自動車エンジンの基礎知識: ペントルーフ形燃焼室とは？
車を知りたい
先生、「ペントルーフ形燃焼室」ってなんですか？ 図書館で自動車の本を読んでいたら出てきたのですが、よくわかりません。
自動車研究家
「ペントルーフ形燃焼室」は、エンジンの燃焼室の天井部分を、家の屋根みたいに傾斜させた形にしたものだよ。自動車のエンジンルームを見ると、エンジンが傾斜して搭載されていることが多いんだけど、これはピストン運動の方向とクランク軸がずれているためなんだ。その傾斜に合わせて燃焼室の天井部分を傾斜させることで、バルブを大きくしたり、4バルブにしたりすることができるんだ。
車を知りたい
なるほど。家の屋根みたいに傾斜させているんですね。でも、どうしてバルブを大きくしたり、4バルブにしたりする必要があるんですか？
自動車研究家
バルブを大きくしたり、数を増やすことで、空気や排気ガスの通り道を広くできるんだ。そうすると、より多くの空気をエンジンに取り込んで、より多くの燃料を燃やすことができる。その結果、エンジンのパワーを上げることができるんだよ。
ペントルーフ形燃焼室とは。
自動車用語の「ペントルーフ形燃焼室」とは、エンジンのヘッド部分にある燃焼室の天井部分が、切妻屋根のような形になっているものを指します。この形状は、バルブを配置するスペースを広く取れるため、4バルブエンジンで多く採用されています。エンジンを上から見ると、中心に点火プラグがあり、その左右に吸気バルブと排気バルブがそれぞれ配置されています。 近年では、燃焼室の表面積を減らして冷却によるエネルギー損失を抑え、さらに燃焼室自体を小さくして圧縮比を高めるために、浅い形のペントルーフ形燃焼室が使われています。
ペントルーフ形燃焼室：その形状と構造
ペントルーフ形燃焼室とは、その名の通り屋根裏部屋のように斜めに傾斜した天井を持つ燃焼室のことです。通常のフラットな天井を持つ燃焼室と比べて、ピストンが上死点に達した際に燃焼室容積が小さくなるのが特徴です。この形状は、主にガソリンエンジンに採用されています。
ペントルーフ形燃焼室の構造は、シリンダーヘッドに傾斜した部分を設け、ピストンが上昇する際にその傾斜部分によって燃焼室が狭められるように設計されています。この傾斜部分は、吸排気バルブの位置や角度と密接に関係しており、最適な燃焼効率を実現するために緻密に計算されています。
4バルブエンジンとの関係性
ペントルーフ形燃焼室は、4バルブエンジンとの相性が非常に良いことで知られています。4バルブエンジンは、吸気バルブと排気バルブをそれぞれ2つずつ備えたエンジンの形式です。
ペントルーフ形の燃焼室形状と4つのバルブの組み合わせは、混合気の充填効率と燃焼効率を大幅に向上させます。具体的には、吸気バルブを大きくすることでより多くの混合気を燃焼室に送り込み、燃焼室形状をコンパクトにすることで火炎伝播距離を短縮し、素早い燃焼を実現できます。
これらの相乗効果により、4バルブエンジンは2バルブエンジンと比較して、高出力化、低燃費化、排出ガス浄化などが可能になります。そのため、現代の多くの高性能エンジンは、ペントルーフ形燃焼室と4バルブエンジンを組み合わせた設計を採用しています。
ペントルーフ形燃焼室のメリット
ペントルーフ形燃焼室は、その独特な形状から多くのメリットを生み出します。
まず、燃焼室内の空間をコンパクトに設計できることが挙げられます。これは、ピストンが上死点に達した際の容積（圧縮比）を高く設定しやすく、燃焼効率の向上に貢献します。
さらに、燃焼室内のスワール（渦流）を発生させやすいという利点もあります。スワールは、空気と燃料を効率的に混合させる効果があり、燃焼速度の向上と有害排出ガスの低減に繋がります。
これらのメリットにより、ペントルーフ形燃焼室は、燃費性能と環境性能の両立を目指す現代の自動車エンジンにおいて、重要な役割を担っています。
冷却損失の低減と圧縮比向上への貢献
ペントルーフ形燃焼室は、その特殊な形状によって、エンジンの燃焼効率を高める上で重要な役割を果たします。 燃焼室がコンパクトに設計されているため、燃焼中の混合気が冷却される表面積を最小限に抑えられます。 これにより、冷却損失と呼ばれる熱エネルギーの損失が低減され、より多くのエネルギーが動力に変換されます。
さらに、ペントルーフ形は、ピストンが上死点に達した際に燃焼室を小さく絞り込む形状をしているため、高い圧縮比を実現することができます。圧縮比が高いほど、混合気をより高温・高圧縮状態で燃焼させることができ、熱効率が向上し、燃費の向上と排ガス浄化にも貢献します。
現代の自動車エンジンにおける採用状況
かつて、ペントルーフ形燃焼室は、その優れた燃焼効率と出力特性から、高性能エンジンを中心に広く採用されていました。しかし、近年では、より厳格化する排ガス規制に対応するために、さらに高度な燃焼制御技術と相性の良い、コンパクトな形状の燃焼室が主流となっています。
特に、ガソリンエンジンにおいては、燃費向上と排ガス低減を両立させるために、燃料を燃焼室に直接噴射する「直噴エンジン」が主流になっています。直噴エンジンでは、燃料噴射の自由度を高めるために、ピストン crown部に窪みを設けた形状の燃焼室が一般的に用いられます。
そのため、現代の自動車エンジンにおいて、ペントルーフ形燃焼室は、一部のスポーツカーや高級車など、出力性能を重視するエンジンに採用されるケースはありますが、一般的な乗用車では、その姿を消しつつあります。
しかし、ペントルーフ形燃焼室の設計思想や技術は、現代のエンジン開発にも活かされています。例えば、燃焼室内の気流を制御する技術は、現在の高効率エンジンにも応用され、燃費向上や排ガス低減に貢献しています。