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1 内燃機関と外燃機関 2 熱力学 • 熱力学の第一法則 Q DU W Q：外部から加えられた熱量 DU：内部エネルギー変化量（温度に比例する） W：外にした仕事 QuickTimeý Dz êLí£Év ÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóv ÇÇ• ÅB Q W 等積変化 体積が変わらない Q=DU QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 3 4 等圧変化 圧力が変わらない Q=DU+W QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 5 等温変化 温度が変わらない Q=W QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 6 断熱変化 熱の出入りがない DU+W＝０ QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 7 熱効率 L QH QL Q QH QL 1 QH th ,carnot TH TL TL 1 TH TH 高温熱源 TH QH 熱機関 QL 低温熱源 TL 仕事L 8 カルノー熱効率 ◆カルノーサイクルは、理想サイクルである． 温度だけで決まる熱機関の理論最大熱効率 作動流体に依存しない 高温熱源 TH th,carnot P TH TL TL 1 TH TH 等温 QH 熱機関 断熱 断熱 等温 QL V 低温熱源 TL 仕事L 9 熱機関の分類 火花点火 内燃機関 レシプロ ディーゼル（圧 ロータリー 火花点火 縮着火式） ガスタービンエンジン 熱機関 ロケットエンジン 外燃機関 スターリングエンジン 蒸気エンジン 10 サイクル • • サイクルとは，熱機関内の作動流体が 途中で等圧，等積，等温，断熱などの 状態変化をして，元の状態に戻る過程 を言う． 作動流体とは，サイクルを行う装置内 部で熱の授受や体積膨張により仕事を 発生する媒体のこと • • 内燃機関：燃焼ガス 外燃機関：空気，水蒸気，冷媒 11 オットーサイクル レシプロ式内燃機関（火花点火機関や ディーゼル機関）の熱サイクル 圧力 P 3 qin 2 L 4 １→２：可逆断熱変化（圧縮） ２→３：等積変化（爆発） ３→４：可逆断熱変化（膨張） ４→１：等積変化（冷却・排気） qout 1 体積 V 理論熱効率 L qin qout qin th 1 qin qin qout 12 オットーサイクルの熱効率と圧縮比の関係 0.9 比熱比=1.667 0.8 理論熱効率th 0.7 =1.4 0.6 0.5 0.4 =1.3 1 1 th,otto 1 1 1 1 v1 v 2 0.3 0.2 0.1 0 0 5 圧縮比 10 15 13 圧力 P ブレイトンサイクル 連続燃焼式内燃機関（ガスタービン機 関）の熱サイクル 3 2 1 １→２：可逆断熱変化（圧縮） 4 ２→３：等圧変化（爆発） ３→４：可逆断熱変化（膨張） 体積 V ４→１：等圧変化（冷却・排気） 14 レシプロエンジン ディーゼルエンジンと火花点火エンジン 15 トルク（力のモーメント） 2 N 出力 L T p A X [W ] 60 p：シリンダ内圧力[Pa] A：ピストン断面積[m2] X：クランク腕長さ[m] N：回転数[rpm] 16 エンジンの形式 直列４気筒 QuickTimeý Dz YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB V型８気筒 QuickTimeý Dz YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 17 エンジンの構造 QuickTimeý Dz YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 18 吸排気バルブ機構 QuickTimeý Dz YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ ÅB ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• 19 ２サイクルレシプロエンジン 20 ２サイクルエンジン 吸入 圧縮・膨張 排気 ロータリーエンジン 21 22 ロータリーエンジンの要素 ディーゼルエンジンと火花点火エンジン の主な違い 23 24 ディーゼルエンジンと火花点火エンジン の主な違い ディーゼルエンジン 火花点火エンジン 燃料の種類 と 出力調整方法 軽油，重油 その噴射量で調整（ス ロットルなし） ガソリン 混合気量で調整 （スロットル有り） 着火方式 空気の圧縮による 自己着火 電気火花点火 運転経費 安い 高い 冬季の始動性 やや悪い 良い 25 ディーゼルエンジンが地球を救う？ 26 ガスタービンエンジン ◆用途 航空機エンジン 非常用発電機 27 ガスタービンエンジン 28 ガスタービンエンジン QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB ターボジェット QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB ターボプロップ QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB ターボファン 29 ガスタービンエンジンの構成 30 ロケットエンジン ◆用途 ミサイル 宇宙輸送機 QuickTimeý Dz Video êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB QuickTimeý Dz YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 31 固体ロケットと液体ロケット 世界と日本のロケット技術 32 33 各種輸送機の燃料比 34 日本のロケット技術 QuickTimeý Dz YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB QuickTi meý Dz C inepak êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç ™Ç ±Ç ÃÉsÉN É`ÉÉÇ ¾å©Ç ÈÇ žÇ ½Ç …Ç ÕïKóvÇ Ç • ÅB 35 外燃機関 ◆蒸気機関 ニューコメンの大気圧機関 ワットの蒸気機関 往復式蒸気機関 ボイラー／蒸気タービンシステム ◆スターリング機関 36 レシプロ式蒸気機関 QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 37 ニューコメンの大気圧機関 ワットの蒸気機関 QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 38 スターリング機関 QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 39 スターリングサイクル 40 スターリング機関 QuickTimeý Dz GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇÇ• ÅB 41 スターリング機関の利点と課題 • 高い熱効率 – カルノーサイクルと理論的に等しい • 熱源を選ばない – 燃焼熱以外に，太陽熱，地熱などどんな熱 源でもOK • 振動・騒音が少ない – シリンダー内の爆発がない 比出力が小さい エンジンの単位重量あたりの出力が小さい サイズが大きい 大がかり コストが高い 42 熱機関の熱効率 • • • • • 蒸気機関 ガソリン機関 蒸気タービン ディーゼル機関 スターリング機関 １０〜２０％ ２０〜３０％ ２０〜４０％ ３０〜４０％ ２５〜３５％