リーンバーン

希薄燃焼（リーンバーン）技術の解説：燃費向上と排出ガス規制の狭間

希薄燃焼、またはリーンバーンとは、内燃機関において、理論空燃比よりも薄い混合気、つまり燃料に対して空気が過剰な状態での燃焼を指します。この技術は、燃費向上に大きな可能性を秘めていますが、同時に窒素酸化物（NOx）の排出増加など、克服すべき課題も抱えています。本稿では、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンなど、様々なエンジンにおける希薄燃焼技術の適用事例、その歴史、技術的課題、そして将来展望について詳述します。

希薄燃焼の原理と利点

希薄燃焼の根底にあるのは、スロットル（絞り）損失の低減です。従来のエンジンでは、低負荷運転時にスロットルを絞ることで出力を調整しますが、この際に発生するポンピングロスが燃費悪化につながります。希薄燃焼では、スロットル開度を大きく開けた状態を維持しつつ、燃料噴射量を減らすことで、同じ出力をより高い効率で実現します。

これにより、以下の利点が期待できます。

燃費向上: ポンピングロスの低減による燃費改善効果
出力向上: 高圧縮比の採用により、従来エンジンより高い出力と効率が得られる可能性がある
炭化水素排出量低減: 燃焼効率の向上により、未燃焼炭化水素の排出量が減少

希薄燃焼の課題：NOx排出増加と対策

しかし、希薄燃焼は完璧な解決策ではありません。最大の課題はNOx排出量の増加です。空気が過剰な状態では、燃焼温度が高くなり、NOxの生成が促進されます。そのため、希薄燃焼エンジンでは、NOxを低減するための高度な排出ガス浄化技術が不可欠となります。

具体的には、以下の対策が用いられています。

触媒コンバータの改良: 三元触媒に加え、NOx吸蔵還元触媒や、尿素SCRシステム、アンモニアを自家生成する触媒などが活用されています。
燃焼制御技術: スワール（横渦）やタンブル流（縦渦）の制御、精密な燃料噴射技術、多段噴射、EGR（排気ガス再循環）など、燃焼状態を最適化するための様々な技術が開発されています。
層状燃焼: 燃焼室内に燃料濃度の異なる層を作り出すことで、点火を容易にしつつ、平均空燃比を希薄に保つ技術。ホンダのCVCCなどがその代表例です。

各メーカーの希薄燃焼技術

様々な自動車メーカーが、独自の希薄燃焼技術を開発し、実用化してきました。代表的な例を以下に示します。

トヨタ: T-LCS、TTC-Lなど、リーンバーン制御システムと高性能点火装置を組み合わせた技術
ホンダ: CVCC、層状給気技術など、独自の燃焼制御技術で希薄燃焼を実現
三菱: MVVシステム、リーンバーン直噴エンジンなど、バーティカルボルテックス技術を用いた希薄燃焼技術
スバル: SEEC-T技術、CB18エンジンなど、希薄燃焼とターボチャージャーの組み合わせ
マツダ: Z-LEAN、SKYACTIV-Xなど、SPCCI技術による超希薄燃焼技術
クライスラー: Electronic Lean-Burn（ELB）システム
ダイハツ: DECS-L
スズキ: K6Aリーンバーンエンジン
日産: QGエンジン、RB20DEなど、可変バルブ機構と直噴技術を組み合わせた希薄燃焼エンジン
BMW: N43、N53エンジンなど、NOx吸蔵還元触媒を用いた希薄燃焼エンジン（後に撤退）
* ダイムラー: M274、M276エンジンなど、層状燃焼リーンバーンとターボチャージャーを組み合わせた技術

これらの技術は、それぞれ独自の工夫を凝らしており、燃費向上と排出ガス規制への対応という、相反する要求をいかにバランスさせるかに重点が置かれています。

ディーゼルエンジンと希薄燃焼

ディーゼルエンジンも、広義には希薄燃焼エンジンとみなすことができます。しかし、ガソリンエンジンと異なり、燃料と空気は燃焼前に完全に混合されず、局所的に濃い混合気が生じるため、粒子状物質（PM）の排出が多いという課題があります。このため、ディーゼルエンジンではDPF（ディーゼル微粒子捕集フィルター）などの対策が必須となります。

モータースポーツと希薄燃焼

モータースポーツにおいても、近年、ダウンサイジング化が進む中、希薄燃焼技術が注目されています。燃料流量が制限される環境下で、より高い出力を得るために、プレチャンバー技術などの高度な燃焼制御技術が研究開発されています。

まとめ

希薄燃焼技術は、燃費向上と排出ガス規制への対応という相反する課題に挑む重要な技術です。今後も、より高効率、低排出ガスを実現する新たな技術革新が期待されています。 様々な技術が開発され、実用化されてきましたが、その歴史と課題、そして将来展望を理解することで、より深い技術理解につながるでしょう。

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