１６章：ディーゼルサイクル

ディーゼルサイクル
　図16-1にディーゼルサイクルのpv線図を示します。

（１）図16-1において、ピストンは吸気の動作が完了してB1の位置にあるとします。この時の状態をpv線図上のa点に対応します。この時の圧力を p1、比容積をv1とします。

（２）ピストンがB2点に移動すると断熱圧縮され、b点（p2、v2)に変化します。

（３）ピストンがB2点に達すると燃料が噴射され、燃焼が起こります。この場合、燃焼には有限の時間掛かります。燃焼中にピストンが移動しるため、比容積が増大します。燃焼のエネルギーは比容積の増大に消費され、圧力が一定のまま、ｃ点（ｐ3、ｖ3）に変化します。

（４）燃焼ガスは断熱膨張し、ピストンをB1点に移動させます。この状態をd点（p4、v4）とします。

（５）燃焼ガスを排気するため、排気弁が開きピストンがB2に移動します。この過程をdeの点線で示しています。この過程においては、弁が開いているため圧力も比容積も変化しません。（点線は説明上描いたものです。）

（６）排気が完了すると排気弁が閉じて、吸気弁が開きピストンがB1に移動します。この過程をfaの点線で示しています。この場合も圧力と比容積は変化しません。吸気が完了すると吸気弁が閉じます。
ディーゼルサイクルの効率
　ここでは簡単化のため定圧比熱cｐと定容比熱cvの値は一定と仮定して、ディーゼルサイクルの効率を求めます。
　熱エネルギーが動作気体に取り入れられるのは、図16-1においてbcの等圧過程のみです。b点の温度をT2、c点の温度をT3とした場合、取り入れられた熱エネルギーq1は

　となります。また熱エネルギーを放出するのは、図16-1においてdaの等容過程のみです。d点の温度をT4、a点の温度をT1 とした場合、放出した熱エネルギーq2は

となります。したがってオットーサイクルの効率ηは

となります。

（8.1）式から

（16.3）式が成立します。（16.3）式のρを等圧膨張比といいます。従って

ここで１０章の断熱過程の関係式を用います

（10.27）式から

が成立します。（16.5）式のδを断熱膨張比といいます。したがって

また、断熱線abに対しては

が成立します。（16.7）式のεを断熱圧縮比といいます。したがって

となります。（16.2）式に（16.4）式、（16.6）式、（16.8）式を代入すると

となります。ρ、ε、δの間には

の関係が成立します。（16.10）を（13.9）式に代入すると

となります。

ディーゼルエンジンの圧縮比εと等圧膨張比ρと効率ηの関係
　（16.11）式からディーゼルエンジンの圧縮比εと等圧膨張比ρと効率ηの関係は容易に計算できます。
　計算結果を表16-1に示します。

表16-1　ディーゼルエンジンの圧縮比εと等圧膨張比ρと効率ηの関係　

ε＼ρ	1.5	2	3	4	5	6	7
10	0.50	0.47	0.42	0.38	0.34	0.31	0.28
12	0.53	0.50	0.45	0.41	0.38	0.35	0.32
14	0.55	0.52	0.48	0.44	0.41	0.38	0.35
16	0.57	0.54	0.50	0.47	0.44	0.41	0.38
18	0.59	0.56	0.52	0.49	0.46	0.43	0.41
20	0.60	0.58	0.54	0.50	0.48	0.45	0.43
22	0.61	0.59	0.55	0.52	0.49	0.47	0.44
24	0.62	0.60	0.56	0.53	0.51	0.48	0.46
26	0.63	0.61	0.58	0.54	0.52	0.50	0.47
28	0.64	0.62	0.59	0.56	0.53	0.51	0.49
30	0.65	0.63	0.59	0.57	0.54	0.52	0.50

　表16-1から明らかなように等圧膨張比ρが増大するに従い、エネルギー効率は低下します。しかし、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンと異なり、自然発火の制約が無く圧縮比εを容易に向上できます。このため、総合効率としては、ガソリンエンジンと変わらないエネルギー効率を得ることができます。

ディーゼルエンジンの考察
　熱力学は、ディーゼルエンジンの効率向上に関しして、基本原理的な指針を示します。実用においては、さまざまな見地から総合エンジニアリング検討が必要となります。
　検討すべき項目としては
（１）有害物質の完全除去化（環境保全のため必須です。）
（２）化石燃料消費の削減
（３）二酸化炭素排出削減
（４）安全性、信頼性
　等が上げられます。特に有害物質の完全除去化に関しては、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンよりさらに難しい問題を抱えています。
　ディーゼルエンジンの最大の課題は有害物質の完全除去化です。

１７章：空気圧縮機とポリトロープ過程に行く。

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