リーンバーンとは？希薄な混合気を使って燃費向上を図る燃焼手法【自動車用語辞典：エンジン燃焼編】

■燃費向上が求められているエンジンにとって、リーンバーンは永遠のテーマ

一般的なガソリンエンジンでは、三元触媒で排出ガスを浄化するために空燃比(吸入空気量/燃料量の重量比)は、理論空燃比14.7に設定しています。燃費を向上させる最も効果的な手法は、20以上のリーン(希薄)空燃比で運転することです。

燃費向上手段として長く注目され研究が進んでいるリーンバーンエンジンについて、解説していきます。

エンジンに吸入される空気と投入される燃料の重量割合を空燃比と呼びます。燃料と空気が過不足なく燃焼する理論空燃比は、約14.7です。

リーンバーンとは、空燃比が理論空燃比14.7よりも大きい、すなわち燃料が少ない(薄い)混合気の燃焼です。実際には、空燃比が約20以上の燃焼をリーンバーンと呼びます。

リーンバーンが実現できれば燃費は向上するので、昔から燃費向上の有効な手法として研究されています。

1996年、三菱がGDI(直接燃料噴射)リーンバーンエンジンを市場投入しました。

GDIエンジンは、量産初の直噴エンジンでしかも燃費に優れたリーンバーンを採用した、当時としては画期的なエンジンでした。続いてトヨタや日産も、直噴リーンバーンエンジンを少量ですが、市場に投入しました。

GDIでは、燃料噴霧形状と球状のピストンキャビティ、タンブル流(縦渦)を組み合わせてリーンバーンを実現しました。これは成層燃焼方式と呼ばれ、着火を確実にするために点火プラグ付近だけリッチ(燃料を集中)にして、燃焼全体としてはリーンな混合気で安定燃焼を成立させる手法です。

当時のリーンバーンは十分に完成された技術とは言えず、煤発生によるカーボンデポジット(堆積)やオイルの汚損、運転の仕方によっては燃費向上分が目減りするなどの問題がありました。さらに次期排ガス規制に対してNOxの適合が困難であったため、10年程度で市場から消えていきました。

リーンバーンによって燃費が向上するのは、以下の３つの理由からです。

・ポンプ損失の低減

リーンバーンでは、同一出力を得るための吸入空気量が増えます。そのため、スロットル開度が大きくなるため、ポンプ損失が低減します。

・冷却損失の低減

リーンバーンでは相対的に燃料量が少ないため、燃焼速度が遅くなります。燃焼が緩慢になると、燃焼温度が低下し、燃焼室やシリンダー壁面から冷却水に奪われる冷却損失が低減します。

・比熱比の上昇

熱効率は、下記の通り圧縮比と比熱比で決まります。圧縮比と同様、比熱比が高いほど熱効率は向上します。

熱効率 = 1 – (1/ε)κ-1 　ε：圧縮比　κ：比熱比

比熱比は、定圧比熱(圧力一定での比熱)と定積比熱(体積一定での比熱)の比で表されます。

空気の比熱比が1.4と最も大きく、理論空燃比の混合気で1.26程度まで下がります。リーンバーンは混合気が薄い、空気に近づくので比熱比が上昇し、熱効率が向上します。

かつて採用された成層燃焼によるリーンバーンは、まだ当時の課題が完全に解決しているとは言い難く、採用するためにはブレークスルー技術が必要です。

現在、リーンバーンを実現するためのいくつかのコンセプトが提案されていますが、最も有望なのはHCCI(予混合圧縮着火)ガソリンエンジンです。HCCIによって、部分負荷領域ではNOxがほとんど発生しないほどの超リーンバーン(空燃比で30以上)で運転でき、大幅な燃費向上が達成できる可能性があります。

多くの自動車メーカーは、2020～2025年に熱効率45%を達成するという目標を掲げています。実現のためのシナリオには、必ず空燃比30以上の超リーンバーンが取り上げられています。

2019年12月に、マツダから一部の運転領域でリーンバーンのSPCCI(火花点火制御圧縮着火)方式を採用したエンジンを搭載したモデルが発売されており、今後の進化が期待されます。

(Mr.ソラン)

某自動車メーカーで30年以上、自動車の研究開発に携わってきた経験を持ち、古い技術から最新の技術までをやさしく解説することをモットーに執筆中。もともとはエンジン屋で、失敗や挫折を繰り返しながら、さまざまなエンジンの開発にチャレンジしてきました。

EVや燃料電池の開発が加速する一方で、内燃機関の熱効率はどこまで上げられるのか、まだまだ頑張れるはず、と考えて日々精進しています。夢は、好きな車で、大好きなワンコと一緒に、日本中の世界遺産を見て回ることです。

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