熱サイクル：オットー・ディーゼル・ブレイトン・ランキン・COP

Thermo Cycles ページは閉じた熱力学サイクルを2つの層で解析します。Ideal-gas cycles タブには6つの冷気標準サイクル — オットー、ディーゼル、ブレイトン（再生と中間冷却付き）、アトキンソン、スターリング、カルノー — が入り、効率、正味仕事、状態点、P-v 線図と T-s 線図を即座に返します。Real-fluid cycles タブはランキン蒸気動力に加え、R134a の蒸気圧縮冷凍とヒートポンプを扱います。すべての結果はそれぞれの温度限界に対するカルノー効率の隣に並び、エンジンはその限界を超えるサイクルを拒否します。

更新 2026-10-016 个来源约 4 分钟读完

サイクルの実行方法

層を選びます。タブバーで Ideal gas と Real fluid を切り替えます。層ごとに独自のルート /engineering/cycles/ideal と /engineering/cycles/real があります。
状態とサイクルパラメーターを設定します。理想サイクルは作動流体、入口温度 T₁（ケルビン）、圧力 p₁（kPa）を共有し、各タブが独自のフィールドを追加します — オットーとアトキンソンは r と q_in、ディーゼルは r と r_c、ブレイトンは r_p、T₃、損失設定、カルノーとスターリングは T_h と T_c です。
曲線より先にカードを読みます。効率、カルノー限界、正味仕事、入熱/出熱、平均有効圧力が状態表と P-v / T-s プロットの上に並び、下の帯は同じ r と入熱でアトキンソン、オットー、ディーゼルを再掲します。
実流体サイクルを動かします。ランキンは 3 MPa / 350 °C → 75 kPa で開き、任意の再熱または開放給水加熱器を選べます（再熱が有利）。冷凍とヒートポンプは1つの R134a サイクルを共有します。質量流量か冷却負荷を加えると kW/MW が出て、CoolProp を読み込むと REFPROP 級の物性が得られます。

計算例

読み取り値はすべてパネル自身の表示です。

入力	表示される読み取り値
オットー: r = 8、T₁ = 300 K、p₁ = 100 kPa、q_in = 1800 kJ/kg	η 56.472%、カルノー限界 90.619%、w_net 1,016.5 kJ/kg、MEP 1,349.3 kPa、状態3 3197.91 K
ディーゼル: r = 18、r_c = 2	η 63.158%、w_net 604.8 kJ/kg
ブレイトン: r_p = 8、T₃ = 1300 K	η 44.796%、η_c 0.8 / η_t 0.85 → 27.411%、再生 ε = 0.8 → 54.912%
アトキンソン: r = 8、q_in = 1800 kJ/kg	η 66.637%
ランキン: 3 MPa / 350 °C → 75 kPa	η 25.80%、w_turbine 686.2 / w_pump 3.03 kJ/kg、乾き度 0.863、20 kg/s → 13.663 MW
R134a: −20 °C / 40 °C	COP 2.58、COP_hp 3.58、q_evap 130.15 kJ/kg、絞り後の乾き度 0.389、3.5 kW 負荷 → 1.356 kW

15 MPa / 600 °C → 10 kPa では、再熱が効率を 41.59% から 43.47% へ、出口乾き度を 0.72 から 0.92 へ引き上げます。

数値が仮定していること

理想層は冷気標準解析です。γ、cp、cv は一定で過程は可逆なので、オットーとブレイトンの効率は比だけで決まり、投入熱には依存しません。実流体層は内蔵の飽和表（水、R134a）と理想気体の過熱モデルを補間し、結果をフォールバックデータとして表示します。CoolProp はこれをヘルムホルツ自由エネルギー状態方程式に置き換えます。各サイクルは2回検証され、正味仕事は入熱から出熱を引いた値に一致し、効率は 1 − T_min/T_max 未満でなければなりません。

覚えておきたい限界

冷気標準であり、シミュレーションではありません。: 比熱一定と可逆過程では燃焼化学、バルブタイミング、摩擦を扱いません。この層は形の比較や教科書の答え合わせに使い、エンジンの燃料消費予測には使わないでください。
フォールバック物性には既知の誤差があります。: CoolProp なしでは実流体の状態は内蔵表（水 5–20,000 kPa、R134a −40〜90 °C）から得られ、エンタルピーとエントロピーは約 0.5–1%、効率は約0.5ポイントずれます。表の範囲外の入力は拒否され、外挿されることはありません。
やらないこと。: 起動過渡、ボイラーや熱交換器の設計、燃焼モデリング、R134a 以外の冷媒は扱いません。入力した圧力と温度は圧力変換と温度変換で換算してください。動的システムシミュレーションは Engineering Lab にあります。

効率的に見えるディーゼルは効率的な形ではない

r = 8、q_in = 1800 kJ/kg の比較帯はアトキンソン 66.64%、オットー 56.47%、ディーゼル 40.10% を表示します — ディーゼルサイクルが最後で、最初ではありません。定圧入熱のため、同じ圧縮比と入熱では3つの中で最も効率が低くなります。r = 18 のプリセットが 63.158% に達するのは、比が大きいからにすぎません。もう1つの名前の罠は r そのものです。ブレイトンの r_p = 8 は圧力比（η 44.796%）であり、オットーの圧縮比 r = 8（η 56.472%）ではなく、両者に関係はありません。

向いている場面

教科書と宿題の確認

Cengel の例 10-1 はランキンのプリセットです。3 MPa / 350 °C → 75 kPa は η 25.80%（教科書は 26.0%）と乾き度 0.863（同 0.8861）を示します。差は宣言されたフォールバック物性モデルによるもので、CoolProp を読み込むと縮まります。

エンジン、ハイブリッド、ヒートポンプ

r = 8 のオットーは 56.472% を示し、r = 16 でノッキング限界の警告が出ます。アトキンソンの完全膨張は同じ r で 66.637% に達するため、ハイブリッドに使われます。R134a の −20 / 40 °C は冷房で COP 2.58、ヒートポンプで 3.58 を示し、3.5 kW の負荷は 1.356 kW を消費します。

参考文献

Wikipedia, Otto cycle — η = 1 − r^(1−γ)。 en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Diesel cycle — 遮断比と r_c → 1 の極限。 en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Brayton cycle — 圧力比、背仕事、再生。 en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Rankine cycle — 再熱と給水再生。 en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Wikipedia, Vapor-compression refrigeration — COP と膨張弁。 en.wikipedia.org （访问日期：2026-10-01）
Bell et al., CoolProp (Ind Eng Chem Res 53:2498–2508, 2014) — 任意のヘルムホルツ EOS 物性バックエンド。 coolprop.org （访问日期：2026-10-01）