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第144回 過給、直噴に続く、次世代自動車エンジン 〜ノンスロットルエンジン〜

 ここ数年の間に登場した新型の自動車用エンジンには、燃費性能を高めることを目的としたさまざまな新技術が投入されています。たとえば、第134回でとりあげた「ガソリン直噴」や、第116回でとりあげた「新発想の過給」などがその代表といっていいでしょう。そしてもうひとつ、今後のキーテクノロジーとなるのが、エンジンの「ノンスロットル化」です。

 「ノンスロットル」エンジンは、その名の通り、「スロットル」を持たないことが特徴です。では、スロットルとは何か? また、なぜ、それをなくすことで燃費性能が向上するのか? まずは基本的なところから説明しましょう。

エンジンの高出力化って?


 一般的なエンジンは、空気と燃料を混ぜて霧状にした「混合気」を内部に吸い込み、それを圧縮してから点火して燃焼させ、温度上昇による膨張圧力を運動エネルギーとして取り出す装置です。つまり、エンジン性能の指標のひとつである「出力」の大きさは、一度の燃焼で生じる膨張圧力の大きさに比例します。そして、燃費性能と高出力化は相反するものではありません。
 以前の「高出力エンジン」は、エンジン回転数が6,000rpmといった領域で大きな出力を発生するように設定されていました。しかし、そのような回転域は現実の路上ではほとんど使いません。高速道路で本線に合流する場合や追い越しなどの場合を除けば、ほとんどすべての時間、エンジン回転数が3,000rpm以下の領域で走行しているはずです。そして、高回転高出力型のエンジンは、日常的に多用する3,000rpm以下で有効な出力を発生させにくくなります。逆に、3,000rpm以下で必要十分な出力を発生させられるエンジンは、不必要なアクセル操作をしなくてすむといった利点から、結果的に燃費性能も向上します。ですから、本稿で「高出力化」という場合は、「日常的に常用するエンジン回転域で高い出力を発生すること」と考えてください。

吸い込む空気の調整役、スロットルバルブ
 さて、膨張圧力を高めるためのアプローチは大別すると二つあり、1)一度の燃焼で燃やす燃料の量を増やす、2)吸い込んだ混合気をより強く圧縮する、ということになります。しかし、2)には限界があります。気体を圧縮すると温度が上昇することが原因です。混合気は燃料を含んでいるため、圧縮によって上昇した温度が燃料の着火点を超えてしまうと、点火プラグで火を着けなくても自然に燃焼が始まる「自着火」現象が起こります。自着火は異常燃焼を招きやすく、最悪の場合は火炎の伝播速度が音速を超えてしまい、衝撃波でエンジンが破損してしまうような事態に至るのです。
 ちなみに、第134回でとりあげた「ガソリン直噴」の意義は、圧縮を高めることでした。最初に圧縮するのは空気だけなので、温度が高まっても自着火は起こりません。そこに燃料を直接噴射し、燃料の蒸発潜熱によって混合気の温度を低下させれば、高圧縮状態でも異常燃焼が起きにくくなります。こうすることで、高圧縮化=高出力化=高効率化=燃費性能向上を図っているのです。

 ということで、残るのは1)のアプローチです。その実現のために最も手っ取り早い方法は、シリンダーの容積(エンジンの排気量)を大きくして、より多くの空気を吸い込むことです。ある体積の空気に混合できる燃料の量には上限がありますから、1回あたりの燃焼でより多くの燃料を燃やすには、エンジン内により多くの空気を吸い込む以外に手はありません。これをより積極的に行うための機構が、第116回でとりあげた「過給」です。

 つまり、「エンジンの出力は、吸い込む空気の量によって増減する」ということができます。そして自動車用エンジンには、停車状態から高速走行、急加速など、走行状況ごとに必要な出力を、適切に発生する「出力調整」が求められます。
 この出力調整を行うため、エンジンは吸気経路の途中に「スロットルバルブ」と呼ばれる連続可動式の弁を備えています。この弁を連続的に開閉することで空気の流路を増減させて、エンジンに吸い込まれる空気の量=そこに混合される燃料の量を調整し、出力を増減させているのです。


 さて、エンジンの出力を左右する要素は、実はもう一つあります。それは各種の「損失」で、これも二つに大別できます。まず、「熱損失」と呼ばれるものです。燃料が持っている化学エネルギーの大部分は、燃焼という化学変化を通じて熱エネルギーや音エネルギーに変換されるので、その分、運動エネルギーとして取り出せる量が目減りしてしまいます。
 もう一つは「機械損失」です。エンジンは多数の部品が内部で稼働しているわけですが、まずはそれらを動かすためにエネルギーを使わなければなりません。また、すべての稼働部分には摩擦が生じ、それによって運動エネルギーが熱エネルギーに変換されてしまいますから、ここでも損失が生じます。さらに、エンジン自体を正常に運用するためには潤滑や冷却が不可欠ですが、そのために備えている機構の駆動にもエンジンの出力が割り振られます。
 エンジンの出力(=効率)は、一定量の燃料から取り出せるエネルギーの大きさによって決まります。つまり燃焼による膨張力が同じなら、各種の損失が少ないほうがより多くの出力を取り出せますから、効率が高いことになるわけです。

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