燃焼方式

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幻のエンジン技術:未来への布石

画期的な燃焼技術として、1970年代にフォードが開発に心血を注いだのが、計画的燃焼組織の略称であるプロコ燃焼機構です。これは、燃費の向上と排気ガスの抑制という、相反する二つの課題を同時に解決することを目指した、従来の機構とは全く異なる、画期的な発想に基づくものでした。 具体的には、燃料を燃焼室に直接噴射する「直噴」という手法と、空気と燃料の混合比において空気を多くした「希薄燃焼」という手法を組み合わせた、「直噴火花点火希薄燃焼」という方法を採用しました。一般的な機構では、燃料と空気をあらかじめ混ぜてから燃焼室に送り込みますが、プロコ燃焼機構では燃料を直接燃焼室に噴射することで、より精密な混合気の制御を可能にしました。さらに、希薄な混合気を用いることで、燃焼温度を下げ、窒素酸化物の発生を抑える効果も期待されました。 希薄な混合気は、少ない燃料で大きな動力を生み出すため、燃費向上に大きく貢献します。しかし、希薄燃焼は、混合気が薄すぎることで燃焼が不安定になるという難点がありました。プロコ燃焼機構では、この問題を解決するために、コンピューター制御によって燃料噴射量や点火時期を緻密に調整することで、安定した燃焼を実現しようとしました。 燃費向上と排ガス低減を両立できる革新的な技術として大きな期待を集めましたが、当時の技術力では精密な制御を実現することが難しく、安定した燃焼を維持することが困難でした。その結果、プロコ燃焼機構は、量産車に搭載されることなく開発は中止となりました。しかし、その先進的な発想は、後の自動車技術の発展に大きな影響を与えました。現代の自動車に搭載されている直噴機構や希薄燃焼機構は、プロコ燃焼機構の技術的な課題を克服することで実現したと言えるでしょう。
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ループ掃気:2ストローク機関の心臓部

二行程機関特有の換気方式であるループ掃気は、ピストンの上下運動を利用して燃焼後のガスを新しい混合気で押し出す作業を巧みに行います。この混合気の押し出し作業は掃気と呼ばれ、ループ掃気はその一種です。 ループ掃気では、吸気口からシリンダー内に入った混合気が、ピストンの上部を迂回するようにしてシリンダー壁に沿って上昇していきます。この混合気の流れは、まるで渦を描くようです。混合気はシリンダーの上部に到達すると、今度は向きを変えて下降を始めます。そして、排気口から燃焼後のガスをシリンダーの外へ押し出します。このように、混合気がシリンダー内をループ状に流れるため、ループ掃気と呼ばれています。 ループ掃気は、部品数が少なく、構造が簡単です。そのため、エンジンを小型化、軽量化できるという利点があります。また、他の掃気方式と比べて掃気効率が高く、エンジンの出力向上に貢献します。これらの利点から、ループ掃気は小型船舶用のエンジンや一部の自動二輪車などに採用されています。 しかし、ループ掃気には、短所もあります。新しい混合気の一部が排気口から出てしまうため、燃料消費量が増加する傾向があります。また、排気ガス中に未燃焼の混合気が含まれるため、環境への影響も懸念されています。こうした短所を改善するために、近年では、より高度な掃気方式の開発も進められています。
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ディーゼルエンジン:その仕組みと利点

ディーゼル機関は、ガソリン機関とは異なる仕組みで動力を生み出します。ガソリン機関が、空気と燃料を混ぜたものを圧縮して火花で燃やすのに対し、ディーゼル機関は空気をのみを強く圧縮します。この圧縮によって空気の温度は非常に高くなります。そこに燃料を霧状にして噴射すると、高温の空気によって燃料が自然に燃え始めるのです。この燃焼の仕方がディーゼル機関とガソリン機関の大きな違いです。 ディーゼル機関はこの燃焼方式のおかげで、ガソリン機関よりも高い圧縮比を実現できます。圧縮比が高いほど、燃料が持つエネルギーをより多く動力に変換できるため、燃費が良くなるのです。燃料を燃やしてピストンを動かす際に、一定の圧力を保ちながら燃焼が行われるため、ディーゼル機関のサイクルは「定圧サイクル」とも呼ばれます。ディーゼル機関特有の、力強い「ガラガラ」という音は、この燃焼方式から生まれるものです。 高い圧縮比による燃費の良さだけでなく、ディーゼル機関は力強いトルクも特徴です。低回転から大きな力を出すことができるため、重い荷物を運ぶトラックやバスなどによく使われています。近年では、燃料噴射の技術も進化し、燃料をより細かく霧状にして噴射することで、燃焼効率を高め、排出ガスを減らす技術開発も進んでいます。これにより、環境性能も向上し、乗用車にもディーゼル機関が広く採用されるようになりました。
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燃費の良い直噴ディーゼルエンジン

燃料を霧状にして直接燃焼室に送り込む仕組み、それが直接噴射です。この仕組みは、燃費の向上に大きく貢献しています。 従来のディーゼル機関の中には、渦流室式と呼ばれるものがありました。これは、小さな部屋のような副室にまず燃料を噴き込み、そこで火をつけ、その炎をメインの燃焼室に広げるという仕組みです。しかし、この方式では、副室に熱が奪われたり、燃料の流れが邪魔されて効率が落ちてしまうという欠点がありました。 一方、直接噴射では、燃料を高圧にして霧状に噴射し、燃焼室に直接送り込みます。霧状にすることで空気と燃料がよく混ざり、燃焼室全体で均一に燃焼します。これにより、無駄な熱の発生を抑え、燃料のエネルギーを無駄なく動力に変換することができます。 熱損失が少ないこと、燃料の流れがスムーズであること、この二点が直接噴射の大きな利点です。まるで霧吹きで水をまくように、燃料を細かくすることで空気と燃料の接触面積を増やし、燃焼効率を飛躍的に向上させています。この技術によって、環境への負担を抑えながら、力強い走りを実現することが可能になりました。 さらに、直接噴射はエンジンの制御の自由度を高めることにもつながります。燃料の噴射量やタイミングを細かく調整することで、エンジンの出力や燃費を最適化することができます。まさに、現代のディーゼル機関には欠かせない技術と言えるでしょう。
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2ストロークエンジンの仕組みと魅力

2行程機関は、ピストンの上下運動2回で1仕事をこなす燃焼機関です。これは、クランク軸が1回転する間に吸気、圧縮、燃焼、排気の全行程が完了することを意味します。4行程機関ではクランク軸が2回転して1仕事となるため、2行程機関は同じ大きさでもより大きな力を出すことができます。 ピストンが下がる時、まず排気口が開き、燃焼後のガスが外に押し出されます。続いて掃気口が開き、新しい混合気がシリンダー内に入り、燃えカスを押し流しながらシリンダー内を満たします。ピストンが上死点に達すると、混合気は圧縮され、点火プラグによって燃焼が始まります。燃焼による爆発力はピストンを押し下げ、クランク軸を回転させます。この一連の動作がクランク軸の1回転ごとに繰り返されます。 この特性から、2行程機関は力強い加速が必要な乗り物によく使われます。例えば、オートバイやスクーター、チェーンソー、芝刈り機、一部の小型船舶などです。また、構造が単純なので、小型化や軽量化がしやすいという利点もあります。部品点数が少ないため、製造費用や修理費用を抑えることもできます。しかし、4行程機関に比べて燃費が悪く、排気ガスに燃え残りの燃料が含まれるため、環境への影響が大きいという欠点も持っています。近年では、環境規制の強化により、2行程機関を搭載した乗り物は減少傾向にあります。