オットーサイクルとは?ガソリンエンジンに適した理想的な行程【自動車用語辞典:エンジンサイクル編】

■断熱圧縮、等容燃焼、断熱膨張、等容放熱(排気)で構成

●熱効率は、燃料を燃焼させ発生した熱量のうち動力としてどれだけ取り出せているかの割合

オットーサイクルは、4ストロークガソリンエンジンの理想サイクルであり、(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)行程の燃焼サイクルの理解を深めるのに役立ちます。また、実際のエンジンの燃焼サイクルとオットーサイクルを比べることで、そのエンジンの特徴や課題が分かります。

ガソリンエンジンの基本サイクルであるオットーサイクルについて、解説していきます。

●4ストロークエンジンの基本サイクル

4ストロークガソリンエンジンは、(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4つの行程で構成されています。この4行程でエンジンは2回転して、それを連続的に繰り返すことによって回転を持続します。

・吸気行程

ピストンが下降し始める上死点(ピストンの最上点)直前に吸気弁を開いて、シリンダー内に空気または混合気を吸い込みます。

・圧縮行程

ピストンが上昇することによって、吸入した空気または混合気を圧縮します。

・燃焼行程

圧縮した混合気を点火プラグの火花で着火させ、燃焼してピストンを押し下げます。

・排気行程

ピストンが上昇し始める下死点(ピストンの最下点)より少し前に排気弁を開いて、燃焼ガスを排出します。

4ストロークの作動原理
4ストロークの作動原理

●オットーサイクルの燃焼サイクル

4ストロークガソリンエンジンの理想的な燃焼サイクルを、発明者ニコラス・オットーの名前をとってオットーサイクル、あるいは等容燃焼サイクルと呼びます。

燃焼サイクルの評価には、PV線図が使われます。

縦軸Pがシリンダー内圧力、横軸Vがシリンダー容積のPV線図で囲まれる面積の大きさが、エンジンの1サイクルあたりの仕事量を示します。

面積が大きいほど出力が高い、供給される燃料量が同じなら熱効率が高いことを示します。

オットーサイクルは、2つの断熱変化と2つの等容変化で構成されます。断熱とは外部との熱の授受がない変化、等容とは体積が一定のままの状態の変化のことです。

・シリンダー内で混合気を<断熱圧縮>し、火花点火によって瞬時に燃焼<等容受熱Q1>します。

・高温高圧の燃焼ガスは<断熱膨張>することでピストンを押し下げ仕事をします。

・仕事をした燃焼ガスは排気<等容放熱Q2>されます。

熱効率は、燃焼させ発生した熱量のうち、エンジンの動力としてどれだけ取り出せているかの割合なので、オットーサイクルの熱効率は次のように示されます。

熱効率 = 1 ― Q2/Q1

●実際の燃焼サイクルで起こっていること

実際のエンジンでは、圧縮行程と膨張行程では熱損失(熱の授受)があり、また点火後の燃焼も瞬時でなく、ある程度の時間を要するので、PV線図の頂部はオットーサイクルに対して丸みを帯びるため、仕事量が減少し熱効率は低下します。

また部分負荷運転では、出力調整のためスロットルによって空気量を絞るので、ポンピング損失が発生します。ポンピング損失は負の仕事なので、燃焼による正の仕事量からポンピング損失による負の仕事量を差し引いたのが、このエンジンの1サイクルあたりの仕事量です。

熱効率を上げるためには、燃焼を速くする、熱損失を減らす、ポンプ損失を減らすなどが効果的であることが分かります。

オットーサイクルの作動原理
オットーサイクルの作動原理

圧縮比を上げる、燃焼速度を速める、リーンバーンでポンピング損失を減らすことが熱効率向上につながることは、オットーサイクルのPV線図をみれば理解しやすいのではないでしょうか。

ガソリンエンジンの熱効率を向上することは、理想サイクルのオットーサイクルに極力近づけることであると言えます。

(Mr.ソラン)