【簡単解説】4ストロークエンジンの性能を理解するための様々な損失と実際のサイクル

前回は4ストロークエンジンのサバテサイクルについて紹介しました。今回は前回から発展して、4ストロークエンジンでの様々な損失や、シリンダ内でガスが実際にする仕事について、簡単にわかりやすく解説します。

時間損失

4ストロークエンジンも2ストロークエンジンと同様に、シリンダ内の燃焼は、時間遅れがあるため、サイクル通りに等容・等圧の変化が起こらないです。下の図の赤線のような形で、少し早めに燃焼を開始し、上死点の圧縮圧付近が丸くなり、Pmax(燃焼最高圧)の発生位置が遅れ、かつ、Pmaxが低くなります。

冷却損失

こちらについても、4ストロークエンジンも2ストロークエンジンと同様に、シリンダ壁を冷却しているため、膨張行程の間にシリンダ壁から冷却水へ熱損失が発生します。上の図の青線のような形で、膨張行程中の圧力が一定量減少します。

排気損失

ここから、4ストロークエンジンと2ストロークエンジンで差が出てきます。膨張行程の終わりに、燃焼ガスを効率良く排出させるために、下死点よりも少し前に排気弁を開き始めて燃焼ガス(排ガス)を排出させ始める必要があります。上の図の緑線のような形で、下死点での排気行程の等容変化が丸くなります。

ポンプ損失(ポンピングロス)

4ストロークエンジンの最大の特徴が、この排気・吸気行程のポンピングロスです。2ストロークエンジンでもポンピングロスはあるのですが、4ストロークエンジンでは容積変化を伴い、目に見える形ではっきりと現れます。排気行程でピストンが排ガスを押し出す仕事と、吸気行程でピストンが新気を吸い込む仕事が、ポンプ損失(負の仕事)になります。上の図で黄色の四角で覆っている部分すべてがポンピングロスに当たります。

実際のサイクル

以上の4つの損失を考慮して、実際のPV線図の計測結果の軌跡を描くと、下図の緑線のように、全体的に丸くなった形になり、排気・吸気行程のところも丸くなります。

また、実際に行う仕事として、PV線図を描くと、下図の黒実線のような丸くなった形になり、ポンピングロスによってかなり小さく、そして下側に寄った形になります。面積が小さいということは仕事が減って熱効率も悪くなっています。これらの損失の他にも、ピストンリングからのガスの漏れによる圧力損失なども厳密には考慮する必要がありますが、概ね上記の損失を基に性能を評価することができます。

実際のサイクルは計測によって得ることができますので、エンジンの性能を評価する際には、理論サイクルに対して、どの程度の差がどの場所で生じているのかを確認することで、どのような損失に対しての対策を施すことが有効なのかを知ることができます。また、4ストロークエンジンでは、ポンピングロスが熱効率にとって大敵ですので、改善を図る必要があります。

まとめ

今回は、4ストロークエンジンのポンピングロスなどの様々な損失について紹介し、実際のサイクルへの影響について、解説しました。実は過給エンジンではこのポンピングロスを正の仕事に変えることができるのですが、今後、簡単解説しますので、お楽しみにしておいてください。