エンジンテクノロジー超基礎講座037｜畑村博士に訊く点火と燃焼の基礎知識—ノッキングを知ればエンジンがわかる

ハイオクは燃えにくいガソリン？

──ノッキングを避けるという意味では、ハイオクが使えたらラクなんでしょうか？
畑村：そりゃすごくラクんなるよ。ハイオクは自己着火しにくいんで異常燃焼も起こりにくい。

──おそらく一般的には、ハイオクのほうがガンガン燃えるっていうイメージだと思うんですよ。ハイパフォーマンスカーほど、ハイオク指定になっていますから。
畑村：そうかも知れんが、実際には高性能なエンジンほどノッキングが厳しいんでハイオクを使いとうなるいうことじゃ。

──ハイオクとレギュラーの違いはオクタン価だとは知っているのですが、このオクタン価とは具体的に何の値なのでしょうか？
畑村：ガソリンの成分中には自己着火しにくくて耐ノック性の高いイソオクタンに近い成分から、自己着火しやすいノルマルヘプタンに近い成分まで、いろんな炭化水素が混ざっておる。オクタン価とは、前者のイソオクタンの容積比のことじゃ。オクタン価が100ならイソオクタンと同じで、自己着火しにくいということになる。50ならイソオクタンとノルマルヘプタンが半分ずつと同じということじゃ。

──日本もヨーロッパも、ハイオクはおおむねオクタン価100ですが、レギュラーは日本が90なのに対し、ヨーロッパは90のレギュラーとの間に95があって、これが普通に使われているようです。この差の影響はいかがでしょう？
畑村：オクタン価90と95はえらく違う。95と100はそれほど違わん。エンジンは容積比にして9と10の間にすごく大きい効率の差があるんじゃが、オクタン価95が使えると、過給でも容積比10がラクにいける。その一方で、オクタン価100を指定して容積比を11にしても、9を10にしたときほどの性能差はない。14を15にしても同じこと。とにかくオクタン価95が使えることが大きい。それが使えんけえ、日本は過給ダウンサイジングで出遅れてしもうた。

ではディーゼルエンジンはどうか

──軽油ではセタン価と言いますが、オクタン価とは違うものなのですか？
畑村：こっちはオクタン価とは逆で、高いほど自己着火しやすいんじゃ。ディーゼルは燃料が自分で着火してもらわんと困るんで、セタン価が高い方が都合がええ。

──そうなるとノッキングが気になってきますが、大丈夫なのですか？
畑村：そもそもディーゼルの場合、ガソリンのようなノッキングは起こらん。ガソリンはプラグによる点火じゃけ、燃え残ったところでノッキングが起こる。しかしディーゼルにはプラグがないけん、起こりようがない。じゃがそれとは別に、ディーゼルノックいうんがある。アイドリングのとき、カンカンっていうやつよ。噴霧された燃料の着火が遅れると、その間に軽油が蒸発して出来た混合気が一気に自己着火燃焼して温度と圧力が急激に上昇してしまう。ま、現象としては「広範囲に渡る自己着火」じゃけ、ガソリンのノッキングとおんなじなんじゃ。じゃがそこに至る過程がまったく違う。

──深刻な現象という意味ではガソリンのノッキングと同じですね。
畑村：いいや、被害もディーゼルのほうが小さい。なぜかと言うと、ディーゼルノックは負荷の低いところで起こるからじゃ。温度が低いけ火がつくまでに時間がかかって、それでノッキングが起こる。そういう状況じゃったら、エンジンにたいしたダメージは残らん。負荷の高いとき、まわりの温度が高いときに起こるガソリンのノッキングとは別モノなんよ。

ノッキングを把握するための手段

──温度が高いときに起こるということで思い出したのが、燃料冷却という言葉です。まず素朴な疑問として、燃料を噴くことで温度なんて下がるのですか？
畑村：蒸発するときに熱が奪われるんじゃ。いわゆる気化熱というやつ。直噴ならけっこう効果があるんじゃ。ポート噴射じゃったら基本的に吸気バルブが閉じているときに噴くからポート壁とバルブの熱を奪うだけで、シリンダー内の温度を下げる効果はほとんどない。

──でもガソリン直噴などなかった頃から燃料冷却ってあったような気がするのですが。
畑村：それは、高回転高負荷域になるとたくさん燃料を噴くんでほぼ噴きっぱなしになって、そこで一定の効果が得られたということ。吸気バルブが開いているときに吸気流に乗って、燃料が液滴のままシリンダー内に入る。そこで蒸発して直噴のような冷却効果をもたらすんじゃ。ハッキリ言うて混合気形成はでたらめになる。じゃが確かにノッキングの抑制にはつながる。

──ここまでの話を整理しますと、ノッキングを抑えるには、圧縮比を下げる、点火時期を遅らせる(リタード)、効果的に冷却する、そしてオクタン価が高い方がラク、ということになりますね。このなかで、二番目の点火時期を除けばすべて設計段階で決まるもので、逆に言うと点火時期のみ、エンジン稼働中の制御の話とも言えます。実際、リタードとはどのようにして行なうのでしょうか？
畑村：ノックセンサーがシリンダーブロックの振動をモニタリングしとって、ノックが起こったらすぐさまリタードする。

──ドコについているのでしょうか？
畑村：エンジンによって違うけれども、だいたいブロックの上のほうじゃ。腰下なんかだとほかの振動も拾ってしまう。で、ひとつでなんとか対応したいんで、全気筒を上手くセンシングできる場所を探すんよ。じゃがV型や水平対向はどうしてもふたつになることが多い。

──ケチらず4つつければ、もっと緻密な制御ができるのでは？
畑村：ひとつですむならひとつでええ。それに、今はともかく昔はすごく高価なパーツじゃった。市販車につけられるようになったんは1980年頃じゃったかのお。それも一部の過給機つきモデルだけじゃった。

──そうだったんですか。でも、今はシミュレーション技術が発達しているじゃありませんか。例えばこうしてこうなるとノックが起こるはずだから、その場合はあらかじめリタードする、なんていう制御がセンシングなんかしなくてもできそうな気もするんですが。
畑村：そんな計算通りにはいかんよ。もちろんあらかじめノックせんようなマップは作るにしても、リタードすると燃費が悪うなるけえ、できるだけ避けたいわけよ。それに気圧や湿度や吸気温度の違い、それからエンジンの個体差なんかもある。そこはノックセンサーでしっかり監視して、ギリギリの制御をせにゃあいけん。

──ノックセンサーが採用される以前はどうしていたのでしょうか？
畑村：マージンを多めに取っていたんよ。当時は容積比が8～9と、今よりもかなり低かった。当然、燃費も悪かった。

できるわけないと思われていた高圧縮比エンジン

──今や容積比が10を超えるのは普通で、マツダ・デミオのようにレギュラーガソリン仕様で14という凄まじいエンジンも出てきています。この14というのは、耐ノッキングという視点からみると、やはり驚異的な数字なのでしょうか？
畑村：デミオが出るまでは、みんなできるわけないと思うとったんじゃ。

──どんな技術的ブレイクスルーがあったんでしょうか？
畑村：できると思うてやったからできたんじゃ（笑）。それまでは、どのメーカーも容積比10を11にして、次は11を11.5にして、ってチョコチョコとやっとった。でもマツダはHCCIを研究するようになって、そのおかげでHCCIの高めの容積比について色々とわかるようになった。今度はその容積比15のまま通常のSI（スパークイグニッション）で回してみたら、意外とトルクが落ちないことを発見した。簡単に言うと、そういうことじゃ。

──ここまでお話を伺ってきて、エンジンの開発というものは、すなわちノッキングとの戦いそのものといった印象を受けました。
畑村：火花点火エンジンの燃費や効率を追い求めると、必ずノッキングの壁にぶつかる。そこをどうクリアするか、それが昔も今もエンジンの最も重要な研究課題じゃのお。