吸気冷却によるガソリン機関の熱効率向上

摘要

ガソリン機関の熱効率向上が強く望まれている．熱効率の向上に対して，高圧縮比化は有効である．しかし，圧縮比を高めると，特に高負荷運転時にノッキングが問題となる．これを回避するために，一般には点火時期が遅角化されるが，点火時期の遅角化はサイクルの等容度を低下させ，熱効率を低下させる．点火時期を遅角化させることなくノッキングを抑制するためには未燃ガスの圧縮温度を低下させることが重要である．機関の冷却系の工夫によりノッキングを抑制する手法として，吸入空気への熱伝達を抑制するために，燃焼室内一部の壁温を局所的に低下させることの有効性などが報告されている．また，可変バルブタイミング機構を利用して，吸気弁閉時期を遅角化し，有効圧縮比を低下させることで，未燃ガスの圧縮温度を低下させる方法は広く利用されている．しかし，吸気閉弁時期を遅角化した場合，圧縮行程中に吸気弁が開いているため，一度筒内に充填された新気が吸気ポートに逆流する結果，吸気ポート内のガス温度の上昇を招く．これを踏まえると，吸気弁遅閉じに加えて，ポート内での吸気冷却効率を高めれば，より効果的にノッキングを抑制できることが期待できる．一方，最適点火時期での運転が可能な部分負荷運転時には，ポンプ損失や未燃損失が熱効率に与える影響が相対的に大きくこれらの損失低減が重要である．著者らは，冷却水温度がガソリン機関の熱効率に及ぼす影響を実験的に調べ，全負荷運転時には冷却水温度を低下することで，吸気温度が低下してノック限界点火時期を進角でき，熱効率が向上，最高出力が増大することを確認した．一方で，低負荷，部分負荷運転時には，冷却水温度や吸気温度を高くすることで，同じ吸入空気量を得るための吸気圧力が上がり，ポンプ損失が低くなることなどを確認している．低負荷，部分負荷運転時には吸気温度を高めることで熱効率の向上が期待できる．すなわち，吸気ポートにおける熱伝達を促進し，運転負荷に応じて吸気温度を制御することでガソリンエンジンの熱効率を高められることが期待できる．本研究は，ガソリン機関の熱効率を向上する方法として，吸気ポートにおける吸気温度制御を提案するものであり，量産の四気筒ガソリン機関の吸気ポートに装着する熱交換器を新たに提案し，吸気温度制御による熱効率向上効果を実験的に検証することを目的とする．