エンジン知識

オットーサイクルとは?|ガソリンエンジンの理論サイクルを理解しよう!

4ストローク

どうも!だいです!

自動車のエンジンは、現在では4ストロークのエンジンが一般的になっています。
4ストロークというのは図の通り『①吸気』『②圧縮』『③膨張』『④排気』の4工程をもつサイクルのことを言います。

4ストローク

ガソリンエンジンにおいては4ストロークの理論サイクルを『オットーサイクル』と呼ぶのです。

ではその『オットーサイクル』について解説していきます。

オットーサイクルとは?

オットーサイクルとは、最初にお伝えした通りガソリンエンジンの理論サイクルのことを指します。このサイクルは下図の通り、PV線図と呼ばれるもので表すことができます。

PV線図
出典:http://skomo.o.oo7.jp/f28/hp28_15.htm

オットーサイクルは以下の4工程で作られます。
①断熱圧縮(a→b)
②等容受熱(b→c)
③断熱膨張(c→d)
④等容放熱(d→a)

①断熱圧縮(a→b)
燃焼室内に入った空気が、ピストンの上昇により圧縮されます。圧縮空気は圧力上昇により温度が上がり、シリンダー壁面から熱が逃げていきますが、理論サイクル上では断熱過程のため放熱(冷却損失)はありません。
またこの過程の中で、燃焼室内で燃料(ガソリン)と空気が均質になるよう混合されます。

②等容受熱(b→c)
上死点と呼ばれる位置まで空気が圧縮されると、ここで点火プラグによる放電で燃料と空気の混合気に点火します。そうすると爆発により一気に圧力Pが上昇します。本来であれば、燃焼室からの放熱や、燃焼(爆発)の遅れが生じてピーンと圧力Pは上がりませんが、理論サイクル上ではここでも角がとがったサイクルとなります。

③断熱膨張(c→d)
爆発された空気はピストンを押し、ピストン下降とともに膨張します。爆発後の混合気(燃焼ガス)は2000℃を超えるため、実際は周囲の壁面から一気に熱が逃げます。理論サイクル上では断熱工程となるため熱が逃げず線形的に膨張します。

④等容放熱(d→a)
ピストンが下死点まで下降すると、燃焼ガスは排気されます。一気に排気されるため圧力Pは一定で容積Vが変化し、吸気工程に入ります(e→f)。燃焼ガスが排出されると圧力Pは下がります。また吸気工程は圧力P一定でVのみが変化(f→a)し、再度断熱膨張工程へと進みます。

理論サイクルのため、角がとがったサイクルとなっていますが実際は下図の通り角は丸みを帯びたPV線図となります。
PV線図
出典:https://motor-fan.jp/tech/photo/10014902/3203039202005261148520000002

4ストロークのイメージは動画の通りになります。

まとめ

『オットーサイクル』=『ガソリンエンジンの理論サイクル』

理論サイクルであるため実際とはことなります。
実際は各工程からエネルギーの損失があり、熱効率が下がります。
理論サイクルの効率を100%とすると、実際の効率は40%程度が最大となります。

各自動車メーカーは、より熱効率を向上できるよう開発をされていますが、その今後に期待ですね。

以上、ありがとうございました<m(__)m>

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