前々回、エンジンの損失の中で、ポンプ損失(ポンピングロス)について紹介しました。ターボ(過給機)付きの過給エンジンではその損失を正の仕事に変えることができます。今回は、過給エンジンのサイクルやポンプ仕事について、理論的側面から簡単に解説します。
過給エンジンのミラーサイクル
ミラーサイクルは、前回紹介しましたが、4ストロークエンジンでは給気弁を下死点よりも早めに閉じることで、熱効率の向上や排ガス(NOx)改善を図るサイクルのことでしたね。過給エンジンでのミラーサイクルのPV線図は下図のようになります。5⇒6のところで圧力が上昇しているところが特徴です。
1⇒2のプロセスはこれまでと同じく断熱圧縮で、2⇒3’の等容変化、3’⇒3の等圧変化、3⇒4の断熱膨張も通常のサバテサイクルと同じです。4⇒5の等圧変化も4ストロークの排気行程でこれまでと同じなので、詳細な説明はここでは割愛させて頂きます。(詳細は過去の記事をご参照ください)
5⇒6の等容変化が過給エンジンの特徴的な動きを示しています。排気弁が閉じ、給気弁が開くことで、燃焼室内の圧力が排気管の圧力から給気管の圧力に一気に変化するのですが、過給エンジンでは、給気管内の新気圧力の方が排気管内の排ガス圧力よりも高いため、圧力が上側へ上昇します。PV線図では体積一定のままで、圧力が上昇する方向に変化しています。
6⇒6’は等圧変化です。ピストンが上死点から下がって、新気が給気管からシリンダー内へ流入してくる給気行程を示しています。ミラーサイクルなので、下死点よりも6’の位置で早い早閉じしています。PV線図ではピストンが下がることで容積が増えますが、給気弁が開いていますので、膨張することなく、等圧で変化しています。6’⇒1も通常のミラーサイクルと同じ断熱膨張です。
過給エンジンのポンプ仕事
このように、過給エンジンでは、面積4-5-6-6’の部分が正の仕事になります。自然吸気エンジンではポンプ損失だったところを、ポンプ仕事として出力や熱効率を向上させることができるようになることが最大のメリットです。
また、過給エンジンとミラーサイクルの相性はすごく良いのです。過給機効率が高くて、給気圧やポンプ仕事を大きくとればとるほど、ミラー度を上げる(6’の位置をさらに左上に上げる)ことができ、さらに熱効率が向上するという点で非常に優れています。
ターボ(過給機)は以前の記事で、高出力と効率向上というメリットを紹介しましたが、効率向上というのは上記が理由です。排気で捨てるはずだったエネルギーを利用して、給気圧としてエンジンに返してあげている優れた部品ですね。
まとめ
今回は、過給エンジンのサイクルやポンプ仕事について、詳しく紹介しました。過給機はまだまだ奥が深い部品ですので、今後、詳細な解説をしようと思います。乞うご期待ください。
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