「希薄燃焼」とは、空燃比が20～25:1の状態での燃焼をさします。
本来はこれほど燃料が薄いと十分な燃焼は行えません。
しかし、吸気ポートやピストンの形状を工夫し、空気の流れを速めて燃料の気化を促進させることで、燃焼を可能にしています。
希薄燃焼では大量の吸気が必要となり、スロットルバルブが大きく開かれるために、吸気の流れが円滑になります。
この効果でさらに燃費が向上するのです。
さらに、空燃比が40～50:1という極めて燃料の薄い状態で燃焼を行うのが「超希薄燃焼」。
これを可能にしたのは、筒内噴射式のインジェクター。
超希薄燃焼では、点火プラグ付近に燃料を噴射し、限られた範囲の燃料濃度を高める「成層燃焼」という方法がとられています。
これにより、従来では考えられなかった少量の燃料で燃焼を行うことができるようになりました。
なお、希薄燃焼や超希薄燃焼を採用するエンジンでも通常の燃焼は可能で、走行状況に応じて使い分けられています。
燃料が燃えるためには酸素が必要です。
吸気装置には、エンジンに空気を供給し、さらに供給量でエンジンの出力を調整するという役割があります。
吸気装置は、エンジンに空気を送り込む機構。
空気を浄化するエアクリーナー、吸気量を調整するスロットルバルブ、各気筒に分配する吸気マニホールドなどで構成され、すべてが吸気ダクトというパイプでつながっています。
空気を吸い込むには、「吸入負圧」という力が利用されています。
シリンダー内でピストンが下降すると、シリンダー容積が大きくなるため、気圧が低くなります。
空気は気圧が高いほうから低いほうに流れるため、シリンダーに空気が吸い込まれます。
これが吸入負圧。
効率よく吸気をするには、途中の空気抵抗を減らすことが重要になります。
そのため、吸気ダクトの形にも工夫が施されます。
空気中のホコリなどの異物がシリンダー内に混入すると、燃えカスが付着してピストンや吸排気バルブの動きの邪魔をしたり、空気の流れを淀ませたりすることがあります。
こうした異物を取り除き、吸気をきれいにするためにエアクリーナーが取り付けられています。
エアクリーナーは、吸気ダクトの途中に設置されます。
ケースの中に「エアクリーナーエレメント」と呼ばれるフィルターが収められ、異物を絡めとるしくみになっています。
不織布を使った乾式のエレメントや、特殊なオイルを紙に塗り、異物の吸着性を高めた湿潤式のエレメントを使ったものが現在の主流。
吸気ダクトにはエアクリーナーのほかに「レゾネーター」という装置も取り付けられています。
これは、空気が流れるときに発生する騒音を低減するための装置。
レゾネーターの内部は空洞になっており、音と音が共鳴することによって振動を減らすことができます。
エンジンの出力は、シリンダーに送り込むことができる空気の量で決定されます。
ガソリンの燃焼は最大出力空燃比の付近がもっとも効率がよいため、空気の量が一定なら、燃料の供給をいくら増やしても出力が上がることはないからです。
しかし、もしもシリンダー容積よりも大きい空気を圧縮してエンジンに送り込むことができれば、出力を高めることは可能です。
この役割を果たす装置を「過給機」といいます。
過給機は、大きく分けて2種類あります。
ひとつはエンジンの力を利用して作動するもので、「メ力二力ルスーパーチャージャー」、略して「スーパーチャージャー」といいます。
もうひとつは排気の流れる力を利用したもので、「タ－ボチャージャー」といいます。
ここでは、採用例の多いターボチャージャーを例に解説します。
ターボチャージャーは、両端に羽根車がついたタービンを中心とした機構。
片方の羽根車は排気ダクトに、もう片方は吸気ダクトに配置されています。
排気の流れによって排気側の羽根車が回転すると、それと連動して吸気側の羽根車も回転します。
この回転運動によって吸気の流れが加速し、空気が圧縮されてエンジンの出力を上げることができるのです。
空気を圧縮する力が強くなりすぎると、吸気が高温になり自然発火する「ノッキング」という現象が起きてしまいます。
これを防ぐために、排気側にターボチャージャーを通過しないバイパス経路を設け、圧力が一定以上になると排気がバイパス経路を通るようになるしくみが備えられています。
この働きを「過給圧制御」といいます。
現在ではコンピュータで過給圧制御が行われることが多いです。
エンジンで生まれた排気ガスは、パイプを通して車外に排出されます。
パイプの途中には、騒音や大気汚染物質を減らす装置が備えられているのです。
燃焼行程で発生した排気ガスを車外に排出する装置が、排気装置です。
排気装置は、排気ガスを集めてスムーズに合流させる排気マニホールド、排気ガスを浄化する各種装置、騒音を小さくするマフラーなどで構成され、これらは排気ダクトで連結されています。
排気ガスが流れる際には、排気装置内部の圧力である排圧が高くなります。
排圧が高くなりすぎると排気ガスが円滑に押し出されにくくなり、吸気効率も低下します。
このため、排気ダクトは太めに設計されているのです。
自動車の排気ガスには、大気汚染の原因となる炭化水素、窒素酸化物、一酸化炭素などが大量に含まれています。
かつてはそれらをそのまま車外に排出していましたが、環境意識の高まりとともに排気ガスによる大気汚染が問題視されるようになりました。
このため現在の自動車では、排気パイプの途中に、大気汚染物質の排出を抑制するための浄化装置がいくつも設置されています。
各国の排出基準は年を追うことに厳しくなっているため、自動車メーカー各社は浄化装置の性能向上を図るべく研究を続けています。
各シリンダーで発生した排気を、ひとつの管に合流させる岐管が「排気マニホールド」です。
エンジンから排出したばかりの排気は数百度の高温なので、耐熱性がある鋳鉄製や軽量化構造のステンレス鋼管などでつくられています。
排気マニホールドの重要な役割は、排気の流れを滞らせないことです。
ひとつのシリンダーからの排気が続いている間に別のシリンダーからの排気が始まると、排気同士がぶつかって詰まる「排気干渉」が発生します。
これを避けるために、排気マニホールドの形状には、枝分かれする岐管の長さを統一したり、合流地点をエンジンから遠ざけたりといったさまざまな工夫が施されているのです。
V型工ンジンや水平対向型工ンジンはシリンダーが2列になっているため、それぞれの列に排気マニホールドが設置され、その先の排気ダクトでひとつに合流させる方式がとられています。
排気ガスに含まれる大気汚染物質を削減するため、排気パイプにはさまざまな浄化装置が備えられています。
そのなかでも核となるのが三元触媒コンバーターです。
コンバーターのケースのなかにはモノリス(格子状に組み立てた酸化物)またはペレット(粒子状にした酸化物)が収められ、そこにプラチナなどの化学物質が付着しています。
この化学物質が触媒となって、大気汚染物質に化学反応を起こさせ、無害な物質に変えるしくみになっているのです。
排気ガスに含まれている主な大気汚染物質は、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物の3種類。
これらが三元触媒コンバーターを通過すると、化学反応を起こして水、窒素、二酸化炭素に変化します。
理論空燃費では大気汚染物質はほぼ完全に無害化されまるが、空燃比が高かったり低かったりすると、大気汚染物質が分解しきれずに残留することがあります。
このため、できるだけ理論空燃比に近い状態で燃焼することが望ましいのです。
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