４６章：ガソリンの燃焼条件とエンジンの出力

    作成2012.06.29


  1. 空気の組成
    　空気の組成はパーセント比率で以下のようになります。
    窒素＝78.09
    酸素＝20.95
    アルゴン＝0.93
    二酸化炭素＝0.04
    水蒸気＝0〜4.0
    　水蒸気は状況により、かなり変動します。検討を簡単にするため
    （１）窒素＝79 ％
    （２）酸素＝21％
    とします。


  2. 空気とガソリンの混合比
    　これも検討を簡単にするため、ガソリンはイソオクタンが100％とします。
    （１）イソオクタンが1molに対して必要な酸素ガスの量は12.5molとなります。
    （２）従ってイソオクタンが1molに対して必要な空気の量は12.5/0.21＝59.5molとなります。
    （３）蒸気の体積比では、100/59.5＝1.68％となります。イソオクタンの爆発範囲は1.0〜6.0vol%ですので爆発範囲の 低めの値が適正値となります。
    （４）21℃における蒸気圧は5.4kPaであり、標準気圧を101.3kPaとすると飽和蒸気は5.33vol％となり、酸素が不足状態となります。
    （５）イソオクタンが1molの質量は0.1423kgです。空気が59.5molの質量は0.02896×59.5＝1.723kgとなります。


  3. 混合気体のガス定数Rの予測
    　ガスの容積は温度Tと圧力pに依存します。ガスの容積を計算するには、ガス定数Rの予測が必要です。
    　物理単位のガス定数Rpの値は

    物理ガス定数を工学単位に変換します。変換式は

    酸素ガスの分子量を32とするとRe＝26.5（m・kp/ｋｇ・K）となります。
    窒素ガスの分子量を28.02とするとRe＝30.28（m・kp/ｋｇ・K）となります。
    イソオクタンの分子量を114.23とするとRe＝7.427（m・kp/ｋｇ・K）となります。

    　また、空気の質量比は酸素ガス0.233、窒素ガス0.767となり、ガス定数Re＝29.4 （m・kp/ｋｇ・K）となります。
    　混合気体の質量比は酸素ガス0.219、窒素ガス0.721、イソオクタン0.0604となりガス定数Re＝28.07 （m・kp/ｋｇ・K）となります。


  4. 供給空気の温度・圧力と比容積の関係
    　横軸に供給空気の温度、縦軸に供給空気の圧力をとった比容積(m3/kg）の計算結果を表46-1に示します。なお、ガス定 数Re＝28.07 （m・kp/ｋｇ・K）としました。

    表46-1　供給空気の温度・圧力と比容積の関係
    空気温度℃ -30 -20 -10 0 10 20 30
    圧力kp/m2 m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg m3/kg
    1000 6.821 7.102 7.382 7.663 7.944 8.225 8.505
    2000 3.411 3.551 3.691 3.832 3.972 4.112 4.253
    3000 2.274 2.367 2.461 2.554 2.648 2.742 2.835
    4000 1.705 1.775 1.846 1.916 1.986 2.056 2.126
    5000 1.364 1.420 1.476 1.533 1.589 1.645 1.701
    6000 1.137 1.184 1.230 1.277 1.324 1.371 1.418
    7000 0.974 1.015 1.055 1.095 1.135 1.175 1.215
    8000 0.853 0.888 0.923 0.958 0.993 1.028 1.063
    9000 0.758 0.789 0.820 0.851 0.883 0.914 0.945
    10000 0.682 0.710 0.738 0.766 0.794 0.822 0.851
    11000 0.620 0.646 0.671 0.697 0.722 0.748 0.773
    12000 0.568 0.592 0.615 0.639 0.662 0.685 0.709
    13000 0.525 0.546 0.568 0.589 0.611 0.633 0.654
    14000 0.487 0.507 0.527 0.547 0.567 0.587 0.608
    15000 0.455 0.473 0.492 0.511 0.530 0.548 0.567
    16000 0.426 0.444 0.461 0.479 0.496 0.514 0.532
    17000 0.401 0.418 0.434 0.451 0.467 0.484 0.500
    18000 0.379 0.395 0.410 0.426 0.441 0.457 0.473
    19000 0.359 0.374 0.389 0.403 0.418 0.433 0.448
    20000 0.341 0.355 0.369 0.383 0.397 0.411 0.425


  5. 1000ccのシリンダーに含まれる混合気体の質量
    　表46-1の値の逆数は1000ccのシリンダーに含まれる混合気体の質量（単位g)となます。

    表46-2　 1000ccのシリンダーに含まれる混合気体の質量
    空気温度℃ -30 -20 -10 0 10 20 30
    圧力kp/m2 g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc
    1000 0.147 0.141 0.135 0.130 0.126 0.122 0.118
    2000 0.293 0.282 0.271 0.261 0.252 0.243 0.235
    3000 0.440 0.422 0.406 0.391 0.378 0.365 0.353
    4000 0.586 0.563 0.542 0.522 0.504 0.486 0.470
    5000 0.733 0.704 0.677 0.652 0.629 0.608 0.588
    6000 0.880 0.845 0.813 0.783 0.755 0.730 0.705
    7000 1.026 0.986 0.948 0.913 0.881 0.851 0.823
    8000 1.173 1.126 1.084 1.044 1.007 0.973 0.941
    9000 1.319 1.267 1.219 1.174 1.133 1.094 1.058
    10000 1.466 1.408 1.355 1.305 1.259 1.216 1.176
    11000 1.613 1.549 1.490 1.435 1.385 1.337 1.293
    12000 1.759 1.690 1.625 1.566 1.511 1.459 1.411
    13000 1.906 1.831 1.761 1.696 1.636 1.581 1.528
    14000 2.052 1.971 1.896 1.827 1.762 1.702 1.646
    15000 2.199 2.112 2.032 1.957 1.888 1.824 1.764
    16000 2.346 2.253 2.167 2.088 2.014 1.945 1.881
    17000 2.492 2.394 2.303 2.218 2.140 2.067 1.999
    18000 2.639 2.535 2.438 2.349 2.266 2.189 2.116
    19000 2.786 2.675 2.574 2.479 2.392 2.310 2.234
    20000 2.932 2.816 2.709 2.610 2.518 2.432 2.351


  6. 1000ccのシリンダーに含まれる燃料の質量
    　 　表46-3に1000ccのシリンダーに含まれる燃料の質量を示します。

    表46-3　 1000ccのシリンダーに含まれる燃料の質量
    空気温度℃ -30 -20 -10 0 10 20 30
    圧力kp/m2 g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc g/1000cc
    1000 0.0089 0.0085 0.0082 0.0079 0.0076 0.0073 0.0071
    2000 0.0177 0.0170 0.0164 0.0158 0.0152 0.0147 0.0142
    3000 0.0266 0.0255 0.0245 0.0236 0.0228 0.0220 0.0213
    4000 0.0354 0.0340 0.0327 0.0315 0.0304 0.0294 0.0284
    5000 0.0443 0.0425 0.0409 0.0394 0.0380 0.0367 0.0355
    6000 0.0531 0.0510 0.0491 0.0473 0.0456 0.0441 0.0426
    7000 0.0620 0.0595 0.0573 0.0552 0.0532 0.0514 0.0497
    8000 0.0708 0.0680 0.0655 0.0631 0.0608 0.0588 0.0568
    9000 0.0797 0.0765 0.0736 0.0709 0.0684 0.0661 0.0639
    10000 0.0885 0.0850 0.0818 0.0788 0.0760 0.0734 0.0710
    11000 0.0974 0.0936 0.0900 0.0867 0.0836 0.0808 0.0781
    12000 0.1063 0.1021 0.0982 0.0946 0.0912 0.0881 0.0852
    13000 0.1151 0.1106 0.1064 0.1025 0.0988 0.0955 0.0923
    14000 0.1240 0.1191 0.1145 0.1103 0.1064 0.1028 0.0994
    15000 0.1328 0.1276 0.1227 0.1182 0.1141 0.1102 0.1065
    16000 0.1417 0.1361 0.1309 0.1261 0.1217 0.1175 0.1136
    17000 0.1505 0.1446 0.1391 0.1340 0.1293 0.1248 0.1207
    18000 0.1594 0.1531 0.1473 0.1419 0.1369 0.1322 0.1278
    19000 0.1682 0.1616 0.1555 0.1498 0.1445 0.1395 0.1349
    20000 0.1771 0.1701 0.1636 0.1576 0.1521 0.1469 0.1420


  7. 1000ccのシリンダーに含まれる燃料のエネルギー（Wh)
    　表46-4に1000ccのシリンダーに含まれる燃料のエネルギー（Wh)を示します。

    表46-4　 1000ccのシリンダーに含まれる燃料のエネルギー（Wh)
    空気温度℃ -30 -20 -10 0 10 20 30
    圧力kp/m2 Wh/1000cc Wh/1000cc Wh/1000cc Wh/1000cc Wh/1000cc Wh/1000cc Wh/1000cc
    1000 0.107 0.103 0.099 0.095 0.092 0.089 0.086
    2000 0.214 0.206 0.198 0.191 0.184 0.178 0.172
    3000 0.321 0.309 0.297 0.286 0.276 0.267 0.258
    4000 0.429 0.412 0.396 0.381 0.368 0.355 0.344
    5000 0.536 0.515 0.495 0.477 0.460 0.444 0.430
    6000 0.643 0.617 0.594 0.572 0.552 0.533 0.516
    7000 0.750 0.720 0.693 0.668 0.644 0.622 0.601
    8000 0.857 0.823 0.792 0.763 0.736 0.711 0.687
    9000 0.964 0.926 0.891 0.858 0.828 0.800 0.773
    10000 1.071 1.029 0.990 0.954 0.920 0.889 0.859
    11000 1.179 1.132 1.089 1.049 1.012 0.977 0.945
    12000 1.286 1.235 1.188 1.144 1.104 1.066 1.031
    13000 1.393 1.338 1.287 1.240 1.196 1.155 1.117
    14000 1.500 1.441 1.386 1.335 1.288 1.244 1.203
    15000 1.607 1.544 1.485 1.431 1.380 1.333 1.289
    16000 1.714 1.647 1.584 1.526 1.472 1.422 1.375
    17000 1.821 1.749 1.683 1.621 1.564 1.511 1.461
    18000 1.929 1.852 1.782 1.717 1.656 1.600 1.547
    19000 2.036 1.955 1.881 1.812 1.748 1.688 1.633
    20000 2.143 2.058 1.980 1.907 1.840 1.777 1.719


  8. 1000ccエンジンの出力（ｋW)
    　エネルギー効率η＝0.56、回転数4000rpmとした場合の1000ccエンジンの出力（ｋW)を表46-5に示します。

    表46-5　 1000ccエンジンの出力（ｋW)
    空気温度℃ -30 -20 -10 0 10 20 30
    圧力kp/m2 KW/1000cc KW/1000cc KW/1000cc KW/1000cc KW/1000cc KW/1000cc KW/1000cc
    1000 7.2 6.9 6.7 6.4 6.2 5.971 5.8
    2000 14.4 13.8 13.3 12.8 12.4 11.9 11.5
    3000 21.6 20.7 20.0 19.2 18.5 17.9 17.3
    4000 28.8 27.7 26.6 25.6 24.7 23.9 23.1
    5000 36.0 34.6 33.3 32.0 30.9 29.9 28.9
    6000 43.2 41.5 39.9 38.5 37.1 35.8 34.6
    7000 50.4 48.4 46.6 44.9 43.3 41.8 40.4
    8000 57.6 55.3 53.2 51.3 49.5 47.8 46.2
    9000 64.8 62.2 59.9 57.7 55.6 53.7 52.0
    10000 72.0 69.2 66.5 64.1 61.8 59.7 57.7
    11000 79.2 76.1 73.2 70.5 68.0 65.7 63.5
    12000 86.4 83.0 79.8 76.9 74.2 71.7 69.3
    13000 93.6 89.9 86.5 83.3 80.4 77.6 75.1
    14000 100.8 96.8 93.1 89.7 86.6 83.6 80.8
    15000 108.0 103.7 99.8 96.1 92.7 89.6 86.6
    16000 115.2 110.6 106.4 102.5 98.9 95.5 92.4
    17000 122.4 117.6 113.1 109.0 105.1 101.5 98.2
    18000 129.6 124.5 119.7 115.4 111.3 107.5 103.9
    19000 136.8 131.4 126.4 121.8 117.5 113.5 109.7
    20000 144.0 138.3 133.1 128.2 123.6 119.4 115.5

    　表46-5において、大気圧は約10000kp/m2となります。ノーマルエンジンではアクセルを踏み込むことにより供給空気圧力を10000kp/m2 まで上げることができます。 10000kp/m2以上はターボエンジンです。
    　回転数4000rpmとしましたが、回転数に比例して出力が増加します。
    　エネルギー効率η＝0.56としましたが供給空気の温度を下げることにより、エネルギー効率を向上できます。







４７章：燃焼ガスの温度と圧力に行く。

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