdV 変わると、気体が外にする仕事は p dVp\,dV です。ふくらむとき(dV>0dV > 0)は正、押し縮められるとき(dV<0dV < 0)は負です。1周足し合わせると、

∮p dV=∫膨張p dV⏟W膨張+∫圧縮p dV⏟−W圧縮+∫吸気p1 dV+∫排気p1 dV⏟0\oint p\,dV = \underbrace{\int_{\text{膨張}} p\,dV}_{\spvWe} + \underbrace{\int_{\text{圧縮}} p\,dV}_{-\spvWc} + \underbrace{\int_{\text{吸気}} p_1\,dV + \int_{\text{排気}} p_1\,dV}_{0}

吸気と排気は、同じ圧力 p1\sntPOne で、同じ体積を行って帰るので、打ち消し合います。残るのは W膨張−W圧縮\spvWe - \spvWc で、膨張の線と圧縮の線にはさまれた面積です。

圧縮と膨張の仕事:断熱変化の単元の式 (paVa−pbVb)/(κ−1)(p_a V_a - p_b V_b)/(\sntKappa - 1) を使います。圧縮は (p2Vc−p1V1)/0.4=53.0 J(\sntPTwo \spvVc - \sntPOne \sntVOne)/0.4 = 53.0\ \mathrm{J}、膨張は (p3Vc−p4V1)/0.4=178 J(\spvPThree \spvVc - \spvPFour \sntVOne)/0.4 = 178\ \mathrm{J} です(Vc=13.9 cc\spvVc = 13.9\ \mathrm{cc}、V1=138.9 cc\sntVOne = 138.9\ \mathrm{cc})。

単位:1 MPa×1 cc=106 N/m2×10−6 m3=1 N⋅m=1 J1\ \mathrm{MPa} \times 1\ \mathrm{cc} = 10^6\ \mathrm{N/m^2} \times 10^{-6}\ \mathrm{m^3} = 1\ \mathrm{N\cdot m} = 1\ \mathrm{J}。

出力:1秒の回転数は N/60\spvNe/60、4ストロークは2回転で1サイクルなので、1秒のサイクルの回数は N/120\spvNe/120。出力は P=pmVsN/120\spvPow = \spvPm \spvVs \spvNe/120 です。

トルクとの関係:1サイクルでクランクは 4π4\pi ラジアン回るので、平均のトルク TT とは W=4πT\spvW = 4\pi T の関係です。125 J なら T=125/(4π)=9.95 N⋅mT = 125/(4\pi) = 9.95\ \mathrm{N\cdot m}。

例題

例題1 250 cc のバイクの出力

排気量 250 cc の、4ストロークの単気筒エンジンがあります。平均有効圧は 0.9 MPa です。

(1) 1サイクルの仕事は何 J か。(2) 8000 min⁻¹ で回っているとき、1秒に何サイクルか。(3) そのときの出力は何 kW か。

ヒント 1 / 2

MPa × cc は、そのまま J になります(106×10−6=110^6 \times 10^{-6} = 1)。

ヒント 2 / 2

4ストロークは、2回転で1サイクルです。1秒の回転数は 8000÷608000 \div 60。

答えと解き方を見る
(1) W=225 J(1)\ W = 225\ \mathrm{J}
(2) 66.7 回/s(2)\ 66.7\ \text{回/s}
(3) P=15 kW(3)\ P = 15\ \mathrm{kW}

平均有効圧が同じなら、排気量が 2倍で仕事も 2倍です。125 cc で 1.0 MPa のエンジンの 125 J と比べると、250 cc・0.9 MPa は 225 J です。

例題2 記録した線図の面積を、方眼で数える

125 cc の4ストロークのエンジンで、シリンダの中の圧力を1サイクル記録して、P-V 線図にしました。方眼の1マスは、縦 0.5 MPa・横 10 cc です。1周して囲んだ形を数えると、26 マスでした。

(1) 1マスは何 J の仕事にあたるか。(2) 1サイクルの仕事と、平均有効圧。(3) 7000 min⁻¹ のときの出力。

ヒント 1 / 2

1マスの面積は、圧力 × 体積です。0.5 MPa × 10 cc を J に直します。

ヒント 2 / 2

平均有効圧は、仕事を排気量で割った値です。130 J÷125 cc130\ \mathrm{J} \div 125\ \mathrm{cc}。

答えと解き方を見る
(1) 5 J(1)\ 5\ \mathrm{J}
(2) W=130 J,pm=1.04 MPa(2)\ W = 130\ \mathrm{J},\quad p_m = 1.04\ \mathrm{MPa}
(3) P=7.58 kW(3)\ P = 7.58\ \mathrm{kW}

実物の線図は、角が丸くなっています。燃えるのに少し時間がかかり、弁も少しずつ開くからです。それでも「囲んだ面積が仕事」は、そのまま使えます。

例題3 アクセルを少し戻す

この単元の盤と同じエンジン(125 cc・圧縮比 10・6000 min⁻¹)で、燃料を減らし、燃えて上がる温度を 1778 K から 1200 K にしました。

(1) 1サイクルの仕事と、平均有効圧。(2) 出力。(3) 入れた熱と捨てた熱。家計簿が合うことを確かめる。

ヒント 1 / 2

押し縮める仕事 53.0 J は、燃やす量によりません。変わるのは、ふくらんで出す仕事です。

ヒント 2 / 2

この盤のエンジンでは、仕事は燃えて上がる温度に比例します。125×1200/1778125 \times 1200/1778 で確かめられます。

答えと解き方を見る
(1) W=84.4 J,pm=0.675 MPa(1)\ W = 84.4\ \mathrm{J},\quad p_m = 0.675\ \mathrm{MPa}
(2) P=4.22 kW(2)\ P = 4.22\ \mathrm{kW}
(3) Q入=140 J,Q出=55.8 J(3)\ Q_{\text{入}} = 140\ \mathrm{J},\quad Q_{\text{出}} = 55.8\ \mathrm{J}
  1. すき間の体積(上死点で残る体積。圧縮比 10 から)

    Vc=Vsε−1=125 cc10−1=13.89 cc\htmlClass{q-displacement}{V_c} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{V_s}}{\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon} - 1} = \dfrac{125\ \mathrm{cc}}{10 - 1} = 13.89\ \mathrm{cc}
  2. 押し縮めた後の圧力(断熱、pV^κ が一定)

    p2=p1 ε κ=101 kPa×10 1.4=2.54 MPa\htmlClass{q-stress}{p_2} = \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{\kappa}} = 101\ \mathrm{kPa} \times 10^{\,1.4} = 2.54\ \mathrm{MPa}
  3. 燃えた直後の圧力(体積はそのままで、絶対温度に比例して上がる)

    p3=p2 T2+ΔTT2=2.537 MPa×753.9+1,200753.9=6.57 MPa\htmlClass{q-stress}{p_3} = \htmlClass{q-stress}{p_2}\,\dfrac{\htmlClass{q-heat}{T_2} + \htmlClass{q-heat}{\Delta T}}{\htmlClass{q-heat}{T_2}} = 2.537\ \mathrm{MPa} \times \dfrac{753.9 + 1{,}200}{753.9} = 6.57\ \mathrm{MPa}
  4. 押し縮める仕事(圧縮の線の下の面積)

    W圧縮=p2 Vc−p1 V1κ−1=35.24−14.030.4 J=53 J\htmlClass{q-moment}{W_{\text{圧縮}}} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_2}\,\htmlClass{q-displacement}{V_c} - \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1} = \dfrac{35.24 - 14.03}{0.4}\ \mathrm{J} = 53\ \mathrm{J}
  5. ふくらんで出す仕事(膨張の線の下の面積)

    W膨張=p3 Vc−p4 V1κ−1=91.32−36.350.4 J=137 J\htmlClass{q-moment}{W_{\text{膨張}}} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_3}\,\htmlClass{q-displacement}{V_c} - \htmlClass{q-stress}{p_4}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{\kappa} - 1} = \dfrac{91.32 - 36.35}{0.4}\ \mathrm{J} = 137\ \mathrm{J}
  6. 1サイクルの仕事(1周して囲んだ面積)

    W=W膨張−W圧縮=137.4−53.02=84.4 J\htmlClass{q-moment}{W} = \htmlClass{q-moment}{W_{\text{膨張}}} - \htmlClass{q-moment}{W_{\text{圧縮}}} = 137.4 - 53.02 = 84.4\ \mathrm{J}
  7. 平均有効圧(同じ面積の長方形の高さ)

    pm=WVs=84.39 J1.25×10−4 m3=0.675 MPa\htmlClass{q-stress}{p_m} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{W}}{\htmlClass{q-displacement}{V_s}} = \dfrac{84.39\ \mathrm{J}}{1.25\times 10^{-4}\ \mathrm{m^3}} = 0.675\ \mathrm{MPa}
  8. 出力(1サイクルの仕事 × 1秒あたりのサイクルの回数。2回転で1サイクル)

    P=W×N2×60=84.39 J×6,000120 /s=4.22 kW\htmlClass{q-moment}{P} = \htmlClass{q-moment}{W} \times \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{N}}{2 \times 60} = 84.39\ \mathrm{J} \times \dfrac{6{,}000}{120}\ \mathrm{/s} = 4.22\ \mathrm{kW}

燃やす量を減らすと、燃えた直後の圧力が下がり、線図が低く、細くなります。囲んだ面積が減った分だけ、出力が下がります。

入れた熱 − 捨てた熱 = 仕事。家計簿は、燃やす量を変えても合います。