■圧縮比を上げるほど熱効率は向上するが、ノッキングが発生しやすくなる

●燃焼室形状や燃焼室周りの冷却性の最適化がノッキング抑制のポイント

高出力かつ低燃費を両立するためには、できるだけ圧縮比を高くすることが重要であり、エンジンの基本です。ただし、圧縮比を上げるとノッキングが発生しやすくなるので、圧縮比の向上には限界があります。

ノッキングの発生を抑えて圧縮比を上げる手法について、解説していきます。

●圧縮比と熱効率

圧縮比の定義
圧縮比の定義

圧縮比とは、「シリンダー内の空気または混合気(空気+燃料)が、ピストン上昇によってどれくらい圧縮されるか」の割合を示す指標で、次の計算式で表されます。

圧縮比=(燃焼室容積+排気量)/燃焼室容積

圧縮比と熱効率
圧縮比と熱効率

ガソリンエンジンの理論サイクル(オットーサイクル)では、熱効率は以下のように圧縮比と比熱比で表すことができます。

熱効率 = 1−(1/ε)κ-1
(ε:圧縮比、κ:比熱比=低圧比熱/定積比熱、空気の場合は1.4)

圧縮比が高いほどエンジンの熱効率は向上し、出力と燃費が向上します。

●ノッキングと圧縮比設定

ガソリンエンジンは、圧縮比を上げるとノッキングが発生するため、一般的には圧縮比10〜13程度に設定されます。

ノックの発生メカニズム
ノックの発生メカニズム

ノッキングは、火花点火による火炎が到達する前に、燃焼室端部の未燃ガスの温度が上がって自着火してしまう現象です。自着火は高温高圧の激しい燃焼なので、燃焼室内で高周波の圧力振動が起こり、カリカリといった音が発生します。最悪の場合は、過昇温によってピストンが溶けてしまう原因にもなります。

燃焼室端部の混合気温度が上がりやすい以下の条件で、ノッキングは発生しやすくなります。

・高圧縮比エンジンや過給エンジン

・エンジン本体や冷却水温度、あるいは吸気温度が高い場合

・点火時期が進角し過ぎている、混合気が薄い(燃料が少ない)場合

・燃料のオクタン価が低い場合

過給エンジンの場合は、ピストンで圧縮する前に吸気が過給機によって圧縮されるので、圧縮後のシリンダー内温度が高くなります。そのため、過給エンジンはノッキングしやすいため、圧縮比は8〜9程度と低く設定されます。その分、燃費は悪くなってしまいます。

●ノッキングの発生を抑える手法

ノッキングの発生を抑えるには、混合気の圧縮温度を低減するために吸気温度を下げる、燃料温度を下げる、点火時期を遅らす、混合気を濃い目の設定にする、オクタン価の高いガソリンを使用することが効果的です。

ノック制御
ノック制御

燃焼室形状は、火炎伝播距離が短くなるようにコンパクトな燃焼室に、また燃焼室壁面やシリンダーライナの壁面温度を下げるように周辺のウォータージャケット(水通路)を最適化することが有効です。

一方で、制御によってノッキングを抑えることも一般的になっています。最近の高性能バイクは、様々なセンシング情報をもとに点火時期や燃料噴射量が電子制御されます。さらに、クルマのようにノックセンサーをエンジンブロックに装着して、ノッキングの発生を検出して点火時期を制御するモデルも登場しています。


バイク用エンジンは、小排気量でボア径が小さいのでクルマに比べてノッキングが発生しづらい特性があります。一方クルマほど精度の高いノック制御は採用していないため、圧縮比はクルマとほぼ同等でレギュラー燃料なら10〜11程度、ハイオク燃料なら12〜13程度です。

(Mr.ソラン)