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◆バルブタイミング

＜バルブオーバーラップ＞

・レシプロエンジンの４工程には「排気工程」から「吸気工程」があるが
　「排気バルブが閉じて」から「吸気バルブが開く」のではなく
　実際にはバルブが同時に開いているタイミングがある。



＜基本的な考え方＞
・排気ガスが吸気ポートに逆流してしまいそうだが、
　排気ガスはマフラー方向に流れているためほとんど逆流しない
・逆に吸気（混合気）が排気ポートに流れ出てしまいそうだが
　混合気が排気ガスを押し出す流れになるため「充填効率」が高まる
　これを「掃気効果」という。



実際には回転数や負荷等の状況によって変化してしまう。

・オーバーラップが大きいと吸気ポートへの吹き返しが増える
・低中回転域ではオーバーラップが小さいと吸気が足りず出力ダウンする
など



これらを解決できる技術

◆可変バルブタイミングシステム
・状況によってバルブの開閉時期を変えることができる

◆可変バルブリフトシステム
・状況によってバルブの開度「バルブリフト」を変えることができる
・このシステムにより省燃費を実現しているエンジンが増えている



「可変バルブシステム」を応用するエンジン

◆気筒休止エンジン

・「可変バルブシステム」によりバルブを開かず気筒を休止させる
・例：ホンダのJ35Aエンジン
　６気筒搭載し、状況により使用する気筒を３、４、６切り替えでき
　実質的な排気量を小さくして、ポンプ損失を低減している。

◆スロットルバルブレスエンジン

・「可変バルブシステム」により、バルブリフトを「全開から０」にできるため
　スロットルバルブの代わりに吸気量を調整できる。
・ポンプ損失の低減も可能。

◆圧縮比



・「シリンダー容積（ピストンが下死点の位置）」と
　「燃焼室容積（ピストンが上死点の位置）」の比率
　（燃焼膨張工程では「膨張比」という）

・理想では１４：１付近がとされている（以降：１省略）

・実際には、ポート噴射式では圧縮比１０～１２、
　過給機車では圧縮比８等が多い
・上記のような圧縮比１１前後のエンジンでは、　
　「プレイグニッション」や「ノッキング」等が発生しにくい
　「オクタン価」が高い「ハイオクガソリン」が使われる。

・直噴式などの技術の進歩で圧縮比１４のエンジンもある
　例：マツダのP3-VPSエンジン

・ディーゼルでは低温時の始動性を上げるため
　圧縮比１７～１８が採用されているものが多い。
　通常運転時では上死点を過ぎて圧縮比１４のタイミングで
　燃料を噴射し、燃焼させている。
　ストロークをフルに使っていないため効率が悪い。
・最近では燃料の量を調整して圧縮比１４のエンジンも存在する。



◆ノッキング

・ノッキングはカリカリ等、「振動による異音」を発する現象のこと
・エンジン回転の不調や、不要な爆発によりピストンが壊れる
・ディーゼルノック：
　シリンダーの温度が低かったり、燃料の粒子が大きかったりすると
　未燃焼燃料が残り、それが遅れて燃焼してしまう



◆プレイグニッション



・「点火プラグ着火以前」に燃焼してしまう現象
・シリンダー内のカーボンや異常過熱した点火プラグが火種になる（赤丸）
・エンジンが高温になりすぎたり、回転が不調になる



◆デトネーション



「点火プラグ着火以降」に点火プラグ以外で燃焼してしまう現象
・混合気が高温だったり、シリンダー壁面の過熱で自然発火する
・「点火プラグの着火」と「自然発火の着火」がぶつかるので（オレンジ）
　「キンキン」というノッキング特有の音がする



◆オクタン価

・ガソリンの着火しやすさの値（＝アンチノック性の値）

＜レギュラーガソリン＞
・オクタン価９０～９１

＜ハイオクガソリン＞
・オクタン価：９８～１００
・ハイオクタン価ガソリンの略。プレミアムガソリンとも呼ぶ。

◆排気量



・シリンダー容積：ピストンが下死点にある時のシリンダーの容積
・燃焼室容積：ピストンが上死点にある時のシリンダーの容積

・「シリンダー容積」－「燃焼室容積」＝１気筒における「排気量」
・「排気量」×「気筒数」＝「総排気量」（通称「排気量」）

・例：軽自動車：3気筒で660 ㏄（1気筒＝220 cc）
・例：ヴィッツRS：4気筒で1496　㏄（1気筒＝374 cc）

・軽自動車では３気筒、１０００～２０００㏄では４気筒、
　それ以上だと６気筒が一般的
・近年ダウンサイジングが広まっている



◆ダウンサイジングエンジン

・総排気量を小さくする、気筒数を減らす
・過給機と併用するのが一般的

＜メリット＞
・排気量の減少で「ポンプ損失」の低減
・排気量＆気筒数を減らして「機械的損失」の低減
・気筒数を減らして「冷却損失」の低減
・軽量化で燃費の向上

＜デメリット＞
・発進時のトルクが不足する（これを過給機で補う）



◆過給機

・吸気を圧縮することによって、実質的な排気量を大きくする機構
・出力向上のためが主流だったが、今は低回転トルク補強の目的も多い
・過給機を備えていないエンジンを自然給気エンジンや
　ノーマルアスピレーションを略したNAエンジンと言う

＜メリット＞
・圧縮比を上げることによって出力を向上する
・低速からの加速の場合トルクが得られる
・ディーゼルエンジンにおいては、圧縮比が上がることによって
　燃焼効率が良くなり、窒素酸化物が減少するので相性が良い。

＜デメリット＞
・圧縮した空気は１３０～１４０の高温になるため、吸気を冷やす
　「インタークーラー」等の設置が必要となる。取付場所も限られる。
・圧縮比が高くなるので、ノッキング（異常燃焼）が発生しやすい。
　（冷却性能が高い直噴式を併用採用する場合も多い）



＜ターボチャージャー＞
・排気ガスの圧力を利用して、吸気を圧縮する仕組み



＜スーパーチャージャー＞
・クランクシャフトの回転を利用して、吸気を圧縮する仕組み





ターボやスーチャーに関しては、構造や仕組み、圧縮比やノッキングも含め、また追って勉強します。
　　△△ミラーサイクル＋スーチャー
　　△△ターボとスーチャーを2基掛けしたスーパーターボ
　　△△シーケンシャルツインターボ

◆空燃比

・空気と燃料の比率
・A/Fともいう（エアフューエルレシオ）

・ガソリンを燃焼させる空燃比は「14.7：1」であり
　これを「理論空燃比」という（軽油もほぼ同じ比率）



・燃料を濃くし出力を優先する比率を「リッチ」
　＝　出力空燃比（12.5：1付近）
・燃料を薄くし燃費を優先する比率を「リーン」
　＝　経済空燃比（16：1付近）

・燃焼可能な空燃比は8：1～20：1付近
・冷感時は燃料が燃焼しにくく非常にリッチ傾向となり
　排気臭もガソリン臭くなる（空燃比＝5:1など）



◆ガソリン車の燃料噴射

・燃料の供給方法はポート噴射式と直噴式がある。
・ガソリン車は「スロットルバルブの開ける量」によって「空気量」を調整し
　「空気量に応じた燃料」を噴射して出力を上げる仕組み



◆ディーゼル車の燃料噴射

・燃料の供給方法は一般的に直噴式。
・燃焼膨張工程で噴射された燃料は
　完全燃焼する「理論空燃比」になった個所から順次爆発する。
・スロットルバルブはなく、燃料噴射量で出力を制御する。



◆ポート噴射式（PFI：ポートフューエルインジェクション）



＜メリット＞
・「混合気」となってシリンダーに行くため燃焼効率がいい
・吸気バルブの裏側の洗浄
・インジェクターが直噴に比べて壊れにくい

＜デメリット＞
・燃料が吸気ポートの壁や吸気バルブの裏に付着するので
　「空燃比」を変化させた際の応答性が悪い
・多めに燃料を吹くので燃費が少し悪い。
・不完全燃焼ガスが10%ほど増える。



◆直噴式（DI：ダイレクトインジェクション）



＜メリット＞
・「空燃比」を厳密に制御でき応答性が高い
・トルクに応じた燃料量なので燃費改善に繋がる。
・噴射は吸気工程でも圧縮工程でも行える
・吸気工程で噴射すればシリンダー内の温度を下げられる
・燃焼室内に直接吹き込むので燃料管理がしやすい。
・始動直後の冷間には燃料の気化や霧化に優れる。
・冷間時「弱成層燃焼」により始動性を高められる
　※弱成層燃焼：点火プラグ付近に噴射してリッチ部分を作る

＜デメリット＞
・空気と燃料の混合する時間が短いため、
　混合気が均一にできない（「均質燃焼」されない）
・高圧のシリンダーに直接噴射するので、
　耐えうる専用の燃料ポンプが必要で、コストも高くなる
・吹き返しがあるので吸気バルブ裏が汚れる
・ガソリンの質に直で影響を受ける



※デュアルインジェクション：
　ポート噴射式も直噴式も両方搭載し、良い所取りをしているエンジン



◆余談：超希薄燃焼（ウルトラリバーン）

・直噴とピストン形状で「燃料の塊」を点火バルブ付近に作ることによって
　部分的に「理論空燃比（14.7：1）」を作って燃焼させる事
・これを「均質燃焼」に対して、「成層燃焼」という
・シリンダー全体だと50：1程の比率でかなり薄い燃料で済む
・空気量も多いのでポンプ損失も低減される
・デメリットとして燃費は改善されるが、大気汚染物質が増える
　技術的に排ガスの処理が難しくコスト高となるため採用されなくなった

馬力だとかトルクだとか全然関係わかりません笑！！
という事で、エンジンの性能についてと、効率と損失のお勉強。



◆エンジン特性

エンジン性能曲線図


・回転数（r.p.m）
　１分間に「クランクシャフト」が回る数
　単気筒１０００回転だとしたら５００回爆発している
　４気筒だと２０００回爆発している

・トルク（N・m）
　軸を回転させる力の事
　「最大トルク」を頂点に山型を描く
　出力の勢いを付けるために作用
　トルク範囲を広げるため台形になるよう研究されている

・出力（W、馬力、ps、HP）
　一定時間の仕事量
　「最大出力」を頂点に山型を描く
　1 ps（1馬力、1 HP） ＝ 735.4 W
　「最大トルク」を超えても回転数が増えれば増大していく

・燃料消費率（g/W・h）
　一定の出力を発揮するための燃料の量
　g/W・h ＝ 1Wあたり、1時間で何グラム消費するか
　「最低燃料消費率」を頂点に谷型を描く
　低燃費範囲を広げるため台形になるよう研究されている



所感：
出てくる用語がごちゃごちゃだったのですが整理できました。
馬力とトルクって同じだと思っていたし。
トルクの山と、出力の山が違うのも「え、何で」って最初は？でしたが
出力値を上げるために手伝うのがトルクって考えたらスッキリ。





◆エンジンの効率・損失

・エンジンを動かす目的に変換できたエネルギーを「効率」
　それ以外に変換されたエネルギーを「損失」
・全エネルギーの内「効率」はmax.30％前後程度
・「損失」を低減して「効率」を高めると燃費が向上する
・昨今、各メーカーこの損失を少なくすることによって
　「ＣＯ２削減」「燃費向上」「地球環境の保護」に努めている。


＜損失の種類＞
※ここではエンジンとその周辺のみ
　タイヤの転がり抵抗や空気抵抗等での損失は含まれない。

・排気損失
　吸気よりも排気の方が「温度が高く圧力も高い」のは
　爆発がピストンを押した力が余るからであって損失となる

・冷却損失
　各所高熱になるためそれを冷却する必要があるが
　「冷却するため」に放出された熱は損失となる

・ポンプ損失
　吸気は常に排気側に流れようとするが
　スロットルバルブ開度が小さいとスロットル以降の
　「負圧が大きくなり」それが損失となる

・機械的損失
　エンジン内部の部品の摩擦は損失となる

・未燃損失
　燃焼効率が悪いと燃料が燃焼せず損失となる

・補機駆動損失
　エンジン周辺の駆動に使われる運動エネルギーは損失となる

・放射損失
　エンジン自体が持つ熱が放出され損失となる


所感：
全エネルギーの内max.30％しか駆動エネルギーに変換されていないのはびっくり。
それだけ車を動かす事ってものすごいエネルギーがいるんですね…。
でもマツダのクリーンディーゼル？が「排気の熱を再度循環させて」うんぬんって
話を聞いたことあるんだけど、それもエネルギーロスの軽減って事だよね。

　　△△クリーンディーゼルの仕組み