【自動車用語辞典:吸排気系「概説」】ガス交換だけでなく排ガス低減や燃費向上も担う重要な仕組み

■機能の高度化によって複雑化が進んでいる

●役割は4つに大別できる

燃焼に必要な空気をエンジンのシリンダーに供給し、シリンダー内で燃焼した後、不要な燃焼ガスをシリンダーから排出するのが、吸・排気系システムの役目です。

スムーズにガス交換をして高出力を実現するだけでなく、燃費や排出ガスを低減するために、さまざまな機構やシステムが搭載されている吸・排気系システムについて、解説していきます。

●吸・排気系システムの役割

吸・排気系システムの役割は、主として下記の4つです。

一つ目は、吸・排気効率を上げて、シリンダー内に大量の吸気を充填して出力を向上。二つ目は、吸気と排出ガスの絞り抵抗を減らして、ポンピング損失低減による燃費向上。三つ目は、触媒による排出ガスの低減。最後は、マフラーによる騒音の低減です。

吸排気系システム概要
ガソリンエンジンの吸排気系システムの概要

●吸気系システム

吸気系システムは、燃焼に必要な空気量を調整し、ECUが演算に使う吸入空気量を計量します。

吸入空気は、シリンダー内のピストンが下降することによってシリンダー内に吸い込まれるので、吸気圧力は負圧です。ターボなどで過給すると、吸気圧は正圧になります。

吸入空気は、まずエアクリーナで空気中の塵、ゴミなどが除去され、エアフローセンサーで流量が計量されます。その下流のスロットル弁によって吸入空気量を必要な量に調整され、サージタンク付の吸気マニホールドから各気筒のシリンダーの中に供給されます。

また、吸気脈動に起因する吸気騒音を低減するために、吸気レゾネーターが装着されているケースが多いです。

●充填効率

吸気効率の指標として、一般的なのは充填効率です。

体積効率は、1回の吸気行程で吸入した実質的な空気量を排気量(行程容積)で割った値です。これを標準状態(大気圧760mmHg、20℃、湿度60%)における値に正規化したのが充填効率です。

排気量と同量の空気がシリンダー内に供給された場合、充填効率は100%です。

●排気系システム

燃焼ガスは高圧なので排気弁が開くと同時に噴出し、その後もピストン上昇によって排気系システムを通じて大気に放出されます。充填効率を上げるためには、フン詰まりにならないように効率よく燃焼ガスを排出することも重要です。

各気筒から排出された燃焼ガスは、排気マニホールドへ排出され、排気管へ集められます。その後、触媒によって有害ガスが浄化され、マフラーによって排気騒音が低減されます。

吸気系と同様、損失が大きいと出力が低下するので、触媒とマフラーは極力圧力損失を小さくすることが肝要です。

●排気干渉の回避

各気筒の燃焼ガスの排出タイミングは、クランク角で180°ずれています。その結果、排気マニホールドの集合部では他の気筒と互いに干渉しあって逆流するなどの現象が起こります。この排気干渉によって、スムーズに排出ガスが抜けなくなり、充填効率が下がります。

これを回避するため、気筒ごとの排気管の長さや集合方法、形状などが最適化されます。

●EGR(Exhaust Gas Recirculation)システム

EGRシステムは吸・排気系ではありませんが、排出ガスの一部を吸気系に戻すという点から、吸・排気系と重要な係わりがあります。

EGRは、排出ガス(不活性ガス)の一部を吸気系に還流して、燃焼温度を下げ、NOxを低減する代表的な手法です。不活性ガスが吸気に混ざることによって、同一出力を得るためのスロットル開度が大きくなるため、ポンピング損失が減少し燃費が向上する効果もあります。


高出力だけを追求するのなら、エンジンに多くの空気を吸入して、スムーズに燃焼ガスを排出するような吸・排気システムで十分です。ところが最近の吸・排気系には、燃費や排出ガスを低減するためのさまざまな機構やシステムが搭載され、複雑化しています。

本章では、多くの役目を担って複雑化している吸・排気システムについて、詳細に解説します。

(Mr.ソラン)

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