4ストロークのガソリンエンジン(1気筒、排気量 0.5 L、ボア×ストローク 86×86 mm)を、クランク角 0.5° 刻みで計算する「1ゾーン・0次元モデル」の解説です。
クランク角は、燃焼上死点(TDC)を 0°、吸気の開始を −360°、圧縮前の下死点(BDC)を −180°、膨張の終わりのBDCを +180° とします。クランク半径 a に対するコンロッド長の比を R = 150/43 ≈ 3.5 として、体積は次の式です。
筒内のガスを理想気体、1つの均一な温度 T とみなし、熱力学第1法則を積分します。
吸気弁を閉じた時点の圧力・温度は、吸気圧 pint = スロットル × 過給圧 × 1 bar − 0.04 bar、吸気温度 330 K + 45 K × (過給圧 − 1)(インタークーラー付き)から決めます。閉じ込められる質量は、吸気弁を閉じる時の体積 V(θivc) で決まります。遅く閉じるほど、押し戻される分だけ質量が減ります。
燃焼効率 ηc は、濃い混合気(λ<1)では CO・HC のため低下し、極端に薄い混合気(λ>1.15)では不完全燃焼で低下します。熱の入り方は xb の増分に比例します。
ウォシュニ(Woschni)型の熱伝達率を使います。
面積 A は、シリンダーヘッド+ピストン頂面+露出したライナーです。圧縮比が高いほど、燃焼室の「表面積÷体積」が悪化するため、効率の伸びが鈍ります。
未燃ガス(エンドガス)が、火炎が到達する前に自己着火するとノッキングです。着火遅れ τ(p, T) を使い、次の積分が 1 に達したら自己着火とみなします。
式に 4.24 倍の補正をかけて、「オクタン価 91 で圧縮比 約11 あたりからノックする」ように調整しています。画面の「ノッキング度」は、この積分値です。オクタン価が高いほど τ が長くなり、ノックしにくくなります。
バルブ流れそのものは解かず、圧力の「レベル」で簡易的に扱います。
「燃料エネルギーの行方」の棒は、燃料の発熱量が、①軸の仕事 ②摩擦 ③ポンプ損失 ④壁面への熱損失 ⑤排気に残る熱 ⑥不完全燃焼で出た分 に分かれる様子で、合計が必ず 100% になるように計算しています。
実際の正味効率が 35% 程度なのは、①高温のガスでは比熱比が下がる(γ ≈ 1.25〜1.3)②壁への熱損失 ③有限の燃焼時間(上死点で一瞬では燃えない)④ブローダウンとポンプ損失 ⑤摩擦、が効くからです。ミラーサイクルは、吸気弁を遅く閉じて有効圧縮比(吸気弁閉時の体積/すきま容積)を下げつつ、膨張比は幾何学的圧縮比のままにする考え方で、ノッキングを避けながら膨張比を稼ぎます。過給は、減った吸入空気を補います。