熱流体力学

2009年6月25日
熱流体力学
第11回
担当教員：北川輝彦
4.8 サイクルの熱効率
p
C
A
B
D
v
任意のACBDの閉曲線で
囲まれたサイクルについて考える ⇒
p-v線図
4.8 サイクルの熱効率
4.8.2 サイクルの紹介と熱効率の計算
1）カルノーサイクル
2）オットーサイクル
⇒ディーゼルサイクルの説明
3)冷凍機の成績係数
4.8 サイクルの熱効率
4.8.2 サイクルの紹介と熱効率の計算
1）カルノーサイクル
2）オットーサイクル
ディーゼルサイクルの説明
3)冷凍機の成績係数
4.8 サイクルの熱効率
２) オットーサイクル
ガソリンエンジンに使用
4.8 サイクルの熱効率
オットーサイクル：以下の閉曲線で表され、
それぞれの行程における現象は…
p
D
E
Q1
爆発
正味仕事W
Q2
C
A
排気
B
v
A→B：吸入
B→C：圧縮
C→D：爆発
D→E：膨張
E→B：排気
B→A：排気
4.8 サイクルの熱効率
２) オットーサイクル
ガソリンエンジンの図解
ヤンマー株式会社HPより
4.8 サイクルの熱効率
オットーサイクル：状態変化で見ると
等積変化，等圧変化と断熱変化で構成
p
D
E
Q1
爆発
正味仕事W
Q2
C
A
排気
B
v
A→B：等圧膨張
B→C：断熱圧縮
C→D：等積加圧
D→E：断熱膨張
E→B：等積減圧
B→A：等圧圧縮
4.8 サイクルの熱効率
オットーサイクルの熱効率
p
ピストンの位置によってシリン
ダ内部の体積が変化
D
点B，E…体積最小
⇒下死点
E
(BDC: Bottom Dead Center)
C
A
点C，D…体積最大
⇒上死点
B
(TDC: Top Dead Center)
BDC
TDC
v
4.8 サイクルの熱効率
オットーサイクルの熱効率
p
ピストンの位置によってシリン
ダ内部の体積が変化
D
下死点と上死点間の容積比：
圧縮比ε (compression ratio)
と定義
E
C
A
BDC
ε = VB / VC = VE / VD
B
TDC
v
4.8 サイクルの熱効率
オットーサイクルの熱効率
p
圧縮比ε，気体の比熱比κを
用いて熱効率ηを定義
D
E
η=1-
1
εκ-1
C
A
BDC
B
TDC
v
実際のガソリン機関の熱効率は
0.30 < η < 0.45程度
4.8 サイクルの熱効率
２) ディーゼルサイクル
ディーゼルエンジンに使用
但し、
低速時：ディーゼルサイクル
高速時：サバテサイクル(複合サイクル)
4.8 サイクルの熱効率
ディーゼルサイクル：状態変化で見ると
等積変化，等圧変化と断熱変化で構成
p
C
A→B：吸入
B→C：圧縮
C→D：爆発
D→E：膨張
E→B：排気
B→A：排気
D
爆発
E
正味仕事W
排気
A
B
v
4.8 サイクルの熱効率
２) ディーゼルサイクル
(サバテサイクル)
ディーゼルエンジンに使用
ヤンマー株式会社HPより
4.8 サイクルの熱効率
ディーゼルサイクル：状態変化で見ると
等積変化，等圧変化と断熱変化で構成
p
Q1
C
D
爆発
E
正味仕事W
Q2
排気
A
B
v
A→B：等圧膨張
B→C：断熱圧縮
C→D：等圧膨張
D→E：断熱膨張
E→B：等積減圧
B→A：等圧圧縮
4.8 各サイクルの長所、短所
オットーサイクル(ガソリンエンジン)：
点火時の炎の伝播速度によりシリンダの直径(ボア)や
長さに限界。
圧縮比が同じであれば熱効率が高い(低排気量に向く)
ディーゼルサイクル：
圧縮する機構ができれば限界が無く、圧縮比を大きく
できる。
構造が単純。
高強度、高剛性が求められる(重量増加)
4.8 サイクルの熱効率
4.8.2 サイクルの紹介と熱効率の計算
1）カルノーサイクル
2）オットーサイクル
ディーゼルサイクルの説明
3)冷凍機の成績係数
4.8 サイクルの熱効率
3)冷凍機の成績係数
冷凍機：低温側の熱量を化学反応などの仕事を用いて
汲み上げ、高温側に熱量を捨てるシステム
冷蔵庫など
Q1
T1
Q２
T2
Q1 > Q2
T1 > T2
4.8 サイクルの熱効率
4.8.1 サイクルの熱効率の定義
p
p = f1(V)
Q1
C
B
正味仕事W
p = f2(V)
A
Q2
D
Q1：外部から供給される全熱量(入熱)
Q2：系から排出される全熱量(出熱)
W：正味仕事(系に残留するエネルギ)
v
とそれぞれ定義
4.8 サイクルの熱効率
4.8.2 3)冷凍機の成績係数
p
p = f1(V)
Q1
C
B
正味仕事W
p = f2(V)
A
Q2
D
v
冷凍機では低温側の熱量Q2を汲み上げ、
高温側に熱量Q1を捨てる
4.8 サイクルの熱効率
サイクルの成績係数(COP: coefficient of
performance)の定義
成績係数：COPは以下のように定義
COP = 低温側から汲み上げた熱量
サイクルに使用された仕事量
= Q2 / W = Q2 / (Q1 - Q2 )
4.8 サイクルの熱効率
サイクルの成績係数(COP: coefficient of
performance)の定義
成績係数：COPは以下のように定義
COP = 低温側から汲み上げた熱量
サイクルに使用された仕事量
= Q2 / W = Q2 / (Q1 - Q2 )
但し、高温側ABから低温側にQ1を生成することを目的と
した熱ポンプは分子にQ2ではなくQ1を用いることに注意。

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