車のエンジンをかける仕組み: 「可燃限界」って？
車を知りたい
先生、「可燃限界」って、燃料の濃さが薄すぎても濃すぎてもダメっていうけど、なんで濃いと燃えないんですか？
自動車研究家
良い質問だね！実は、燃焼には燃料と酸素の両方必要なだけど、燃料が濃すぎると酸素が不足してしまうんだ。ろうそくを想像してみて。火をつけたままコップをかぶせるとどうなるかな？
車を知りたい
ああ、火が消えちゃいますね。酸素が無くなっちゃうからか！
自動車研究家
その通り！燃料が濃すぎる状態もこれと同じように、酸素不足で燃焼が続かなくなるんだ。だから、可燃限界の中には、酸素も十分に供給されて、燃焼が持続できる範囲があるんだよ。
可燃限界とは。
「可燃限界」とは、自動車用語の一つで、燃料と空気を混ぜたときに、火がつく燃料の濃度の範囲を表すものです。空気中の燃料の割合(体積％)で表され、火がつく最も薄い濃度を「下限界」、最も濃い濃度を「上限界」といいます。燃料の割合が少ない状態から徐々に濃くしていくと、火がつくようになり、その濃度が下限となります。燃料の割合をさらに増やすと、最初は火がつきやすくなりますが、ある程度を超えると逆に火がつきにくくなり、この限界が上限となります。例えば、可燃限界の範囲が最も広い水素は、2.7％～74％です。自動車のエンジンでは、ガソリンが気化した燃料と空気の混合比率が、この可燃限界の範囲内にあることが必要です。
可燃限界とは？
車を動かすために必要なエンジン。そのエンジンをかけるには、ガソリンと空気の混合気が必要不可欠です。しかし、どんな割合で混ぜてもエンジンがかかるわけではありません。 実は、ガソリンと空気の混合比率には、燃焼可能な範囲「可燃限界」が存在するのです。
この「可燃限界」は、安全にエンジンを動かす上で非常に重要な要素となります。なぜなら、可燃限界を外れた混合気では、エンジンがかからないだけでなく、最悪の場合、爆発やエンジントラブルに繋がる可能性もあるからです。
ガソリンと空気の絶妙なバランス
車を動かすために必要なエンジン。その心臓部では、ガソリンと空気が絶妙なバランスで混ざり合い、爆発することで大きな力を生み出しています。しかし、ただ闇雲に混ぜればいいというわけではありません。 実は、ガソリンと空気の混合比率には、燃焼できる範囲「可燃限界」が存在するのです。
この比率が「可燃限界」から外れてしまうと、エンジンは正常に作動しません。薄すぎると、そもそも火がつきませんし、濃すぎても不完全燃焼を起こしてしまいます。 この「可燃限界」を理解することが、エンジンの効率的な燃焼、ひいては燃費や環境性能に大きく関わってくるのです。
可燃限界の下限と上限
エンジンが動くためには、空気と燃料が適切な割合で混ざっている必要があります。この割合には範囲があり、薄すぎても濃すぎても、エンジンをかけるための燃焼は起こりません。この範囲を「可燃限界」と呼び、その限界には下限と上限が存在します。
可燃限界の下限とは、燃料濃度が薄すぎて着火できない限界のことです。一方、可燃限界の上限は、逆に燃料濃度が濃すぎて酸素不足となり、着火できない状態を指します。エンジンをかけるためには、この「可燃限界」の範囲内にある適切な混合比で、空気と燃料を供給する必要があるのです。
水素の可燃限界の広さ
ガソリンに比べて、水素は可燃限界が広いことが知られています。これは、水素が空気中の酸素と反応しやすい性質を持っているためです。ガソリンエンジンでは、ガソリンと空気の混合比率を厳密に制御する必要がありますが、水素エンジンであれば、より広範囲な混合比率で安定した燃焼を得ることが可能になります。このため、水素エンジンは、希薄燃焼による燃費向上や、排出ガス中の有害物質削減などのメリットが期待されています。
エンジンの始動と可燃限界
車を走らせるために私たちが当たり前のように行う「エンジンをかける」という動作。実は、そこには「可燃限界」という、燃焼に関する重要な要素が深く関わっています。エンジン内部では、ガソリンと空気が混ぜ合わさり、そこに点火することで爆発的な燃焼が起こり、車が動力を得ています。しかし、どんな割合でガソリンと空気を混ぜても、うまく燃焼してくれるわけではありません。この「うまく燃焼する割合」のことを「可燃限界」と呼ぶのです。