ディーゼルサイクルとは?ディーゼルエンジンに用いられる理想的な行程【自動車用語辞典:エンジンサイクル編】

■ディーゼルは軽油を燃料とする圧縮着火燃焼

●熱効率は高いが、課題は燃焼方式に起因する排ガス低減が困難なこと

ディーゼルサイクルは、4ストロークディーゼルエンジンの理想サイクルです。ガソリンのオットーサイクルと比べることによって、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの基本的な違いが理解できます。

ディーゼルエンジンの基本サイクルであるディーゼルサイクルについて、解説していきます。

●4ストロークディーゼルエンジンの基本サイクル

4ストロークディーゼルエンジンは、(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4つの行程で構成されています。

ガソリンエンジンは、混合気を圧縮して点火プラグの火花で着火させて燃焼する「火花点火方式」、一方ディーゼルエンジンは、圧縮して高温になった圧縮空気中に微粒化した高圧の軽油を噴射し、蒸発した軽油が自着火する「圧縮着火方式」です。

4ストロークディーゼルの作動原理
4ストロークディーゼルの作動原理

・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、吸入した空気は圧縮されます。

・燃焼行程:圧縮された高温高圧の空気中に、高圧の燃料噴霧を噴射して自着火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。

●ディーゼルサイクルの燃焼サイクル

4ストロークディーゼルエンジンの理想的な燃焼サイクルを、発明者ルドルフ・ディーゼルの名前をとってディーゼルサイクル、あるいは等圧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。

ディーゼルサイクルは、2つの断熱変化と等圧変化、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、等圧とは圧力が一定のままの状態の変化のことです。

・シリンダー内で空気を<断熱圧縮>し、上死点で燃料が噴射され燃焼が起こります。

燃料を噴射しながら燃焼するディーゼルエンジンは、燃焼がやや緩慢で上死点から一定期間は<等圧燃焼>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>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、ディーゼル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

ディーゼルサイクルの作動原理
ディーゼルサイクルの作動原理

実際のエンジンは、等圧で燃焼することはなくPV線図を上死点から上に伸ばし、そこから横に伸ばしたオットーサイクルとディーゼルサイクルの中間的なサイクルです。これを「サバテサイクル」と呼びます。

ディーゼル燃焼は、燃料の着火遅れによって初期の燃焼が急激になりやすく、逆にガソリンエンジンよりもPV線図の頂部が上に伸びることが多いです。それが、低負荷でのカラカラといったディーゼルノックの原因となっています。

一方でディーゼルのメリットは、圧縮比が高い、リーン燃焼、スロットル操作が不要なためポンピング損失が小さいなどの特性によって、ガソリンエンジンに対して熱効率が高く燃費が良好という特長があります。


燃焼サイクルでみれば、ディーゼルサイクルの方が圧縮比が高い、リーンである、ポンピング損失が小さいことから、オットーサイクルに比べて熱効率が高い、燃費が良い特長を持ちます。

致命的なのは、排ガス(NOxとPM)を抑えるのが難しいことです。

(Mr.ソラン)