燃費向上とクリーンディーゼルを実現する「成層燃焼」とは？
車を知りたい
先生、「成層燃焼」って、普通の燃焼と何が違うんですか？ 難しくてよくわからないです。
自動車研究家
なるほど。「成層燃焼」は、エンジンの中で燃料と空気を混ぜる割合を場所によって変えているんだ。普通の燃焼は均一に混ぜるんだけど、「成層燃焼」はスパークプラグの周りだけ燃料を濃くして、他の場所は薄くしているんだよ。
車を知りたい
場所によって濃くしたり薄くしたりするんですか？ どうしてそんなことをするんですか？
自動車研究家
それはね、燃費を良くして、排気ガスをきれいにするためなんだ。薄くした部分は少ない燃料で効率よく燃焼するし、濃くした部分は確実に着火させることができるので、結果的に環境に優しくなるんだね。
成層燃焼とは。
「成層燃焼」とは、自動車用語の一つで、空気と燃料の混合比率が異なる層状の混合気を燃焼させることを指します。別名「層状燃焼」とも呼ばれます。 これは、スパークプラグ付近には燃えやすい濃混合気を、その他の領域には燃費向上に貢献する希薄混合気を供給する「層状給気機関」の燃焼方式です。 全体的に希薄な混合気を用いることで、燃費の向上と排気ガスの浄化を両立させることを目指し、世界中の研究機関や企業で多くの研究開発が行われてきました。 成層燃焼には、副燃焼室式と単一燃焼室式の二つのタイプがあります。副燃焼室式には、旧ソ連のトーチ点火機関や日本のCVCCなどがあり、単一燃焼室式には、テキサコのTCCS、フォードのPROCO、MAN社のFM、三菱のGDI、そしてトヨタの直噴ガソリンエンジンなどが挙げられます。
成層燃焼の仕組み：層状混合気で効率アップ
ガソリンエンジンでは、空気と燃料を混ぜて燃焼させていますが、従来の方式では、この混合気を均一にシリンダー内に送り込んでいました。しかし、成層燃焼では、あえて燃料濃度の濃い部分と薄い部分を層状に作り出すことで、燃焼効率を飛躍的に向上させています。
具体的には、ピストンの上昇によってシリンダー内に発生する空気の渦を利用し、燃料噴射のタイミングを緻密に制御することで層状の混合気を作ります。そして、中心付近の濃い部分から着火することで、薄い混合気でも効率的に燃焼させることが可能になります。これは、ろうそくの炎が周囲の空気を利用して燃え広がる様子に似ています。
このように、成層燃焼は、従来の均一混合気による燃焼と比べて、燃費の向上だけでなく、排気ガスのクリーン化にも大きく貢献する技術と言えるでしょう。
環境への優しさ：低燃費と排気ガス浄化
成層燃焼は、従来のディーゼルエンジンと比べて、燃費の向上と排気ガスのクリーン化を両立できる革新的な技術です。
その仕組みは、燃焼室内に燃料を均一に噴射するのではなく、空気の薄い部分と濃い部分を意図的に作り出すことにあります。
そして、空気の濃い部分に燃料を噴射することで、効率的な燃焼を実現し、燃費向上と排出ガス浄化を同時に達成します。
特に、PM（粒子状物質）やNOx（窒素酸化物）といった、ディーゼルエンジン特有の排出ガスの削減に効果を発揮します。
副燃焼室式と単一燃焼室式の違い
ディーゼルエンジンの燃焼方式の一つである「成層燃焼」は、燃料を効率的に燃焼させることで燃費向上と排ガス浄化を両立させる技術です。成層燃焼には、大きく分けて「副燃焼室式」と「単一燃焼室式」の二つの方式があります。
副燃焼室式は、メインの燃焼室とは別に小さな副燃焼室を設け、そこに燃料の一部を先に噴射して燃焼させる方式です。この燃焼によって発生した火炎や高温ガスがメイン燃焼室に流れ込み、残りの燃料の燃焼を促進します。この方式は、構造が比較的単純でコストを抑えられるというメリットがあります。
一方、単一燃焼室式は、副燃焼室を設けずに、燃料噴射のタイミングや圧力、噴射ノズルの形状などを緻密に制御することで、燃焼室内に理想的な混合気を形成する方式です。この方式は、副燃焼室式よりもさらに高い燃焼効率とクリーンな排ガスを実現できるというメリットがあります。
このように、副燃焼室式と単一燃焼室式は、それぞれに特徴があります。どちらの方式が優れているとは一概には言えず、開発目標やコスト、車両の特性などに合わせて最適な方式が選択されます。
世界で進む成層燃焼エンジンの開発競争
自動車業界において、燃費向上と排出ガス削減は至上命題です。その実現に向けたキーテクノロジーの一つとして、近年注目を集めているのが「成層燃焼」です。従来のガソリンエンジンでは、均一に混合された空気と燃料を燃焼させていましたが、成層燃焼では、燃焼室内の空気と燃料の混合比を場所によって変化させ、プラグ周辺にだけ燃えやすい濃度の混合気を作り出すことで、より効率的かつクリーンな燃焼を実現します。
この革新的な技術は、世界中の自動車メーカーがしのぎを削って開発を進めています。ヨーロッパの自動車メーカーは、早くからディーゼルエンジンにおける成層燃焼技術に注目し、「クリーンディーゼル」として市場に投入してきました。一方、日本のメーカーは、ガソリンエンジンにおける成層燃焼技術の開発に強みを持ち、独自の技術で世界をリードしています。
成層燃焼エンジンの開発には、高度な燃焼制御技術や燃料噴射技術が求められます。各メーカーは、独自のノウハウを駆使し、さらなる燃費向上と排出ガス削減を目指して、日々研究開発に取り組んでいます。その競争は激化の一途をたどっており、今後の技術革新に大きな期待が寄せられています。
未来の自動車を担う？成層燃焼の可能性
成層燃焼は、従来のガソリンエンジンよりも燃費効率が高く、排出ガスもクリーンという優れた点を持つため、次世代の自動車を担う技術として期待されています。 特に、電気自動車やハイブリッド車など、新たな動力源が注目される中で、成層燃焼は内燃機関の進化形として重要な役割を担うと考えられています。
成層燃焼が実用化されれば、自動車業界に大きな変化が訪れる可能性があります。燃費向上による経済的なメリットはもちろん、CO2排出量の削減は地球環境保護にも大きく貢献します。 さらに、将来的には、水素を燃料とした成層燃焼エンジンの開発も期待されており、エネルギー問題の解決にも貢献する可能性を秘めています。 成層燃焼技術の進化は、未来のモビリティ社会を大きく変える可能性を秘めていると言えるでしょう。