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ダウンサイジングとライトサイジング(吸気ポンピングロス)

常吉

ダウンサイジングとライトサイジング(序)
ダウンサイジングとライトサイジング(メカニカルフリクションか?)

前回はダウンサイジング過給ガソリンエンジンの燃費低減の要因としてメカニカルフリクションの変化はさほど大きくはないだろうということをお話しました。だろうと言うのは私がオリジナルエンジンとダウンサイジング過給エンジンの実働時(ファイアリング時)のメカニカルフリクションを同じ設備で比較計測した経験がないからですが、まぁまっとうなエンジンエンジニアからは反対はされないと思います。(一般的にメカニカルフリクションはモータリング法で簡便に測ることができますが、ターボ過給エンジンではそれで測ることはただの気休めにすぎません。)

では主要因は何でしょうか?
それは幾つかの併せ技による吸気のポンピングロスの低減と、ミラーサイクル化による高圧縮比化にあります。

ガソリンエンジンはアクセル全開(スロットル全開)の時以外はスロットルをいくらか閉じることによって余分な空気が入ってくるのを邪魔しています。空気があればあるほど良いというわけではなくて、いわば空気に対してストイックなエンジンなのです。その理由はロングストロークエンジンの低速トルクはなぜ大きいのかの記事に書いたように、ガソリンエンジンの燃料と空気の比率は1:14.7でなければならないからです。それ以上燃料を与えてもそれは燃えずに生ガスとして大気に放出されるだけですし、足りなければその分出力が出ません。それは昔のキャブレターエンジンでも同じ自然現象です。

運転者の意志(アクセル開度)で必要な燃料量を決め、その燃料の14.7倍の空気を吸い込んでいるのがガソリンエンジンです。(ECUの制御ロジックとしては、運転者の意志(アクセル開度)に対応してスロットル開度が決まり(=吸入空気量が決まり)、その1/14.7の燃料が噴射されます。キャブレターの場合は結果的にですがそれに近いキャブセッティングが行われています。)

つまりアクセル全開での加速や最高速巡行以外は常にスロットルが「入ってくるな、入ってくるな」と空気の流入を邪魔しているのです。これがスロットルを持たずに常に吸い込めるだけ目一杯空気を吸い込む空気が大好きなディーゼルエンジンとの大きな違いの一つです。

このスロットルによる空気の絞りがスロットル前後に圧力差を生じ、スロットル後に生じた負圧は吸気行程中に下がろうとするピストンを引っ張り上げる方向に作用して負の仕事となるのです。これを(吸気の)ポンピングロスといいます。ここまで誰もがご存じの事を長々と失礼しました。

で、小排気量化です。
小排気量でも大排気量でも同じ車を同じ車速で走らせるために必要なエネルギー(≠使用するエネルギー)はびた一文変わりません。それは車重と走行抵抗(空気抵抗、転がり抵抗、勾配抵抗、加速抵抗)で決まってしまいます。内燃機関はその仕事に必要なエネルギーの3倍(熱効率33%)とか5倍(熱効率20%)とかの燃料を燃やしてようやくそのエネルギーを生み出しているのです。この必要なエネルギーと実際に燃やすエネルギーの比率が総合効率で、非常に大きな部分を内燃機関の熱効率(≠燃焼効率)が支配しています。

今、ある車が60km/hで1時間走行した時に3Lのガソリンを使ったとします。このガソリンの重量は2.25kgですからこの1時間で消費した空気の重量は2.25×14.7≒33kgとなります。空気の密度はおおよそ1.3ですからこの空気の体積はおおよそ25m3となります。この時のエンジン回転数が1000rpmだったとすると4気筒エンジンならば1本のシリンダーは1回の吸気行程で0.2Lの空気を吸っていたことになります。

この0.2Lの空気を排気量200ccのシリンダー(4気筒ならば0.8L)で吸おうとしたときはスロットルは全開にせざるを得ませんが、500ccのシリンダー(4気筒ならば2L)ならばスロットルは半分以上閉じなければなりません。前者はスロットルによる絞り損失はゼロで、後者には大きな絞り損失が生じます。(現役を退いてしまった今、残念ながら定量的なデータを示すことができないのが残念です。)

つまり同じ馬力を出す場合、小排気量は吸気のポンピングロスが少なく、大排気量はそれが大きい。
これが小排気量化による燃費低減のメカニズムです。
もっと端的に言えば5馬力が必要な時に50ccのエンジンならばスロットルが全開になるので絞り損失はなく、10Lのエンジンならばほとんど締め切りになるので大きな吸入抵抗を生ずると言えば感覚的に分かり易いと思います。

気筒休止エンジン)
同じことが言えるのが気筒休止エンジンです。例えば3L V6エンジンの2気筒を休止して2L4気筒エンジンとして運転するH社お得意の技術。必要な時に排気量を小さくするいわばリアルタイムダウンサイジングエンジンです。あれもピストンなどレシプロ系を休止するわけではなく単に休止気筒の吸排気弁を閉じたままにしておくだけです。もちろん必要ないので燃料も止めますが、その止めた分の燃料は稼働気筒に回されます。というのは休止していようがいまいが同じ車速で走行するのに必要な馬力(=空気量)は変わらないからです。従ってエンジンが吸わなくてはならない空気量も変化しません。その同じ量の空気を2Lのポンプが吸おうと思えば3Lのポンプが吸う場合よりもスロットルを開かざるを得ないのです。で、絞り損失が減る分結果的に燃費が良くなるというわけ。仮に吸排気弁を動かしたままで休止気筒の点火と燃料だけを止めても燃費は変わりません。逆に定性的には稼働気筒の筒内圧が上がる分は各種ロスが増加する方向です。

ディーゼルエンジンのダウンサイジング)
長くなりましたが、ここでディーゼルのダウンサイジングについても触れておきたいと思います。
ガソリンエンジンは小排気量化によりスロットルが開くのでポンピングロスが減って燃費が良くなると述べましたが、ディーゼルエンジンにはスロットルがありません。空気に対しては来る者は拒まずです。空気量とは無関係にアクセル開度(運転者の意志)に応じた燃料が噴射されます。そこで小排気量にすると何が起こるかというと、燃料と空気の量の比率(空燃比)がリッチ方向に変化してしまいます。せっかくリーンバーンで効率よく燃やしていたのに、それがリッチ方向になってしまうのですから…。それを補おうとして過給圧を高めれば過給ロスは増える一方…。
ディーゼルのダウンサイジングに熱効率の観点からは義はありません。MAZDAがデミオやCX3のディーゼルの排気量を大きくしたのは走りのみならず熱効率的にも正しいことなのです。


次回はダウンサイジングにつきもののミラーサイクルについて、その効果のメカニズムが過給エンジンの場合と自然吸気エンジンの場合ではひとくくりで「ミラーサイクル」と呼んではいけないほど異なっていることや、ディーゼルエンジンにミラーサイクルが適用されていない理由などをお伝えしたいと思います。


   
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Posted by常吉

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