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第174回 新型車は燃費向上がカギ! 〜最新のキーテクノロジー「リーンバーン」〜

 マツダの「SKYACTIVテクノロジー」や、ダイハツの「イーステクノロジー」など、新たな燃費向上技術が投入された新型車が登場し、ガソリン1Lあたり30km走るという、高い燃費性能をアピールしています。30km/Lという値は、あくまでカタログ表示の「モード燃費」ではあるのですが、筆者が試乗したマツダ・デミオSKYACTIVは実際にほぼ20km/Lの燃費をマークしました。

 燃費性能がクルマの売れ行きに与える影響は、今後ますます大きくなっていくはずです。そんな背景を踏まえて、今回は燃費向上のキーテクノロジーの一つ「リーンバーン」について説明したく思います。なお、リーンバーンについてはテクの雑学 第134回「次世代自動車用エンジンの主流 — ガソリン直噴 —」でも簡単に触れていますので、併せてお読みいただければと思います。

エネルギーの損失とは?

 自動車のエンジンは、「燃料」の持つ化学エネルギーを「燃焼」を通じて「気体の膨張圧力」に変換し、さらに「機械エネルギー」として取り出す装置です。その行程は以下のようになります。

1) 空気と燃料を混ぜて「混合気」を作る
2) 密閉された「シリンダー」の内部で混合気を圧縮する
3) 点火プラグから電気火花を飛ばして圧縮した混合気に着火し「燃焼」させる
4) 燃焼による温度上昇が混合気(燃焼ガス)の体積を膨張させる
5) シリンダーは密閉されているので、燃焼ガスの膨張は内部の圧力を高める
6) 燃焼ガスの膨張圧力を機械機構によって運動エネルギーに変換する
7) 次の「燃焼」を行うため、燃焼済みのガスをシリンダーの外へ排出する

 これらの行程を通じて取り出せる機械エネルギーは、ガソリンエンジンの場合、燃料が燃焼する時に放出する全エネルギーの20〜30%程度です。つまり、大半は動力として活用できず、他の形で放出してしまっているのです。この、動力として使えていないエネルギーを、総称で「損失」と呼んでいます。

 自動車の燃費向上のため、エンジンに求められる課題は、突き詰めれば「燃焼の改善」と「損失の低減」の二つに集約できます。「燃焼の改善」は、燃料からなるべく多くのエネルギーを取り出すこと、「損失の低減」は、取り出したエネルギーをなるべく多く外部へ伝えることを指します。

 SKYACTIVテクノロジーやイーステクノロジーにおいても、この二つの課題を解決するための新機軸が数多く投入されていますが、さらなる燃費向上に向けた次の一手として技術開発が進められているのが、「リーンバーン(希薄燃焼)」の活用です。

エンジン内部で起こる燃焼の正体

 エンジン内部で起こっている「燃焼」とは、具体的にはどのような現象なのでしょうか? まず、空気を構成する成分の99%は窒素(元素記号N)と酸素(元素記号O)です。次に、燃料が含む成分のうち、燃焼という化学反応に直接関連しているものは炭化水素(HC)です。炭化水素は常温常圧下では安定した物質で、炭素(C)と水素(H)がしっかりと結合しています。空気と燃料を混ぜて混合気を作っても、それだけでは何も起こりません。しかし、混合気を圧縮していくと、混合気自体の温度が上昇していき、やがて「自着火」という現象が起こって燃焼が始まります。なぜ、このようなことが起こるのかといえば、物質を構成する分子が「運動」しているからです。

 シリンダーの中に混合気を入れて、フタを閉めます。ただ単にフタを閉めただけなら、シリンダー内部の圧力は1気圧のままですから、何も起こりません。しかし、密閉された状態でピストンが上昇してくると、分子の運動量は同じでも、シリンダーの内壁にぶつかって跳ね返り、すぐに他の分子にぶつかって跳ね返り……といった運動を繰り返すことになります。このことによって分子が飛び交う速さがしだいに高まり、温度を上昇させていくのです。

 そして、温度があるレベルに達すると、燃料に含まれる炭化水素分子の一部が崩壊を始め、炭素(C)と水素(H)の結合がゆるみます。そこに酸素分子が入り込むと化学反応が始まり、その反応がさらに温度を上昇させることで新たな反応を起こし……という連鎖によって自着火が起こるのです。ただし、自着火は混合気の大部分がいっせいに反応するため体積の膨張が急激で、大きな圧力波を生じてエンジン自体にダメージを与えてしまいがちです。そのため、ガソリンエンジンの場合は圧縮のレベルを自着火が起きない程度に抑え、点火プラグで着火することで、燃焼によって生じる圧力をコントロールしているのです。

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