第一種電工 平成30年度 問18｜配電理論・配線設計

ディーゼル機関は、燃料が燃えてピストンを押し下げる瞬間にだけ力が出るため、そのままでは回転が速くなったり遅くなったりする（回転のむら）。はずみ車（フライホイール）は重い円板で、回転の勢い（慣性）をためておき、力が出ない行程でもその勢いで回り続けるようにして、回転を滑らかにする。始動はセルモーターや圧縮空気、停止は燃料を止めて行い、冷却はラジエータや冷却水が受け持つ。正答はエ。

ディーゼル機関の部品の役割を問う問題（正答エ）。

4サイクルのディーゼル機関は「吸気→圧縮→燃焼（膨張）→排気」の4行程を、クランク軸2回転で1回繰り返す。このうち軸を回す力（トルク）を生むのは燃焼（膨張）行程だけで、他の3行程ではむしろ力を消費する。そのため1サイクルの中で回転速度が周期的に変動する。

はずみ車は慣性モーメントの大きい円板で、燃焼行程で余った回転エネルギーをためておき、ほかの行程でそれを放出して速度の変動を小さくする（エが正しい）。

ア：停止は燃料噴射を止めて行う。はずみ車は慣性で回り続けようとするので、むしろ止まりにくくなる方向に働く。

イ：冷却は冷却水とラジエータ（水冷）などの冷却装置の役割。

ウ：始動はセルモーター（始動電動機）や圧縮空気で行う。はずみ車は始動を助ける装置ではない。

発電機を回す用途では、回転のむらがそのまま周波数・電圧の変動になるため、はずみ車による平滑化が特に重要になる。

【はずみ車がエネルギーをためる仕組み】回転体がためる運動エネルギーは E＝(1/2)Jω²（J：慣性モーメント、ω：角速度）。燃焼行程でトルクが負荷トルクを上回るとωが少し上がって余りのエネルギーがはずみ車にたまり、他の行程ではωが少し下がってそのエネルギーが放出される。Jが大きいほど、同じエネルギーの出入りに対するωの変化が小さくなり、回転のむらが小さくなる。

【調速機（ガバナ）との役割分担】ディーゼル発電装置では、回転速度を保つ仕組みが2つある。

・はずみ車：1サイクルの中の細かい速度変動（回転のむら）をならす。

・調速機（ガバナ）：負荷が増減したときに燃料噴射量を加減して、平均の回転速度（＝発電周波数）を一定に保つ。

「回転のむら」ははずみ車、「負荷変動による速度変化」は調速機、と区別しておくとよい。

【気筒数との関係】多気筒の機関では各気筒の燃焼行程がずらして配置されるため、トルクの脈動が小さくなる。気筒数が少ない機関ほど、大きなはずみ車が必要になる。

【発電機と組み合わせたときの影響】同期発電機の周波数は回転速度に比例する（f＝pN/120、p：極数、N：回転速度［min⁻¹］）。回転のむらが大きいと、周波数と電圧が細かく揺れ、照明のちらつきや、並列運転する場合の同期のずれの原因になる。非常用・常用の自家発電設備としてディーゼル発電装置が広く使われるのは、始動が速く燃料の保管がしやすいためであり、その安定運転をはずみ車と調速機が支えている。