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エネルギー変換工学６
（熱機関を用いたエネルギー変換２）
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熱機関
・内燃熱機関
・間欠燃焼機関（容積型機関）
・連続燃焼機関（流動型機関）
・外燃熱機関
・蒸気原動機（ボイラー）
・スターリング機関
・圧縮着火機関（ディーゼル）
・火花点火機関（ガソリン）
・焼玉機関
・ガスタービン機関
・ロケット機関
熱機関の分類
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ディーゼル機関
特徴：高い耐久性と省燃費性
大型自動車（トラック・バス）
鉄道車両
建設機械
農業用機械
船舶、発電機、商用車 etc.• 軽油＝ガソリンに比べて引火爆発の危険小
戦車や軍用車両に多用
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ディーゼルサイクル（等圧燃焼サイクル）
• ０－１：吸気（空気）• １－２：断熱圧縮• ２－３：燃料噴射・着火・等圧燃焼• ３－４：断熱膨張• ４－１：排気弁開•
１－０：排気
1 2
3 2
/ (
/ (
V VV V
≡
≡
圧縮比)
噴射締切比，
等圧膨張比)
εσ
P
V1
4
2 3
0 2Q
1Q
2V 1V
T
S1
4
2
3
0
1Q
2Q
V=cons
t
P=cons
t
圧縮着火（ディーゼル）機関の理論サイクル
-
1 3 2 2 4 1
1 2 4 1 4 1
1 3 2 3 2
( ), ( )
( )1 1
( ) ( )
p v
vth
p
Q mc T T Q mc T T
Q Q c T T T TQ c T T T T
ηκ
= − = −
− − −∴ = = − = −
− −T
S1
4
2
3
0
1Q
2Q
V=cons
t
P=cons
t
1 1 1 113 3 3 2
4 3 3 3 1 14 1 2 1
V V V VT T T T T TV V V V
− − − −−⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= = = = =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
κ κ κ κκ κσε σ σ
ε
(σ 1の極限はOtto cycle)
• 理論効率
1 11 1 2 2
1
112 1 1
2
TV T V
VT T TV
κ κ
κ
κε
− −
−
−
=
⎛ ⎞∴ = =⎜ ⎟
⎝ ⎠
3 4⇒ 断熱変化
1 2⇒ 断熱変化
2 2 3 3
133 2 1
2
/ / , V T V TV
T T TV
κε σ−
=
∴ = =
2 3⇒ 等圧変化
11 1 1
1
( 1) 1 11 1
( ) ( 1)thT
T − − −− −
∴ = − = −− −
κ κ
κ κ κ
σ σηκ ε σ ε ε κ σ
-
2
1
1 ( 1) 11
( 1)
1 2
( 1) ( 1) ( 1)( 1) 1
2! !( 1)
( 1) 1 ( 1)2! 12!
0
( 1) 1 11, 1
( 1)
n
xxx
x
nx x x xn
xx xx
x
xx
→
− + −− = =
−
<
− − − ++ = + + + + +
−+ ++ − −
= = + +
→
+ − −→ ∴ =
−
とおくと
のとき 項級数から
とすると
κ κ
κ
κ
κ κ
σ
σσκ σ κ
κ κ κ κ κκ
κ κκ κκ κ
σκ κ σ
-
• 圧縮比εを上げれば高効率になる．• εがOtto cycleと等しいと理論効率はOtto
cycleの方が上．• しかし， εをOtto cycle より大きくすることが
できるため，熱効率は高い．
• またσ=1に近い（Otto cycleに近い）程，熱効率は高い．
1
1 11
( 1)th −−
= −−
κ
κ
σηε κ σ
-
ガソリンエンジンとの比較
• 圧縮時筒内が空気のみ圧縮比を18～22と高くできる（ガソリンエンジンは8～12）全域で排気圧が高い
ターボチャージャーとの良相性
• 空気過剰率が大きいため作動ガスの比熱比が高い高熱効率
• 空燃比が高い CO、HCの発生は少ない• 出力制御＝燃料噴射のみ スロットルバルブ不要
ポンピングロスが小さい
• 部分負荷時の燃料消費率が低く、燃費が良い• 高回転運転は不向きだが，低中回転のトルク特性に優れる
-
• 高い強度と剛性が必要で重量が大• 自己着火に必要な高温を高圧縮で作る 小
型エンジンほどエネルギー損失大
• 高圧縮 騒音、振動が大• 燃焼室内が空気過剰（窒素過多）でNOxが発
生しやすい
• 高地等低気圧では不完全燃焼 黒煙• 均一燃焼が難しい 黒煙等PM（粒状物質）
が発生しやすい
-
機関名称 火花点火機関 圧縮着火機関
サイクル名称 オットーサイクル ディーゼル/サバテサイクル
エンジン形式 2/4ストロークレシプロ，ロータリー
2/4ストロークレシプロ
燃料 石油（ガソリン，灯油，軽油）
ガス（LNG/LPG)ディーゼル燃料（軽油，重油）
燃焼方式 予混合気圧縮
直接噴射
空気圧縮，直接噴射
間接噴射（予燃焼室，渦室，空気室）
絞り損失 大きい（吸気量で出力制御） なし（燃料噴射量で出力制御）
圧縮比ε ５～８ １６～２２
ノッキング防止策 自発着火性を悪くする（オクタン価の調整）
自発着火性を良くする（セタン価の調整）
火花点火機関と圧縮着火機関との比較
オクタン価が高いほどノッキングしにくい セタン価が高いほどノッキングしにくい
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Sabathé Cycle（サバテサイクル：複合燃焼サイクル）• 高速ディーゼル機関の理論サイクル
０－１：吸気（空気）１－２：断熱圧縮・（圧縮終了間際：燃料噴射開始）２－３：着火・等容燃焼３－４：等圧燃焼（燃料噴射終了）４－５：断熱膨張５－１：排気弁開１－０：排気
P
V1
52
4
0 2Q
1Q ′′
2V 1V
3
1Q ′ T
S1
4
2 3
0
1Q ′
2Q
V=V1,con
st
P=P3,con
st
5V=V 2,con
st 1Q ′′
-
1 1 1 3 2 4 3
2 5 1
5 12 1
3 2 4 3
5 1
3 2 4 3
( ) ( )
( )
( )1 / 1
( ) ( )
( )1
( ) ( )
v p
v
vth
v p
Q Q Q mc T T mc T T
Q mc T Tmc T T
Q Qmc T T mc T T
T TT T T T
η
κ
′ ′′= + = − + −
= −
−∴ = − = −
− + −
−= −
− + −
T
S1
4
2 3
0
1Q ′
2Q
V=V1,con
st
P=P3,con
st
5V=V2,con
st 1Q ′′
• 理論効率 ηth
１－２：断熱圧縮:２－３：等容燃焼:３－４：等圧燃焼:４－５：断熱膨張:
1 2
3 2 3 2
4 3
/ (
/ /
/ (
V VP P T TV V
εξσ
≡
= =
≡
圧縮比)
(圧力比）
噴射締切比，
等圧膨張比)
-
1
1 ( 1) 1
( 1) ( 1)th −−
∴ = −− + −
κ
κ
ξσηε ξ κξ σ
1
11 1th −= −= のとき κη ε
σ
1
1 11
( 1)1 th −
−= −
−= のとき
κ
κ
σηε κ σ
ξ
（オットーサイクル）
（ディーゼル サイクル）
オットーサイクル，ディーゼルサイクルを包含する一般サイクル
-
1σ =
ηth
圧縮比ε
理論熱効率
％８０
６０
４０
２０
０１ ５ ９ １３ １７ ２１ ２５
2σ =4σ =
ディーゼルサイクルの範囲
オットーサイクルの範囲
ディーゼルサイクル
オットーサイクル
-
バイオディーゼル燃料
• バイオマス，特に植物の含有油脂を原料としたディーゼルエンジンを稼働させる軽油の代替燃料
• 植物の光合成によりCO2を吸収し合成された油脂燃料
• 燃焼させ発生したCO2はもともと大気中のもの地上のCO2を増加させない(カーボンニュートラル)
• 再生可能エネルギーまたはリニューアブルエネルギー
• 化石燃料の軽油をバイオディーゼル燃料で代替地球温暖化対策 （ｃ．ｆ．合成ガソリン）
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バイオディーゼル燃料の種類と精製法
• メチルエステル：植物(ナタネ・ヒマワリ・大豆・パーム)由来の油とメタノールを原料として合成
• エチルエステル ：植物油とエタノールを原料として合成（
バイオエタノール:木材やサトウキビ、イネ、ソルガム（こうりゃん）から製造)
• 炭化水素油 :植物油脂や魚油を分解して製造
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合成ガソリン synthetic gasoline
• 天然ガス、石炭、オイル・シェールなど石油や石油製品以外のものから製造したガソリン
• 化石燃料に含まれる
エネルギー変換工学�６�（熱機関を用いたエネルギー変換２）ガソリン機関の燃焼法成層燃焼EGR:Exhaust Gas
Recirculationガソリン機関の燃焼法：リーンバーンダイリューテッドバーン筒内直噴ガソリンエンジン�（三菱：GDI、トヨタ：D-4、ホンダ：i-VTEC
I、日産：NEO Di）ディーゼル機関ディーゼルサイクル（等圧燃焼サイクル）ガソリンエンジンとの比較Sabathé
Cycle（サバテサイクル：複合燃焼サイクル）バイオディーゼル燃料バイオディーゼル燃料の種類と精製法 合成ガソリン synthetic
gasoline
