- 科目
- 熱力学
- 章
- 熱機関のサイクル
- 図番
- 07 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
熱効率は、圧縮比だけで決まるオットーサイクル(ガソリンエンジン)
ガソリンエンジンの理論のサイクル。熱効率は圧縮比だけで決まり、圧縮比 10 なら 60.2%(入れた熱 700 J のうち 421 J が仕事)。圧縮比を上げるほど伸びは小さくなり、実物のエンジンは最高で約 40%(トヨタ Dynamic Force、圧縮比 13)。

このページの内容
この単元のポイント
- ガソリンエンジンの理論の熱効率は、圧縮比 だけで決まる。圧縮比 10 なら 60.2%:1サイクルに入れた熱 700 J のうち、421 J が仕事になり、279 J を捨てる。入れる熱を半分にしても 60.2% のまま。
- 圧縮比を上げるほど、伸びは小さくなる。5 → 10 で 47.5% → 60.2%(+12.7 ポイント)、10 → 20 で 69.8%(+9.6 ポイント)。
- 実物のエンジンは、理論の 6割ほど。トヨタの Dynamic Force エンジン(2.5 L・圧縮比 13)は、理論の 64.2% に対して、最高の熱効率が 40%。
車のエンジンは、燃料の何割を仕事にしている?
車のボンネットを開けると、エンジンがあります。中では、ガソリンと空気を混ぜた気体(混合気)を、ピストンで押し縮めて燃やしています。燃えて熱くなった気体がピストンを押し、その力で車が走ります。
ガソリンを燃やして出た熱が、全部ピストンを押す仕事になるわけではありません。車の後ろの排気の管からは熱いガスが出ますし、エンジンを冷やす水(冷却水)も熱くなります。
では、最新の量産エンジンでは、燃料の熱のうち、何割が仕事になっているでしょうか。
予想してから読む最新の量産ガソリンエンジンで、燃料の熱のうち仕事になる割合は、いちばんよい条件で?
この単元では、まず「理論の上限」を計算します。そのうえで、実物の 40% と比べます。
4つの変化で1周する
エンジンの中の気体は、ピストンが1往復するあいだに、押し縮められ、燃えて、ふくらみ、外へ出ていきます。これを、空気だけが入った閉じたシリンダの4つの変化に置きかえて考えます。これをオットーサイクルといいます。
| 変化 | エンジンでは | 計算では |
|---|---|---|
| 1→2 | ピストンが上がって、混合気を押し縮める | 断熱で圧縮比 まで押し縮める |
| 2→3 | 点火プラグの火花で、一気に燃える | 体積一定のまま、熱 を入れる |
| 3→4 | 燃えた気体がピストンを押し下げる | 断熱で元の体積までふくらむ |
| 4→1 | 排気を出して、新しい混合気を吸う | 体積一定のまま、熱 を捨てる |
2→3 を「体積一定」とするのは、燃えるのがとても速く、そのあいだにピストンがほとんど動かないからです。
下の盤で、ピストンの動きと、圧力と体積の線図(P-V 線図)を見比べてください。ピストンが上がりきったところで圧力が跳ね上がり、下がるあいだに気体が仕事をします。ピストンを上下させているのは、ピストンクランク機構の単元の機構です。
圧縮(1→2)弁は両方閉じる。断熱で押し縮められ、圧力も温度も上がる
圧縮比を上げると、上死点のすき間がせまくなり、線図は左上へ伸びます。熱を増やすと、点火の跳ね上がりが高くなります。
いまの状態
- 体積
- 386 cc
- 圧力(絶対)
- 0.145 MPa
- 温度
- 59.8 ℃
1サイクルでは
- 熱効率(理論)
- 60.2 %
- 取り出す仕事 W
- 421 J
- 3,000 rpm での出力
- 10.5 kW
出力 = 仕事 W × 1秒あたりの燃える回数。4行程は2回転に1回だけ燃えるので、3,000 rpm なら毎秒 25 回です。
理論のサイクル(空気だけ・比熱一定・摩擦と熱の逃げなし)をそのまま動かしています。点火と排気弁が開く瞬間は、実物ではごく短い時間ですが、見えるようにクランクを止めて描いています(40° ぶんの長さ)。 吸う空気は 27℃・101 kPa・500 cc、連接棒の長さはクランクの半径の 3 倍。実物の出力は、この理論値の6割ほどです。
1→2 と 3→4 は、断熱変化の単元で計算した変化です。押し縮めると、温度は 倍に上がりました。ふくらむときは、同じ比で下がります。
家計簿で読む
熱と仕事(第一法則)の単元で、エネルギーの勘定を家計簿にたとえました。
家計簿(この科目を通す決まり)
エネルギーは消えも生まれもしない。入ってきた分 = 中にためた分 + 外へ出した分。
1周すると、空気は元の温度・圧力・体積に戻ります。中にためた分(内部エネルギーの増え)は、1周で 0 です。だから、入れた熱は、仕事と捨てた熱の2つに分かれるだけです。
入れた熱のうち、仕事になった割合を熱効率 といいます。
この単元のシリンダ(27℃・101 kPa の空気が 500 cc、圧縮比 10)に、1サイクルで 700 J の熱を入れます。
| 状態 | 温度 | 圧力(絶対) |
|---|---|---|
| 1 吸い込んだ空気 | 27℃(300 K) | 101 kPa |
| 2 押し縮めた後 | 481℃(754 K) | 2.54 MPa |
| 3 燃えた後 | 2145℃(2418 K) | 8.14 MPa |
| 4 ふくらんだ後 | 690℃(963 K) | 0.324 MPa |
4→1 で捨てる熱は 279 J です。仕事は 700 − 279 = 421 J、熱効率は 421 ÷ 700 = 60.2% です。
熱効率は、圧縮比だけで決まる
捨てる熱と入れる熱は、どちらも体積一定の変化なので、温度の差に比例します。
ここで、1→2 も 3→4 も、温度の比は同じ です。上の例なら、754 ÷ 300 も 2418 ÷ 963 も 2.51 です。だから、 と は、 と を 2.51倍した値です。差も 2.51倍になります。
| 記号 | 意味 | この単元の例で |
|---|---|---|
| 熱効率(仕事 ÷ 入れた熱) | 60.2% | |
| 圧縮比(ピストンがいちばん下のときの体積 ÷ いちばん上のときの体積) | 10 | |
| 比熱比(空気は 1.4) | 1.4 |
入れる熱 も、吸い込む空気の温度も、式に出てきません。熱を 2倍入れれば、仕事も捨てる熱も 2倍になり、割合は変わりません。
公式を、かたまりに分けて読む
- 押し縮めた効き目 断熱変化の単元で、押し縮めると温度が上がる倍率として出てきた数です。圧縮比 10 で 2.51倍。
- 捨てる割合 ふくらみ終わっても、気体は吸い込んだときより熱いまま出ていきます。その分が、捨てる熱です。圧縮比 10 では、入れた熱の 39.8% を捨てます。
- 残りが仕事 1 から捨てる割合を引いた 60.2% が、仕事になります。
よく押し縮めるほど、燃えた後に長くふくらませることができ、温度を下げてから捨てられます。これが、圧縮比で熱効率が上がる理由です。
どの数字がいちばん効く?
初期値(圧縮比 10・入れる熱 700 J・27℃・101 kPa・500 cc)から、1つずつ 10% 変えたときの熱効率です。
| 変えるもの | 熱効率 | 変化 |
|---|---|---|
| 圧縮比 を10%大きく(10 → 11) | 61.7% | +1.5 ポイント |
| 入れる熱 を10%多く(770 J) | 60.2% | 変わらない(仕事が 463 J に、+10%) |
| 初めの絶対温度を10%高く | 60.2% | 変わらない |
| 初めの圧力・体積を10%大きく | 60.2% | 変わらない |
熱効率を動かすのは、圧縮比だけです。ほかの数は、仕事の大きさ(エンジンの力)や、温度・圧力の高さを変えます。
圧縮比を上げても、伸びは小さくなる
圧縮比を変えたときの、理論の熱効率です。
| 圧縮比 | 5 | 10 | 20 |
|---|---|---|---|
| 熱効率 | 47.5% | 60.2% | 69.8% |
5 → 10 で +12.7 ポイント、10 → 20 で +9.6 ポイントです。同じ 2倍でも、上がり方は小さくなっていきます。捨てる割合 は、圧縮比を 2倍にするたびに 倍になるだけで、0 にはならないからです。
それに、ガソリンエンジンには、圧縮比を上げすぎると困ることがあります。火花から燃え広がるのを待たずに、押し縮められて熱くなった、まだ燃えていない混合気が、自分で燃え出してしまうのです。これをノッキングといい、エンジンをたたくような音が出て、エンジンをいためます。
実物のエンジンは、理論の 6割ほど
トヨタの Dynamic Force エンジン(2.5 L)は、圧縮比 13 です。トヨタの発表では、最高の熱効率は 40% です(ハイブリッド車用は、圧縮比 14 で 41%)。
圧縮比 13 の理論の熱効率は 64.2% です。実物の 40% は、その 6割ほどです。差になるのは、たとえば次のものです。
- 燃えた気体の熱が、シリンダの壁から冷却水へ逃げる
- ピストンやクランクの摩擦
- 排気を押し出し、新しい空気を吸い込むための仕事
- 燃えるのに時間がかかり、体積一定では燃えきらない
エンジンを設計する人は、理論の上限を上げる(圧縮比を上げる)ことと、理論との差を小さくする(熱を逃がさない・摩擦を減らす)ことの両方に取り組んでいます。
動かしてみよう
圧縮比 のスライダーを右へ動かしてください。左の曲線の上で点が上がり、右の P-V 線図では、押し縮めた体積がせまくなって、1周の形が縦に伸びます。
次に、入れる熱 を動かしてください。線図の 2→3 の縦の線が伸び縮みし、囲んだ面積(仕事)が変わります。でも、左の曲線の上の点と、家計簿の帯の割合は動きません。
線図の薄い線と面積は、初期値です。「いまの図を残して比べる」を押すと、そのときの線と面積が薄く残り、そのときの答えを基準にして、何倍になったかが出ます。
試してみよう0 / 3
- 圧縮比は 10 のまま、入れる熱 Q入 を半分の 350 J にする。熱効率と、家計簿の帯の割合を見る(まだ)
- 入れる熱は 700 J のまま、圧縮比 ε を 2倍の 20 にする。左の曲線の上で、点がどれだけ上がるかを見る(まだ)
- 入れる熱は 700 J のまま、圧縮比 ε を 13(トヨタ Dynamic Force エンジン 2.5 L)にする。実物の点と比べる(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 熱効率
- 1サイクルの仕事
- 捨てた熱(1サイクル)
- 燃えた後の圧力(絶対)
ほかの値(4 個)
- 押し縮めた空気の温度
- 押し縮めた空気の圧力(絶対)
- 燃えた後の最高温度
- 燃えた後の最高温度(絶対温度)
途中の計算(導出)を見る
中の空気の質量(状態式 pV = mRT から)
1→2 断熱で押し縮めた温度
2→3 体積一定で熱を入れた、最高温度
3→4 断熱でふくらんだ温度(同じ比 ε^0.4 で下がる)
4→1 体積一定で捨てた熱
1サイクルの仕事(家計簿:入れた熱 − 捨てた熱)
熱効率(圧縮比だけで決まる)
つまり、ものを作るときは
熱効率を上げたいなら、圧縮比を上げる。ただし、ガソリンエンジンではノッキングが上限を決めます。最新のエンジンが圧縮比 13〜14 なのは、そのためです。
力を大きくしたいなら、入れる熱(燃やす燃料と空気の量)を増やす。熱効率は変わらず、仕事が増えます。
よくある勘違い
「熱効率 60% のエンジンなら、燃料の 60% で走る」
60.2% は、理論の上限です。実物のエンジンでは、壁から逃げる熱や摩擦があり、いちばんよい条件でも 40% ほどです。
| 圧縮比 13 のエンジン | 熱効率 |
|---|---|
| 理論(オットーサイクル) | 64.2% |
| 実物の最高(トヨタ Dynamic Force 2.5 L) | 40% |
「圧縮比を 2倍にすれば、熱効率も 2倍になる」
熱効率は、圧縮比に比例しません。圧縮比 10 → 20 で、60.2% から 69.8% です。
| 考え方 | 圧縮比 20 の熱効率 |
|---|---|
| 圧縮比に比例 | |
| 69.8% |
「燃料をたくさん燃やせば、熱効率が上がる」
燃料を増やすと、仕事も捨てる熱も同じ割合で増えます。熱効率は変わりません。変わるのは、エンジンの力(1サイクルの仕事)です。
この公式が使える条件
- 中の気体は空気(理想気体)で、比熱比 が一定。実際は、高い温度で比熱が大きくなり、燃えたガスは空気と少し違う
- 押し縮める・ふくらむ変化は、熱の出入りがない(断熱)
- 熱は体積一定のまま、一瞬で入れる・捨てる
- 摩擦、すき間からのもれ、吸い込みと排気の仕事は入れない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
熱の出入り:体積一定の変化では、外への仕事が 0 なので、入れた熱は全部が内部エネルギーの増えになります。
温度の比:1→2 は断熱で体積が になるので 。3→4 は断熱で体積が 倍になるので 。
差をとる:熱効率:家計簿 から、
確かめる:P-V 線図で 1周して囲んだ面積(4つの変化の仕事の和)を数値で足すと、この単元の例では 421 J になり、 と一致します。
例題
例題1 草刈り機の小さなエンジン
草刈り機のガソリンエンジンを、オットーサイクルとして考えます。圧縮比は 8、1サイクルに入れる熱は 300 J です(空気は κ = 1.4)。
(1) 理論の熱効率。(2) 1サイクルの仕事と、捨てる熱。
ヒント 1 / 2
熱効率は 。 です。
ヒント 2 / 2
仕事は 入れた熱 × 熱効率、捨てる熱は その残りです(家計簿)。
答えと解き方を見る
中の空気の質量(状態式 pV = mRT から)
1→2 断熱で押し縮めた温度
2→3 体積一定で熱を入れた、最高温度
3→4 断熱でふくらんだ温度(同じ比 ε^0.4 で下がる)
4→1 体積一定で捨てた熱
1サイクルの仕事(家計簿:入れた熱 − 捨てた熱)
熱効率(圧縮比だけで決まる)
シリンダの大きさや吸い込む空気の温度は、熱効率には効きません。圧縮比だけで決まります。
捨てる 131 J は、排気と一緒に出ていきます。理論でも、入れた熱の 4割あまりは仕事になりません。
例題2 圧縮比を 10 から 13 に上げる
圧縮比 10 のエンジンを、圧縮比 13 に作り直します。1サイクルに入れる熱は、どちらも 700 J です。
(1) それぞれの理論の熱効率と仕事。(2) 仕事は何% 増えるか。
ヒント 1 / 2
、 です。
ヒント 2 / 2
入れる熱が同じなので、仕事の比は熱効率の比と同じです。
答えと解き方を見る
同じ燃料で、仕事が 6.6% 増えます。同じ距離を走るのに要る燃料は、その分だけ減ります(理論の上で)。
ガソリンエンジンで圧縮比を 13 まで上げるには、ノッキングを防ぐ工夫が要ります。トヨタの Dynamic Force エンジン(2.5 L)は、圧縮比 13 です。
例題3 実物のエンジンの、熱の行き先
ガソリンエンジンが、いちばん効率のよい回し方で、出力 40 kW を出しています。このときの熱効率は 40% です(トヨタ Dynamic Force エンジンの最高の熱効率と同じ)。
(1) 燃料が毎秒出している熱は何 kW か。(2) 仕事にならずに捨てている熱は何 kW か。(3) 同じ燃料で、理論のオットーサイクル(圧縮比 13)なら、出力は何 kW になるか。
ヒント 1 / 2
熱効率 = 出力 ÷ 燃料の熱 です。1秒あたりの量(kW = kJ/s)でも、同じ式が使えます。
ヒント 2 / 2
(3) は、燃料の熱に、圧縮比 13 の理論の熱効率 64.2% をかけます。
答えと解き方を見る
捨てる 60 kW は、出力の 1.5倍です。排気・冷却水(ラジエータ)・エンジンのまわりの空気へ出ていきます。
理論の 64.2 kW との差の 24.2 kW は、壁から冷却水へ逃げる熱、摩擦、空気を出し入れする仕事などです。