車の心臓部の仕組み: エンジンサイクルを解説
車を知りたい
先生、この文章にある『サイクル』って、具体的にどんな動作のことですか？ イメージが掴みにくいです。
自動車研究家
なるほど。自動車のエンジンは、燃料を燃焼させてピストンを動かし、車を走らせるよね。この一連の動作を繰り返すことで動力が生まれるんだけど、この『一連の動作』のことを『サイクル』と呼ぶんだ。
車を知りたい
一回エンジンが動いて、また次の燃料が燃えるまでの一連の流れってことですか？
自動車研究家
その通り！ 例えば、自転車のペダルを漕ぐ動作を想像してみて。一回踏み込んで、また元の位置に戻ってくるまでの一連の動きが『サイクル』に当たるんだよ。エンジンの場合も、燃料の燃焼とピストンの動きによって、この『サイクル』を繰り返して動力を生み出しているんだ。
サイクルとは。
自動車用語で「サイクル」とは、ある状態から様々な変化を経て、再び最初の状態に戻る一連の流れを指します。ピストン機関のサイクル論では、燃焼による熱の供給方法によって、(1)一定の容積で行われる定容サイクル（オットーサイクル）、(2)一定の圧力で行われる定圧サイクル（ディーゼルサイクル）、(3)定容と定圧を組み合わせた複合サイクル（サバテサイクル）の3つに分類されます。実際のエンジンでは、ガソリンエンジンは定容サイクルに近く、ディーゼルエンジンは低速では定圧サイクル、高速では複合サイクルに近い動きをします。
エンジンサイクルとは？
エンジンサイクルとは、車が動くための動力源であるエンジンにおいて、燃料を燃焼させて動力を発生させる一連の工程のことです。 このサイクルは、吸入、圧縮、燃焼、排気の4つの行程を繰り返すことで、連続的に動力を生み出しています。それぞれの行程がどのように行われ、互いにどのように関連しているのかを知ることで、エンジンの仕組みをより深く理解することができます。
サイクルの種類: 定容・定圧・複合
エンジンは、燃料の持つ化学エネルギーを熱エネルギーに変換し、さらに運動エネルギーへと変換することで車を動かす心臓部です。このエネルギー変換は、吸入→圧縮→燃焼→排気という一連の工程を繰り返すことで行われます。この工程をエンジンサイクルと呼び、サイクルの種類によってエンジンの特性は大きく異なります。
自動車用エンジンにおいて代表的なサイクルとして、ガソリンエンジンで主に用いられる-定容サイクル（オットーサイクル）-、ディーゼルエンジンで主に用いられる-定圧サイクル（ディーゼルサイクル）-、そして両者の特徴を併せ持つ-複合サイクル-の３つが挙げられます。
それぞれのサイクルがどのような仕組みで動力を生み出し、どのような特性を持つのか、詳しく見ていきましょう。
定容サイクル (オットーサイクル)
– 定容サイクル (オットーサイクル)
ガソリンエンジンで採用されている燃焼方式が、この定容サイクル、別名オットーサイクルです。名前の通り、燃焼がシリンダー内で行われ、その際ピストンの位置はほぼ変化せず体積が一定に保たれることが特徴です。
このサイクルは、吸入・圧縮・燃焼・排気の4つの行程で構成されています。
1. -吸入行程- ピストンが下降し、混合気(空気と燃料の混合)をシリンダー内に吸い込みます。
2. -圧縮行程- ピストンが上昇し、混合気を圧縮します。
3. -燃焼行程- 圧縮された混合気に点火プラグで点火し、爆発的な燃焼を起こします。この時、発生した高温高圧のガスによりピストンが押し下げられます。
4. -排気行程- ピストンが上昇し、燃焼後のガスを排気します。
オットーサイクルは、構造がシンプルで比較的小型軽量に設計できるというメリットがある一方、圧縮比が低いとノッキングが発生しやすく、熱効率が低いというデメリットも持ち合わせています。
定圧サイクル (ディーゼルサイクル)
ディーゼルエンジンで採用されている定圧サイクルは、ガソリンエンジンで用いられる定積サイクルとは異なる動作原理で動力を生み出します。最大の特徴は、圧縮行程で空気のみを圧縮し、高温高圧になったところに燃料を噴射して自己着火させる点です。この違いが、ディーゼルエンジンとガソリンエンジンのそれぞれの特性を生み出すもととなっています。
定圧サイクルは、以下の4つの行程で1サイクルを構成します。
1. -断熱圧縮行程- ピストンが上昇し、シリンダー内の空気を圧縮します。この時、熱の出入りがない理想的な断熱圧縮では、圧力と温度が大きく上昇します。
2. -定圧加熱行程- 圧縮された高温高圧の空気中に燃料を噴射し、自己着火させます。燃焼による熱発生と同時にピストンが下降するため、圧力は一定に保たれながら体積が膨張します。
3. -断熱膨張行程- 燃焼ガスの膨張によりピストンがさらに下降し、仕事を取り出します。この行程も断熱変化とみなせるため、膨張に伴い温度と圧力が低下します。
4. -定積排熱行程- ピストンが上昇し、燃焼後のガスを排気します。この時、体積は一定に保たれます。
ディーゼルサイクルは、圧縮比を高く設定できるため熱効率に優れており、燃費が良いというメリットがあります。また、高圧縮に耐える頑丈な構造から、耐久性が高いことも特徴です。その反面、重量が重くなりがちで、出力や回転数がガソリンエンジンに劣るという側面もあります。
複合サイクル (サバテサイクル)と実際のエンジン
これまで解説してきたサイクルは、あくまで理論的なモデルであり、実際のエンジン内でおこる現象をすべて反映したものではありません。例えば、燃焼は一瞬で終わるという仮定や、吸排気行程における抵抗は無視できるといった簡略化が行われています。
しかし実際のエンジンでは、燃焼には時間がかかり、その間にピストンは移動しています。また、吸排気バルブの開閉タイミングや、吸排気経路の形状によっても、熱効率や出力は大きく変化します。
これらの要素を考慮し、より現実に近いエンジンサイクルとして考案されたのが、複合サイクル、またはサバテサイクルと呼ばれるものです。このサイクルでは、熱供給を定容過程と定圧過程に分割することで、より実際のエンジンの挙動に近づけています。
サバテサイクルにおいても、圧縮比を高めることや熱損失を減らすことなど、基本的な考え方は Otto サイクルや Diesel サイクルと変わりません。しかし、実際のエンジンの設計では、これらの理論的なサイクルを参考にしながらも、様々な要素を考慮して、最適な性能を引き出すための工夫が凝らされています。