ディーゼルとガソリンエンジンの熱効率について質問です。 同じ圧縮比でディーゼルサイクルとオットーサイクルの理論熱効率を比較するとオットーサイクルの方が大きいですが、 実際には、「

Question

実圧縮比がディーゼルの方が高い」という理由でディーゼルエンジンの方が実際の熱効率は上だそうです。
これについての質問です。

質問1:なぜディーゼルサイクルの方が実圧縮比が高くなるのですか？

質問2:なぜディーゼルエンジンを積んだ車は現在主流ではないのですか？

熱力学を履修し、現在熱機関工学を学んでいますので多少の用語はわかるつもりでいます。
回答よろしくお願いします。

Answer 1

phd********さんへ

トーシローですが・・・ f(^^;)

>質問2:なぜディーゼルエンジンを積んだ車は
>現在主流ではないのですか？
主流ですよぁ。トラック等を見て下さいな。。。
と言ったら怒られるでしょうか? (苦笑)
小型自動車、特に乗用車においては、小型軽量大出力を求められつつも、清浄な排ガスや音振面での静かさ等迄を求められるので、
大型車：ディーゼル
小型車：ガソリン
と言った住み分けが為され、それが定着しているのでした。
石油類は原油からの連産品ですから、どっちかだけ使って残りは捨てちゃう訳に行かない。ので、夫々両方を使う、という面でも都合が良かった訳ですね。
但し、日本は産業振興の事も考えて、軽油引取税の方が揮発油税より低く抑えられ続けています。
一方、地球環境的には、含有炭化水素の量に応じた「炭素税」なる概念も出て来ていますので、将来的には税額の差が無く成る or 逆転する可能性も零ではありません。
で、、、

>質問1:なぜディーゼルサイクルの方が実圧縮比が高くなるのですか？
なんですが、、、解らない。f(^^;)
そもそも、

>実圧縮比がディーゼルの方が高い
とされる実圧縮比とは、何を指すのでしょうか? その定義が解らないのです。

>ディーゼルエンジンの方が実際の熱効率は上
予混合燃焼のオットーサイクル機関と、サバテサイクルの拡散燃焼を使った機関を比べますと、
・冷間始動性や低回転低負荷時の綺麗な燃焼を得る為に、圧縮比を高い設定にせざるを得ない。
・一方、予混合燃焼機関だと自己不正着火の天井、という限界が在るので、圧縮比は理想の高膨張比迄は到達出来ない。
・この差から、理想の高膨張比に近づけられるディーゼルの方が熱効率が高い。
という事に加えて、実走行時間の大半を占める部分負荷領域では、
・ストイキを厳密に維持したまま出力を制御する方法が吸気を絞りで制限する、という方法なので
・吸入負圧でポンピング損が発生する。
・吸気を吸いっ放しで噴射量の多少で制御するディーゼルでは、理論上ポンピング損が無い分、熱効率が良い。
とされる訳です。(小型車で1/6、トラックで1/3負荷が大半、とされる)
加えて、ガソリンより軽油の方が、単位体積当たりの炭化水素の含有量が多い、と言う事も、「量り売り」なので燃費に効いて来る訳ですが。d(^^;)

以下余談(の数々)
その昔、燃焼室形状が
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%83%89%E3%83%90%E3%83%AB%E3%83%96

だった頃は、圧縮比が5〜6と言う惨状でした。から

>燃焼室が横に長く広い形状になってしまうため、
>圧縮比を十分に上げることができない。また
>燃焼室の表面積が大きく、あまりにも
>熱損失が大きいためにデトネーションや
>バックファイアなどの発生率が高い、など、
>効率を高めるには不利な欠点が多い。
>また、多くのサイドバルブエンジンが
>ターンフローの吸排気レイアウトを持つ事と相まって、
>吸排気の流れが非常に悪く、火炎伝播にかかる
>時間が長いため、エンジンの許容回転数も
>4,000rpm程度か、それ以下に制限されてしまう
>など、制約上ともすれば最高出力が
>ディーゼルエンジンより低くなってしまうというのが
>最大の弱点である。さらに
>排気の弁およびポートがシリンダーに接する形で
>配置されるため、排気弁を中心として
>シリンダーが極めて高温となると言う傾向があり、
>圧縮比の低さと共に高出力化へ足枷となっていた。
>また吸気ポートも排気ポートに接する形となる事から
>吸気も高温となる。これは燃料の気化に寄与する
>面もあるが効率的には好ましくはない。

という結果を招く。
先ず、ピストン上から燃焼室の容積を無くして吸排気弁上に移す事で、ピストン上昇に伴って強い噴流を発生させる、というスキッシュエリアを、ハリー・リカードが考案して、圧縮比を7と一気に上げて、サーの称号を得ます。(それ位デカい改善策だった d(^^;)
今も英のリカード研究所として名が残る位に、その功績は大きかった訳です。

それでも足りない。から、先ずはカム軸の位置が上がって来て(ハイカム)、更にヘッド側に移って来てから吸気弁が頭上に上がり、遂にはOHVで排気弁も頭上に上がる、という発展を辿ったのでした。
「行って来い」のターン(カウンター)フローでは無く、エンジン両側に振り分けるクロスフロー式にするには、シーソーの様なロッカーアームを使わなければいけない。(カム軸2本装備のDOHCはもっと高い)
が、動弁系の剛性が上がらず、高回転高出力化の足枷に成るのみならず、音振面でも不利。(ばね成分には、並列に必ず減衰成分を持たさねば振動する。と、疲労破壊もしちゃう)
これでも圧縮比9位の物か。。。
点火プラグ本数を増やす多点同時点火か、4弁式の中央部1点点火で小ボア径デザインに成って10.5位。ハイオク使用で12位、がほぼ限界。
筒内直噴による気化潜熱で冷やしても、そこから1上がるかどうか。。。
しかし、摩擦損との兼ね合いから、理想の膨張比、目指すべき圧縮比は14位。
と判って来ちゃいても、そう簡単には到達出来ない「富士の高み」なのでした。
で、、、
吸気弁閉じ時期を充填効率最高に成るタイミングから外して、圧縮比だけ下げるアトキンソンサイクル化が、深く静かに潜行し出した今日この頃、でしょうか。

一方、ディーゼルでの、理想の低圧縮比14化の方が、ガソリンより難度が高い。
こんな感じ
https://www.youtube.com/watch?v=Nlk0AjvT6yY

が続いて来たので。
一度ベル音が鳴り止んで、蓄電池に一息つかせてます。d(^^;)

副室式の時代は燃焼室表面積が大きく見えて冷え易く、21〜23もの高圧縮だったのが、筒内直噴化に伴い、一気に16.5〜17.6と大きく下がった。
でも、未だ理想と目される14迄は届かない。
ので、、、という諸々の「合わせ技」を仕込んで達成に漕ぎ着けたのが、Skyactiv-Dの2.2Lだった訳です。

エンジンは、燃焼で得た高圧を膨張させて仕事に変換し、取り出す物である。
と定義するなら、圧縮は幾らでもいい。膨張比を幾らにするかの方が大事。
極端な事を言えば、圧縮させずに済むなら圧縮しない方が良い。無駄仕事だから。
と考えて、ピストンとシリンダーの組み合わせより、低圧で大流量の部分は過給機に分担させる、という事で「過給」の威力が大いに発揮されるのでした。

中々に難しい、遠大な話ですよね。何か有りましたら補足なさって下さいな。
(解った様な解んない話、かも f(^.^;)

質問者からのお礼コメント

皆さま御教示ありがとうございました。
さまざまなご回答を拝見し、エンジンというのはサイクルの型だけでなく燃料や材料をはじめとする種々の要素が組み合わさって成っている事実に改めて気づかされました。
これを機に、理論と要点を学ぶだけでなく、エンジンの歴史にも手を出してみようと思います

本当は全員にBAを差し上げたいくらいなのですが、今回は上記のことを最初に気づかせてくださったk_fさんをBAとさせていただきます

Answer 2

ガソリンエンジンは出力の調整に吸気絞り弁（スロットルバルブ）を
使いますから、軽負荷では絞り損失で圧縮比が落ち、
効率が低下します。
一方のディーゼルエンジンはスロットルバルブを
使わず、燃料噴射量とタイミングで出力を調整しますから
軽負荷でも圧縮比が落ちず、効率がよくなります。

水上戦闘艦だとフルパワーを出すのは海戦のごく短時間で
ほとんどが巡航ですから、巡航時は燃費のいいディーゼル、
パワーが必要な時だけガスタービンでブーストするCODAG、
あるいは高速ではガスタービンに切り替えるCODOGなんていう
機関構成になっていたりします。

Answer 3

＞「質問2 石原慎太郎が原因です。」

此の回答を見て答える気に成りました・・

私は独自でエンジンの開発と製作をしています・・
物理学者でも無い全くの素人です。

＞「質問1:なぜディーゼルサイクルの方が実圧縮比が高くなるのですか？」

最初に言った様に素人なので正解は解りませんが、従来から有るエンジンを開発仕切れてい無い状態で、ウダウダ言っているだけなのでは？

高校生の頃に友達から買ったバイクを分解して(綺麗にしようと思った・だけ)、エンジン内部を初めて見た時に、独自の発想のREを思い付きました。

成人してから如何しても、独自発想のREを作ってみたくて、各種中古の機械を買って製作を始めましたが、此処で初めてREの最大の欠点に気付いたのです。

全くの素人ですから製作する素材の金属の耐摩耗を重点に考えると、どの様なタイプのREでも摺動抵抗距離が長過ぎて、レシプロ・エンジンの4,5倍以上の摺動抵抗距離を受けるので、ピストン・スピードが高過ぎて恐らく地球外、物質を使用しても高回転は不可能なのです。

エンジン出力はトルク×回転数ですから、周速を小さくする(外径を小さくする)とトルクは落ちるので、単なるイタチごっこに成るだけなのです。しかし、REの利点は360°に於いて有効なトルクを発生出来る事なので、レシプロとREとの好い処取りに発想を変えました。

スプリット・サイクル・・エンジンです(カルメロ・スクデリ・・エンジンが有ります)氏も私も特許は得ています。

現在のオットーサイクルでは圧縮した以上は点火させますが、クランクのメーンジャーナル&ピンジャーナル&ピストンピンの成す角度は粗一直線状で、強い力で押しても有効なトルクを発生出来る体制では有りません(下図のL側)

此れをR図の様にスプリット・サイクルにすると、最大のトルク発生点に於いて最大の燃焼圧力を加えられるIGタイミングの設定が出来るので、エンジン効率は上がり20：1位の圧縮比でもノッキングは起こしません。

と言う事は・IGタイミングの微細な設定が出来る方が、エンジンの効率は好く成ると思っています。

Answer 4

質問2 石原慎太郎が原因です。

Answer 5

質問1:なぜディーゼルサイクルの方が実圧縮比が高くなるのですか？

ディーゼルの軽油は点火しても火が付かないので、圧縮熱で自ら火が付くまで高圧縮にして置いて、燃料を噴射して燃やします。

ガソリン混合気は低圧縮でも点火で火が付くので、余り圧縮比は上げません。
圧縮比を高くすると、混合気が一気に爆発して異常燃焼になります。

質問2:なぜディーゼルエンジンを積んだ車は現在主流ではないのですか？

貨物車、重量車ではディーゼルエンジンの方が燃費が良いので主流です。
乗用車に積むには、ディーゼルエンジンは高圧縮で燃焼圧が高く頑丈で重いので、軽いガソリンエンジンの方が主流です。

Answer 6

点火プラグ式のガソリンエンジンを高圧縮比にすると、その圧縮過程で気化したガソリンと空気の混合気の温度と圧力が高くなり過ぎて、点火プラグでの火炎伝播を待たずに自己着火する異常燃焼（＝デトネーション）が発生します。

≪引火点≫[℃]
ガソリン -43以下
軽油 45～70
≪発火点≫
ガソリン 300
軽油 250

よく言われる誤解は、ガソリンの方がディーゼル燃料である軽油よりも自己発火しやすいというものですが、実際はガソリンの方が軽油よりも50度ほど発火点は高く、ディーゼルのように圧縮するだけで火を着けるには軽油よりも高温にする必要があります。
それでもなお、なぜディーゼル式エンジンでガソリンを使わないかというと、それをすると状況次第で発火点の温度以下でも発火する事があり、これがノッキングとなってエンジンの不調や故障の原因となるからです。おそらくシリンダ内に僅かに残った煤を核に変質した炭化水素がより低い温度で燃焼してしまうために起きるのだと思います。

ディーゼルエンジンは主に高圧縮ゆえに大きく重くなります。一度に燃料がシリンダー内で燃焼しますから爆発音がして騒音と振動が大きくなります。（実際はガソリンと違って高圧ポンプによって圧入された霧状の液滴が燃えるのですが、ガソリンの火炎伝播よりも早く瞬時に燃えます。）
そして、排ガスにはNOxやSOx、煤が多く残るので、それを除去する装置が必須となってさらに大きくコストもかかる上に、その維持の手間も掛かります。

ディーゼルエンジンを好む自動車メーカーはこれまでも色々と工夫してこれらの問題解決に当たりましたが、騒音と振動はかなり対策が進みましたが、排ガス問題はいまだに上手く解決できていません。

Answer 7

ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの差は点火方式です。

ガソリンエンジンは、ガソリンと空気の混合気をシリンダー内に送り、スパークプラグで火花着火をします。

一方、ディーゼルエンジンは、空気だけをシリンダーに入れて圧縮し、燃料を吹き込んで自己着火させます。

●質問1:なぜディーゼルサイクルの方が実圧縮比が高くなるのですか？

ガソリンエンジンの圧縮比をあまり上げると、火花で点火する前に自己着火することがあります。これがいわゆるノッキングで、異常燃焼となり正常な運転ができません。

●質問2:なぜディーゼルエンジンを積んだ車は現在主流ではないのですか？

自家用車に限ればそうですが、トラックやバスなど大型車はディーゼルが大半で、逆にガソリン車はまれです。
また数千馬力におよぶ船のエンジンもディーゼルです。
要は、ディーゼルエンジンは大型化に向いているのです。

まず、ディーゼルエンジンは圧縮比を高く取るので、エンジンを丈夫に作る必要があります。このため、どうしても重くなりがちなんですね。
また、ガソリンエンジンのような高回転化が不向きです。高回転化すれば出力が大きくて、重量の小さなエンジンになりますが、これがディーゼルでは難しいんですね。そんなわけで、とくに小型の乗用車は、ガソリンエンジンが多いのです。

逆に、大きなエンジンを作る場合、ディーゼルエンジンはその燃焼方式から、シリンダー自体を大きくすることができます。ですから、シリンダーの数をあまり増やさずに大型化ができるんですね。
一方、ガソリンエンジンは、あまりシリンダーを大きくできません。このため大排気量のエンジンを作ると、シリンダーの数を増やすしかなく、構造の複雑なエンジンになってしまいます。