オットーサイクル

オットーサイクルとは

オットーサイクルは、ガソリンエンジンやガスエンジンといった火花点火機関の動作を理解するための基本的な熱力学サイクルです。このサイクルは、シリンダー内部で行われる理想化されたプロセスをモデル化したもので、「定容サイクル」、あるいは「等容サイクル」とも呼ばれます。その名称は、世界で初めて実用的なガス機関を製作したドイツの技術者、ニコラウス・アウグスト・オットーに由来しています。オットーは、フランスのルノアールが先行して開発した石炭ガス機関の研究を踏まえつつ、より効率的で実用的な機関を実現しました。

オットーサイクルの理論モデル

オットーサイクルを熱力学的に解析する際には、実際のエンジン内部の複雑な現象を単純化するため、いくつかの理想的な仮定を置きます。これは「空気標準サイクル」と呼ばれ、以下の要素を前提とします。

作動流体は比熱が一定の理想気体（通常は空気）である。
サイクルは外部と物質のやり取りがない可逆なクローズドサイクルである。

この理想化されたサイクルは、通常、以下の4つのプロセス（行程）から構成されると考えられます。これらの状態変化は、圧力(p)と体積(V)、あるいは温度(T)とエントロピー(S)の関係を示す線図（p-V線図やT-S線図）によって視覚的に表現されます。

1. 断熱圧縮: ピストンが上昇し、シリンダー内の作動流体（空気）を圧縮します。この過程では外部との熱の出入りはなく、体積は減少し、圧力と温度が上昇します。
2. 等積加熱: ピストンが上死点にある状態で、外部から熱が供給されると仮定します。この過程では体積は一定のまま、急激に圧力と温度が上昇します。実際のエンジンでは、燃料の燃焼に相当するプロセスです。
3. 断熱膨張: 燃焼によって高温高圧になった作動流体がピストンを押し下げ、外部に仕事を取り出します。この過程でも外部との熱の出入りはなく、体積は増加し、圧力と温度が低下します。
4. 等積冷却: ピストンが下死点にある状態で、外部へ熱が放出されると仮定します。この過程では体積は一定のまま、圧力と温度が低下します。実際のエンジンでは、排気に相当するプロセスですが、理論サイクルでは作動流体が元の状態に戻るための冷却として扱われます。

これらの行程を経て、作動流体は最初の状態に戻り、1サイクルが完了します。

熱力学的解析からわかること

理想的なオットーサイクルに対して熱力学的な計算を行うことにより、1サイクルあたりに供給される熱量、放出される熱量、そしてサイクルが外部にする仕事量を求めることができます。これらの値から、サイクルの効率を示す熱効率や、エンジンの出力に関係する平均有効圧力を理論的に導き出すことができます。

特に重要な結論として、理想的なオットーサイクルの熱効率は、作動流体の比熱比と圧縮比（圧縮前の体積と圧縮後の体積の比）のみによって決定され、圧縮比を高くするほど熱効率が向上することが理論的に示されます。これは、実際のガソリンエンジンの設計において、熱効率向上のために圧縮比を高めることが一般的に行われる根拠となっています。

また、吸気の状態、具体的には吸気圧力を調整することで、サイクルが発生する仕事量、ひいては平均有効圧力を変化させ、エンジンの負荷（出力）を制御することが可能です。ガソリンエンジンでは、スロットルバルブ（絞り弁）を用いて吸気量を調整する方式が一般的ですが、この絞りによって流れの抵抗が生じ、特に低負荷時にはポンプ損失として効率低下の一因となる欠点があります。

実際のエンジンサイクルとの違い

オットーサイクルはエンジンの基本的な振る舞いを理解し、性能向上の指針を得る上で非常に有用な理論モデルですが、実際のエンジン内部で起きている現象はより複雑であり、理論サイクルとは多くの点で異なります。主な相違点としては以下のような要素が挙げられます。

作動物質の変化と比熱: 理想サイクルでは比熱一定の空気を仮定しますが、実際のエンジンでは吸気時には空気と燃料の混合気であり、燃焼後は燃焼ガスが作動物質となります。燃焼ガスの比熱は温度によって変動し、空気の比熱とも異なります。
燃焼ガスの化学反応: 高温下では、燃焼生成物であるCO2やH2Oなどが解離する現象が起こります。これは供給された熱量が有効な仕事に変換されにくくなる要因となり、圧力や温度の低下、熱効率の低下を招きます。
残留ガスの影響: 排気行程でシリンダー内の燃焼ガスを完全に排出することは不可能であり、少量の残留ガスが次の吸気に混入します。これにより、吸気温度の上昇や吸気量の減少などが生じ、サイクルの状態に影響を与えます。
分子数の変化: 燃料の燃焼によって、作動物質の総分子数が増減します。これはシリンダー内圧力にも影響を及ぼします。
燃焼の時間: 理論サイクルでは瞬間的な等積加熱を仮定しますが、実際の燃焼は火炎が伝播する過程であり、ある程度の時間を要します。このため、最大圧力は理論値よりも低くなり、圧力上昇も緩やかになります。ただし、これは実用上、機関への衝撃を和らげる効果もあります。
熱損失: 高温の燃焼ガスからシリンダー壁、ピストン、シリンダーヘッドなどへの伝熱（放熱）が常に発生します。これは有効なエネルギー損失となり、理論効率を下げる主要因の一つです。
* ポンプ損失: 吸排気バルブを介して行われる吸排気プロセスにおいて、流れ抵抗や絞りによる損失（特にスロットルで吸気量を調整するガソリンエンジン）が発生します。

これらの要因により、実際のエンジンの効率や出力は、理想的なオットーサイクルの理論値よりも低下します。しかしながら、オットーサイクルは内燃機関の基本的な性能限界や設計の方向性を考える上での出発点として、今なお重要な概念であり続けています。

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