ポンピングロス

ポンピングロス：内燃機関の隠れたエネルギー損失

内燃機関は、ピストンの往復運動によって空気を吸入し、燃焼後の排気ガスを排出します。この吸気と排気の過程で発生するエネルギー損失を、ポンピングロス（吸排気損失）と呼びます。まるでポンプのように空気を吸い込み、排気ガスを押し出す作業は、ピストンが作動ガスに対して行う仕事ですが、排気側の圧力が吸気側の圧力よりも高い場合、この作業は負の仕事となり、損失として現れます。この損失が、ポンピングロスです。なお、このポンピングロスを積極的に利用したものが、エンジンブレーキです。

ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの違い

ガソリンエンジンは、多くの場合、スロットルバルブを使って吸気量を調整することで出力を制御します。そのため、部分負荷時には吸気圧力が排気圧力よりも低くなり、ポンピングロスが増大します。全負荷時に比べて、より大きなエネルギー損失が生じるということです。

一方、ディーゼルエンジンはスロットルバルブを用いずに燃料噴射量で出力を制御するため、部分負荷時におけるポンピングロスの増加はガソリンエンジンほど顕著ではありません。しかし、作動ガスが吸排気バルブを通過する際の抵抗は常に存在し、ポンピングロスは発生します。これはガソリンエンジンと同様です。

ターボチャージャーを搭載したエンジンでは、過給中は吸気圧力が排気圧力よりも高くなることが多く、この状態ではポンピングロスは発生しません。むしろ、正の仕事となり、ターボチャージャーが排熱を回収する機構として機能していると言えるでしょう。

ポンピングロス低減のための技術革新

ポンピングロスを低減するための技術開発は、エンジンの効率向上に直結するため、活発に行われています。ガソリンエンジンにおいては、同一出力であればスロットルバルブを大きく開けることでポンピングロスを減らすことができます。このため、様々な技術が開発、導入されています。

代表的な技術としては、以下のものが挙げられます。

[排気再循環]: 排気ガスの一部を再循環させることで、燃焼温度を下げ、NOxの排出量を抑制しつつ、ポンピングロス低減にも貢献します。
リーンバーン: 空気過剰率を高めて燃焼させることで、燃料消費量を削減し、ポンピングロスを低減します。[窒素酸化物]排出の問題がありましたが、近年は技術革新により克服され、再び注目されています。
可変バルブ機構: バルブの開閉タイミングや開度を最適に制御することで、吸排気の効率を高め、ポンピングロスを低減します。
気筒休止システム: 負荷の低い状況では一部の気筒を休止させることで、ポンピングロスを削減します。
* ダウンサイジングコンセプト: エンジン排気量を小さくすることで、ポンピングロスを低減しつつ、ターボチャージャーなどで必要な出力を確保します。

さらに、トランスミッション制御との連携も重要です。ポンピングロスが大きくなる運転領域を避けるため、ギア比を最適に選択する制御技術が広く採用されています。これにより、燃費向上や排気ガス低減に貢献しています。

ポンピングロスは、内燃機関の効率を左右する重要な要素です。今後も、更なる低減技術の開発が期待されます。

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