内燃機関超基礎講座 | EGRがガソリンエンジンのポンピングロス低減になる仕組み

ひとつの発明が、当初の目的を超えたところで活用され、いつの間にか主役になるという例は多い。ガソリンエンジンでのEGRの場合、現在のおもな用途はポンピングロスの低減であり、これは思いもよらなかった副産物である。そして現在でも、将来に向けたEGRの挑戦は続いている。


TEXT：牧野茂雄（MAKINO Shigeo）

　ガソリンエンジンではスロットルバルブによるポンピングロスを抑える方法としてEGRが利用されている。スロットルバルブを少ししか開けない運転領域こそガソリンエンジンでは多用されるから、この状態でポンピングロスを低減できれば、バルブリフト&バルブタイミングで吸気制御を行なうノンスロットリング・システムを導入したのと同じ効果を部分的には得られる。「部分的に」という理由は、燃焼不安定になるためガソリンエンジンでのEGR率が20%を超えられないことである。もし、さらに多量のEGRをかけることができるようになれば、ポンピングロスはさらに低減されるのだが。

【EGRを用いない場合】


① スロットルが絞られると


スロットルバルブがこのように「ほんの少しだけ開いた状態」では、外気を取り込める量が少なくなる。すると、吸気ポートからシリンダー内にかけて負圧が生じる。吸気中だからピストンは下降しているが、シリンダーの負圧が抵抗になる。




② シリンダー内が低圧力に


吸気行程だからピストンは下降している。しかし、吸入される空気量が少ない。そのため、ピストン下部3に比べてシリンダー内2の圧力が低い。ちょうど、注射器で空気を吸い込んでいるような感じである。




③ ポンピングロスが発生


ピストンの下側は大気圧。上は低圧。だからピストンの下降が大気圧の抵抗を受けて鈍るポンピングロス（ポンプ損失）が発生する。日常走行ではスロットル開度が小さいところを多用するから、実用燃費に影響が出る。

【低負荷時におけるEGR導入】


① スロットル開度が小さくてもポンピングロスにならない


上の図と同じスロットル開度である。外部からスロットルバルブを通過してシリンダー内に入ってくる空気量は少ない。したがってポンピングロスが発生する状況である。しかし、スロットルバルブの下流でEGRを行なうと状況は変わる。EGRガスの流入によりシリンダー内の負圧が減少するためだ。近年の低負荷EGRは、このようにポンピングロスの低減効果を得るために利用される。排ガス浄化や燃焼温度よりもむしろ、こちらのほうが主流であるケースが多い。

【高負荷時におけるEGR導入】


① 高回転域ではノッキング防止効果を得られる


高負荷領域ではスロットルバルブが全開になり、外部から空気がどんどん入ってくる。高圧縮エンジンや過給エンジンでは、ノッキングを防ぐために大幅な点火リタードを行なうことから、空気が入った割にはトルクが出ないという問題がある。そこで、クールドEGRを導入すれば、酸素濃度が低下してノッキングが起こりにくくなるので、点火時期を進めることができる。EGRが入った分は空気の量が減少するが、エンジンによっては点火時期を早めたことで、逆にトルクが大きくなる場合がある。また、排気温度が低下するので燃料リッチ化(排気温度を上昇させる目的)も不要になる。これからの主要技術になるだろう。