エンジンの熱勘定とは?エンジンからどれだけ動力を取り出せるかを示す概念【バイク用語辞典:エンジン出力向上編】

■ガソリンエンジンの熱効率は、最高で40%、通常運転では15~30%程度

●エンジンが失う損失は、排気損失、冷却損失、機械損失、ポンプ損失など

出力を向上させ燃費を良くするためには、熱効率を上げることが基本です。エンジンの燃焼による発熱量は、冷却損失や排気損失など各種の損失によって一部が失われ、最終的に出力として取り出されます。

エンジンで発生する有効仕事と損失の割合を示す熱勘定について、解説します。

●エンジンの熱勘定とは

ガソリンエンジンは、ガソリンをシリンダーの中で燃焼させてピストンを押し下げ、その直線運動の力をクランクシャフトで回転運動の力に変換して動力として取り出します。言い換えると、エンジンはガソリンの持つ燃焼エネルギーを機械エネルギーに変換する熱機関です。

この変換効率が熱効率に相当し、熱効率が高いほど出力が上がり、燃費が良くなります。

ガソリンエンジンの熱勘定
ガソリンエンジンの熱勘定

エンジンの燃焼による発熱量を100%として、エンジンの出力として取り出される有効仕事と、さまざまな損失(冷却損失、機械損失、ポンプ損失、排気損失、燃料の未燃損失)の割合を示すのが、熱勘定です。

一般的なガソリンエンジンの場合、有効仕事として取り出せる割合(熱効率)は、最高で40%程度、残りは熱などによって捨てられます。通常の運転では損失の割合は大きく、有効仕事の割合は15~30%程度と少ないため、出力や燃費を向上させるにはこれらの損失を減らすことに他なりません。

●さまざまな損失

一般的には、エンジンの損失の中では排気損失が最も大きく、冷却損失、機械損失、ポンプ損失の順に小さくなります。

・排気損失

シリンダー内で燃焼した後、まだエネルギーを持った高温、高圧の排ガスとして捨てられる損失です。排気損失を減らすには、エンジン内で十分に仕事をさせて排気温度を下げることが有効であり、圧縮比を上げることや燃焼速度を速くすることが具体的な改善法です。

・冷却損失

エンジンの燃焼室やシリンダーライナは高温になるので、周辺に冷却水を循環させて冷却します。そのため、燃焼による発熱量の一部は壁面を通して冷却水に奪われて失われます。

冷やし過ぎると熱損失と機械損失が増大し、冷却水温度を上げると異常燃焼が発生、エンジンの耐熱温度を超えて焼き付くリスクが発生します。クルマでは、運転状態に応じて冷却水温度を最適化する制御が採用されています。

・機械損失

フリクションとも呼ばれ、エンジンを構成する部品が摺動運動するときに接触表面で発生する摩擦損失です。ピストンとシリンダー間やピストンリングとシリンダー間の摩擦、コンロッドメタルやクランクメタルの摩擦、吸・排気弁を駆動させるカムシャフトや弁駆動時の摩擦などです。

また、オイルポンプやウォーターポンプ、オルタネーターなどの補機駆動損失も含まれます。

・ポンプ損失

ガソリンエンジンは、スロットル開度で吸入空気量を調整して出力を制御します。全開運転でなく、スロットルを絞る部分負荷運転では、空気を吸入する際にポンプ損失が発生します。ポンプ損失というと吸気行程ばかりが注目されますが、正確には排気行程で燃焼ガスを押し出す場合の損失もポンプ損失に含まれます。

・その他

その他にも、高温になるエンジンから放射熱による損失や燃焼で燃え切らないガソリンが未燃のまま排出される未燃損失などがあります。


エンジンの熱勘定を見れば、燃焼によるエネルギーが有効仕事として取り出されている割合や各損失の寄与度が分かります。出力を向上させるには、燃焼による発熱量を増やす(吸入空気量を増やす)か、各種の損失を減少することがポイントです。

(Mr.ソラン)