内熱機関の熱効率を向上させる方法について教えてください

Answer 1

since418さんへ

内燃機関について、ですよね?

過給をして、同じ規模のエンジンから出来るだけ大きいトルクを引き出す事、でしょうか。
これを忠実に実行したのが、大型商船の超低回転型超ロングストローク2stディーゼル
http://www.khi.co.jp/knews/backnumber/bn_2006/pdf/news141_02.pdf
で、事実上、地球上で一番熱効率が良い機関と成りました。

・同じ排気量から出来るだけ大きいトルクを引き出す
・同じ出力レベルなら、出来るだけ小さい排気量から絞り出す
共に、摩擦損を出来るだけ小さく抑える事と同義に成ります。
各種損、例えば潤滑油ポンプを、大径高速回転のトロコイドポンプから小径外接型ギアポンプの低速回転に置き換えて駆動損を低減する事や、冷却水ポンプのインペラー形状を流体力学に則った物にする、カム山とロッカーアームスリッパー面やタペットとの間を擦りでは無くローラーを入れて転がりにする、、、等の方策が在りますが、過給適用で排気量を小さくする事によって、ピストンとシリンダーの擦動面積を減らす事に比べたら、微々たる物でしかありません。ドカンと過給して出力2倍にして、排気量を半分にする、という位の事をやるのが望ましいのです。

ガソリンエンジンの場合、自己不正着火の問題が在りますから、過給の威力を出そうとすると、圧縮比低下と燃料冷却が問題に成ります。
しかし、スロットル弁による絞りでの出力制御を廃止し、吸気弁閉じ時期を可変式にして、吸気行程の長短で制御する様に出来れば、実質的な可変圧縮比エンジンの実現と成るので、低圧縮比化を回避出来ます。
過給圧が上がるに連れて吸気弁を早いタイミングで閉じてしまう。と、圧縮比も低く成り、そして排ガス量も減ってしまうので、Turboの過給圧制御にも成るのです。
よって、膨張比はマツダがSKYACTIVEで大々的に打ち出して来た14とします。

ディーゼルにおいても、多段過給で7kg/h2位の過給圧にしたいのですが、ウェイストゲート弁の様な圧を捨てる事をせずに制御する方法が、未だ確立していません。
基本的な圧縮比は理想的な14とし、過給圧上昇に伴って吸気弁閉じ時期を早めてしまう事で、5以下の圧縮比とすれば、高過給圧と低燃費が両立出来る事に成ります。

ので、機構的には、吸気弁閉じ時期の連続可変機構の実用化が待たれる訳です。
過給圧が使える状況では、圧縮比は下げれば下げる程良いのです。

<追加>
もう少し書けそうなので追加。

原理的な事を考えたら、燃料が持てるエネルギー・ポテンシャルを如何に無駄無く引き出すか、と言う事に成ります。
変換に当たっての効率も大事だし、摩擦やら何やらの損は低く抑えたいし。

損失を抑えようと言う取り組みは、誰でも考え易い為に、絶えず続けられて来ています。例えば、カムシャフトのカム、山の部分は面圧が高いですから十分に面積を取らねば成りませんが、ベース円の部分では当たり幅を狭めて擦動面積を減らす、等と言う事が行われています。
先にオイルポンプの工夫を書きましたが、Benzでは過去に、大小二つを組み合わせたポンプが使われた事も在りました。
油ポンプの摩擦が多くて温度上昇してしまうのでオイルクーラーを入れる、、、のでは、殴ってさする様な物です。
マツダV6では、回転が半分のカムからシャフトを伸ばして来て、オイルパン底に設置した小径のポンプを駆動したエンジンも在りました。
ピストンも、随分とスカート部が削り落とされる様に成って来ましたね。

しかし、一番効くのは4弁化と排気量縮減。
4弁化は、建設機械のディーゼルでも随分採用される様に成って来ましたから、今後は高過給圧の実用化によって、ダウンサイジング、そしてそれによってピストンとシリンダーの擦動面積を減らす事が本命なのです。

Answer 2

●熱効率とは？
熱効率 ＝ （動力）／（燃料の発熱量）

この動力分を大きくすることが熱効率の改善になります。このためには，下記2つの方法があります。

(1) 理論効率の改善
(2) 損失の低減

●理論効率の改善とは？
下記の2つがあります。

(1) 比熱比の向上 … 希薄燃焼（リーンバーン）にしたり，EGR量を増やすことで改善します。しかしリーンもEGRも多すぎると失火要因になります
(2) 圧縮比の向上 … オットーサイクル（効率＝1-1/圧縮比^（比熱比-1)）から比熱比アップと圧縮比アップが有効です。しかし圧縮比を上げるとエンドガスのノッキングが発生したり，プリイグニッションがおきやすくなります。

●損失とは？

・冷却損失 … 冷却水やエンジンブロックに逃げる熱量
・排気損失 … 排気へ逃げる熱量と運動量
・時間損失 … 燃焼速度が遅いため，燃焼室内の圧力がトルクへうまく変換できない
・ポンプ損失 … 吸入時，スロットルバルブや吸入バルブ抵抗による燃焼室が負圧になることによる
・未燃損失 … 霧化が不十分であったり，燃焼速度が遅いことによる燃料の未燃焼
・機械損失 … クランク軸やピストンリングなどの摺動損失，カム駆動損失，補機類の駆動動力による損失

●各要因の改善でどれくらい燃費改善できるのか？
街乗りくらいの負荷（2000rpm，2bar）では
・圧縮比向上（10→12）4%
・ポンプ損失（10%低減）1.5%
・機械損失（10%低減）5%

●圧縮比向上で難しいのは？
圧縮比をあげると理論効率は改善できます。しかしより完全燃焼に近づくため，排気損失は減りますが，冷却損失は増えてしまいます

●どうやって冷却損失を減らすのか？
20年くらい前にセラミックエンジンが研究されました（ディーゼルエンジンで）。これはエンジンを断熱化することで冷却損失を低減できるかどうかをエンジン試作して調べたものです。しかし大失敗でした。この時の原因は不明です。
筆者の考えでは以下の通りです。燃焼温度の上昇による粘度上昇（気体は温度上昇により衝突確率が増えるので粘度は増加）により壁面周囲の温度境界層内の渦流動は弱くなるはずですが，実際には対流熱伝達は上昇しています。これは広い空間内での粘度上昇とは別に壁面付近での平均自由行程の短縮化により壁面付近のみ粘度が低下し，対流熱伝達率が増加しているためです。
冷却損失を減らすには，壁面断熱化になります。しかし実際は断熱化しようとすると，燃焼室内形状を工夫すると，燃焼室表面積を増やしてしまうので，うまくできません。唯一残るのは，壁面に薄い空気層を設ける方法です。直噴エンジンでは非常に薄いカーボン多孔質ができますが，これがその候補かもしれません。
なお冷却損失を減らすと燃焼温度が上昇し，排気損失が増えてしまいます。

●どうやって排気損失を減らすのか？
排ガスの熱エネルギと運動エネルギを回収するには，下記2つの方法があります。

(1) 熱回収 … 排気熱回収システム。すでにプリウスなどで実現しており，排気熱をエンジン冷却水側に熱回収します。ただ冷却水温が高くなると回収できなくなり，逆に冷却系の負荷増加によりたとえばラジエータなどの冷却系動力が増えてしまいます。このためゼーベック効果を使った熱電素子があります。ただ目標コストより30倍くらい高いので，当面，実用化できません

(2) 運動量回収 … 電動ターボ・チャージャのモータを発電機とします。現在，すべての過給機メーカが開発しており，近いうちに採用されます

●熱効率を上げるには？
現在，研究開発されているのは，HCCIです。これはガソリンエンジンでもディーゼルエンジンのように点火栓（プラグ）を使わないで燃焼させる方式です。つまり制御できる自発火燃焼（＝ノッキング）といえます。低負荷領域は過給機あるいは排気のブローダウンで実現可能です。燃焼温度が2000K（ケルビン）以下なので，NOx発生量が少なく，三元触媒が不要になります
問題は高負荷領域での出力が低いことで，通常の点火燃焼（SI＝Spark Ignition）へ戻す必要があります。燃費改善が7～15%しかなく，コストがペイしないとみられています。またSIを使うので三元触媒は必要です

●どうしてHCCIが良いのか？
リーン燃焼＋高圧縮比燃焼ですから，熱効率の改善の基本通りです。マツダのSKY-GもこのHCCIから派生して生まれたものです

●ポンプ損失を減らすには？
街乗りのような負荷の低い条件では，ポンプ損失が出力の30%くらいになり，大きな損失となります。負荷が低いとスロットルバルブがほぼ閉じており，このためスロットルバルブから燃焼室間が負圧になるためです
これを改善するのが，BMWのバルブトロニックなどの吸入弁の連続可変技術です。スロットルバルブがないので，燃費を数%改善できます。これと吸入弁の開閉タイミング制御を組み合わせると，吸入弁の開閉時期をほぼ自由に制御できます

ご参考になれば幸いです

Answer 3

レポートの提出期限は月曜日ですが間に合いますか？
授業にはきちんと取り組みましょう。

Answer 4

圧縮比をもっと上げる。

Answer 5

吸気温度を下げて 空気密度をあげることです