オットー サイクルは、現代の自動車に搭載されているほとんどの点火エンジン ( 4ストローク エンジンとも呼ばれる) で使用されている熱力学サイクルです。これらのエンジンは、空気と燃料(ガソリン、アルコール、または天然ガス) の混合物によって内部で発生する火花によって発生する大きな膨張によって機能します。したがって、点火エンジンは内燃熱機関であると言えます。
オットーサイクルの 4 拍子
オットー サイクルの4 つのストロークは、各サイクルでエンジンに噴射される大量のガスと燃料によって起こる一連の物理的および化学的変換を特徴とする一連の熱力学的プロセスです。これらの変形は、燃料と空気の混合によって引き起こされる爆発によって動かされる、一般にアルミニウムで作られた円筒形の部品であるピストンの動きに関与します。ピストンは、車の移動など、エンジンが何らかの作業を実行するために使用できるすべての動力を提供します。
オットーサイクルの 4 つのストロークは、吸気、圧縮、膨張、排気として知られています。次の図のPV 線図(圧力対体積) を確認してください。これは、オットー サイクルに基づいたエンジンの動作を示しています。
上に示したサイクルで空気と燃料の混合物が受ける変化を 1 つずつ説明してみましょう。
I – プロセス 0-1 :等圧吸気 –このプロセスでは、空気と燃料の混合物がエンジンのピストンがある燃焼室に一定の圧力で噴射されます。
II – プロセス 1-2 : 断熱圧縮 –ピストンは空気と燃料の混合物を元の体積の最大 10 分の 1 まで急速に圧縮します。このプロセスは、外部環境との熱交換が起こらない方法で行われます。
III – プロセス 2-3-4 :定容積燃焼 (2-3) および断熱膨張 (3-4) –スパークによりガスと燃料の混合物が点火します。その後、ピストンは急速に低い位置に押し下げられ、外部環境とエンジン内部との間で熱交換が行われなくなります。
IV – プロセス 4-1-0 :等圧排気 –一定圧力下で、燃料の燃焼によって形成されたガスがエンジンから排出され、新しいサイクルが開始されます。
以下の図は、従来の内燃エンジンにおける上記の 4 つのステップを示しています。
工程IIIと工程IVでは、自動車を動かすために必要な仕事を抽出します。このエネルギーはすべて、燃料混合物と大気ガスの膨張によって供給されます。他のプロセス ( IおよびII ) では、ピストンがエネルギーの一部を消費してガスを圧縮します。プロセスIIとプロセス IVにおける空気と燃料の混合物の体積の比(除算) を体積圧縮率と呼びます。
一般に、この比率の値が高くなるほど、エンジンの熱力学的効率も高くなります。この熱力学的効率は自動車の燃料消費量に関連しています。高い効率値は、そのエンジンが少量の燃料を消費しながら大量の仕事を生み出すことができることを示します。自動車に使用されているほとんどのエンジンの熱力学的効率は 20% 近くです。実際には、これは、エンジン内で発生する爆発で生成される全熱エネルギーのうち、仕事に変換されるのはわずか 20%であることを示しています。