内燃機関｜熱効率・燃焼・排出低減の基礎知識

内燃機関

内燃機関とは、燃料の化学エネルギーをシリンダ内部で燃焼させ、発生する高温高圧ガスの仕事で機械出力に変換する動力機械である。外部で蒸気を発生させる外燃機関に対し、燃焼室が作動流体と一体である点が特徴であり、比出力が高く小型軽量化に適する。自動車、建設機械、発電機、船舶、航空用レシプロなど広く用いられ、高効率化・低排出化・電動化との協調が進む。

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内燃機関

定義と作動原理

内燃機関は吸気・圧縮・燃焼（膨張）・排気のサイクルで運転する。火花点火（spark ignition）では点火プラグで混合気に火花を与え、圧縮点火（compression ignition）では高圧縮により自己着火する。燃焼圧力がピストンを押し下げ回転力に変換される。熱から機械へのエネルギー変換効率は、圧縮比、比熱比、熱損失、機械損失、未燃・壁面冷却損などに依存する。

歴史と分類

点火方式: 火花点火式（ガソリン系）、圧縮点火式（ディーゼル系）。
行程: 4-stroke、2-stroke。
機構: レシプロ、ロータリー（Wankel）、ガスタービン。
過給: 自然吸気、ターボチャージャ、スーパーチャージャ。

2-strokeと4-strokeの差異

2-strokeは1回転で出力行程を持ち高比出力だが掃気損失に課題がある。4-strokeは効率と排出に優れるが部品点数が多い。

熱力学サイクル

代表はOtto cycle（等容加熱）、Diesel cycle（等圧加熱）、Atkinson/Miller（膨張比拡大）である。理想Ottoの熱効率は圧縮比rと比熱比kによりη≈1−1/r^(k−1)で表され、rの増大で効率が向上するがノッキングや機械的強度が制約となる。

圧縮比と実効効率

ダウンサイジング＋ターボにより部分負荷効率を改善し、可変バルブやEGRでポンピング損失とNOxを抑える。ディーゼルは高圧縮比と希薄燃焼で高効率を達成する。

主要構成部品

シリンダブロック・ヘッド、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、バルブ機構。
吸排気系、ターボチャージャ、インタークーラ。
燃料供給（インジェクタ、ポンプ）、点火系（スパークプラグ、コイル）。
潤滑系、冷却系、ECU、各種センサ（O2、MAP、MAF、Knock）。

燃料と燃焼

内燃機関で用いる燃料はガソリン、軽油、LPG、CNG、バイオ燃料、e-fuel、アンモニアや水素まで多様である。ガソリンはRONによる耐ノック性、ディーゼルはセタン価による着火性が評価指標となる。混合気形成はPFIからGDI、ディーゼルは高圧コモンレールで微粒化と混合を最適化する。

ノッキングと着火遅れ

ノッキングは自着火に伴う圧力波で部品損傷と効率低下を招く。制御には点火時期、過給圧、EGR、吸気温度、水噴射などを用いる。ディーゼルの着火遅れは燃焼騒音やNOxと関連し、噴射率制御で緩和する。

性能指標

トルク・出力（bmech）。
熱効率・正味燃費（bsfc）。
充填効率、ラムダ（λ）、IMEP/BMEP。
過渡応答、比出力、耐久性。

排出ガスと規制

主要汚染物質はNOx、PM、HC、COである。ガソリンは三元触媒とλ制御で同時浄化、ディーゼルはDOC、DPF、SCRを組み合わせる。試験は規定の走行・定常サイクルで行われ、装置の劣化耐久とオンボード監視（OBD）が求められる。

後処理の要点

触媒活性温度の確保、硫黄被毒管理、尿素水供給の最適化、DPF再生制御が鍵である。熱マネジメントによって触媒温度と騒音・燃費の両立を図る。

応用分野

内燃機関は乗用車からオフロード機械、農業機械、船内機、非常用発電まで適用される。ハイブリッド化により高効率運転点へ固定し、バッテリと協調してシステム効率を引き上げる手法が一般化した。

設計・材料

ブロックはアルミ合金や鋳鉄、ピストンはアルミ鍛造、コンロッドは高強度鋼、バルブは耐熱合金を用いる。表面改質として浸炭・窒化、DLC、溶射が用いられる。疲労、熱応力、クリープ、潤滑境界条件の解析が重要である。

整備・診断

オイル・冷却液・フィルタの保全、燃料系の清浄度管理、圧縮圧力・リークダウン測定、振動・騒音監視、排気分析、OBD-IIデータの活用が有効である。異常燃焼や失火は排出と触媒劣化に直結するため早期対策が必要である。