二次空気導入装置

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二次空気導入装置(にじくうきどうにゅうそうち、Secondary air injection)とは、内燃機関に装備される排ガス規制への対策機器である。排気ガスの完全燃焼のために排気管内に新鮮な空気を噴射するものである。

概要[編集]

英語圏ではスモッグポンプ(Smog pump)やエアインジェクション(Air injection)と呼ばれる場合もあり、日本国内では二次空気噴射装置(にじくうきふんしゃそうち)や二次空気供給装置(にじくうききょうきゅうそうち)と呼ばれる場合があるが、国土交通省[1]環境省[2]の技術区分上は、エアポンプ等による強制噴射方式を二次空気噴射装置(AI)、リードバルブ式等の受動的な供給方式を二次空気供給装置(AS)として分類している。

エアポンプ式の中には商標としてAir Injection Reactor(A.I.R.)という名称を持つものもあり、日本車では1973年ロータリーエンジンマスキー法をクリアする際に用いられたサーマルリアクター(Thermal Reactor)がこの機器に含まれる。

二次空気導入装置は、排気ガスの有害物質をどの程度制御するかに応じて、または技術開発の過程により、排気システムのどの位置でどのような方法で空気が注入されるかが変化してきた。

アメリカで1966年に登場した二次空気導入装置は、シリンダーヘッド排気ポート付近やエキゾーストマニホールドなど、エンジンの燃焼室に非常に近い位置で空気の噴射を行った。このような機構は、排気管から排気ガスを排出する前に、排ガス中に含まれる未燃焼の混合気を再燃焼させる目的、すなわちこの機構のみで排ガスの完全燃焼を達成させる一次排ガス対策装置としての目的で酸素を供給するものであり、まだ燃焼室の形状分析が不十分であったり、点火装置が未成熟だった故に未燃焼ガスが多く発生しがちであった1960年代から70年代初期にかけての車両の排気ガスを大幅に減少させる効果があった。 触媒コンバータには耐用温度に限度があり、燃料やオイルが燃焼した時に排出される物質により被毒、清浄能力が低下する弱点があったが、本方式ではこれらの影響がないというメリットがあった。特に有鉛ガソリンが使われていた時代においては、鉛による触媒の能力低下は大きな課題であったため、二次空気導入装置のメリットは大きかった。

しかし、この機構での再燃焼過程には幾つかの特殊な条件が必要となる欠点があった。ひとつは再燃焼を開始するに際してエンジン自体からの熱とは別に非常に大きな熱が必要となった。再燃焼を促進させるためには常時ある程度以上の濃度の未燃焼ガスを供給し続ける必要があったためキャブレターストイキオメトリに適合しない濃い燃調にするか、点火装置に意図的に失火(ミスファイア)を起こさせる必要があり、再燃焼の際にはエキゾーストマニホールドが白熱(en:Incandescence)する程の熱が発生するため、排気バルブが破損しやすくなる要因にもなった。 この濃い燃調をとる、もしくは意図的に未燃焼ガスを排出する必要があるため、ストイキで運用される触媒コンバータを採用した車輌と比べる燃費面で劣った。

後に有鉛ガソリンから無鉛ガソリンに移行した事や、排ガス対策機器が洗練され、より効果的な処理が行える触媒コンバータが発達してきた事、イグナイターCDI等の強力な電子制御式点火装置の発達、燃焼効率のいい燃焼室などにより排ガス中の未燃焼ガス自体が減少してくると、二次空気導入装置は従来の一次排ガス対策装置としての役割から、触媒コンバータをより効率よく作動させるための二次排ガス対策装置としての役割にシフトした。

これ以降の二次空気導入装置は、場合によっては二系統の噴射位置の切り替えを行うようになった。初期の二次空気導入装置に見られた燃焼室にほど近い元々の空気噴射位置はアップストリーム側と呼ばれるようになり、暖機運転中などエンジンが冷えている際にキャブレターのチョーク機構や、燃料噴射装置の冷間増量の作動により発生する濃い排気ガスを速やかに浄化させるため、この位置で空気を噴射することで排ガスの再燃焼させると共に、再燃焼の熱で触媒コンバータを作動温度(en:Operating temperature)に出来るだけ早く到達させる効果を発揮した。エンジンが暖まると空気噴射位置は燃焼室からやや離れた位置の触媒内部または触媒後方の排気管内などのダウンストリーム側と呼ばれる箇所に切り替わり、触媒コンバータで処理しきれなかった炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)の浄化を補助することになる。

形式[編集]

エアポンプ式[編集]

エアポンプ式二次空気導入装置は、エンジンの回転によりベルト駆動するベーンポンプを使用する。ポンプの吸入口には遠心式フィルターが装着されており、エンジンに損傷を与えうる大きなゴミ粒子を遠心力で除去するようになっている。空気は噴射位置に大気圧以上の圧力で注入される。噴射位置への配管にはチェックバルブが取り付けられており、排気ガスがエアポンプに逆流してシステムが損傷することを防止している。

キャブレター式エンジンの場合、ドライバーが走行中急激にスロットルを戻す事で排気ガス中の未燃焼ガスの濃度が一気に薄くなる。この急激な濃度の変化でエンジンにダメージを与えない為に、ダイバータバルブと呼ばれる装置が用いられる。ダイバータバルブはスロットルの急激な閉鎖に伴うインテークマニホールド内の負圧上昇を検知して開弁し、大気中にポンプ圧力を開放する。この開放された空気圧が不快なポンプノイズとして響き渡ることを予防する為、通常は開放されたポンプ圧はエアクリーナーボックスに返送されるか、別の消音器を通して大気開放される。このダイバータバルブの動作形態は、ターボエンジンにおけるブローオフバルブに類似している。

吸引式[編集]

吸引式二次空気導入装置は、排気管内部の負の排気パルス(エキゾースト・スカベンジング)を利用して排気管に空気を吸い込ませるものである。吸気式二次空気導入装置の吸入パイプには、鋭敏に作動するリードバルブの一種であるアスピレートバルブが装着され、エアクリーナーボックスからの清浄な空気を取り込んでいる[注釈 1]。エンジンがアイドリングの時程、周期的な排気パルスが発生しやすくなる。この時に触媒コンバータ内部に直接空気を吸い込ませることで排気ガスの更なる浄化を促すのがこの形式の主旨である。

この形式はパルスエアという商標を持ち、アメリカン・モーターズクライスラーを始めとする様々なメーカーで1970年代から使用された。日本においては、1975年にスバルSEEC-Tシステムの一環としてEA71エンジンにこの形式を導入した事が契機となり、その後他社にも採用が広がった[3]。吸引式はエアポンプ式に比較してコスト、重量、パッケージング、構造のシンプルさなどで利点があり、アイドリング回転付近でのみ吸引機能を発揮する為、エアポンプ式に比べて送気量・実効回転数共に大幅に小さい欠点がある。

この形式はそのシンプルさ故に現在のオートバイ用エンジンでの排ガス対策に多く用いられる。代表的なものが、ヤマハAIS(Air Induction System)である。

サーマルリアクター[編集]

サーマルリアクターとは、日本車のガソリンエンジンで各種の触媒の利用が広まる以前に用いられていた二次空気導入装置の一種である。エアポンプ式の概念を更に発展させ、排気ガスを排気管内で再度強制的に燃焼させる区画をエキゾーストマニホールドとは別に設ける事で有害物質を取り除く技術である。日英中自動車用語辞典[4]では、「排気中のHC、COなどを熱酸化反応によって低減させる装置」と定義され、エアインジェクションとは明確に区分されている[5]

マツダのロータリーエンジンマスキー法をクリアする際に用いられた事で一躍その名が知られる様になった。ロータリーエンジンはレシプロに比べ排気温度が高く、状況により耐用温度を超える可能性があり、HCが多い場合では触媒がさらに高温になるため耐久性の面で触媒の採用は難しかった。一方でロータリーエンジンは未燃焼ガス(HC,CO)が多い反面NOxが少ないという点、触媒を被毒する有鉛ガソリンが流通していた当時の状況ではサーマルリアクターは触媒方式よりも好ましかった。 しかし排ガスを強制的に再燃焼させてクリーンにする為には、ある程度以上排気ガスが濃い条件である事が必須であった為、極めて初期のサーマルリアクター車は非サーマルリアクター車に比べて濃い燃調が要求され、燃費が却って悪化するという致命的な欠点が存在した。大気温と同じ冷えた二次空気を導入する際にサーマルリアクターも冷えてしまい、燃焼温度を一定に保つ為に更に濃い排ガスが要求される事も、燃費の面では不利になった。この為、只でさえレシプロエンジンより悪い傾向があったロータリーの燃費は更に悪化し、アメリカ市場ではガスイーター(正確にはガスガズラー)として売り上げを落とす結果を招いてしまった。

この欠点を克服する為に、マツダはサーマルリアクターに導入する二次空気を予熱するヒートエクスチェンジャー空冷エンジンカーヒーターと同じ技術である)を排気管の中途に装備。冷えた二次空気で排ガスの温度が低下する事を予防し、薄めの燃調でも再燃焼がスムーズに行われる対策を行う事で、1975年型コスモAPにおいて従来型比40%の燃費向上を実現。この一連の開発作業はフェニックス計画として知られる様になった[6]。後年のものは、ある程度以上リアクターの温度が上昇すると、エアポンプによる強制送気が自然吸気へと切り替わり、エアポンプからの送気はリアクター外面を冷却する経路に切り替わる複雑な制御となっていった。

サーマルリアクターは初期の三元触媒や酸化触媒と異なり、排気抵抗が殆ど無い事、高い排気温度にも対応でき、触媒が被毒により清浄能力が低下していくのに対し、理論的には低下がないなどの利点であったものの、ポンプやリードバルブ等などの補機類が必要(加えて前述の燃費対策により部品数は更に増加)であり、NOxの処理が出来ない、暖気時の清浄性が劣る、理論的には性能の低下がないとしても高温による部品の劣化がある、サーマルリアクター周辺は常に非常な高温になるなどの欠点から、各種触媒の排気効率や耐久性の向上、有鉛ガソリンから無鉛ガソリンへの移行した事で触媒の劣化が少なくなったなど、エンジンの改良を含め様々な要因により触媒に切り替えられ急速に廃れていった。

サーマルリアクターはその後他社のエンジンの排ガス対策でも他の対策機器と併用される形で一時用いられた。 エアポンプや吸引式といった、サーマルリアクターに関連した補機類はその後の排ガス対策でも残り続けたが、その後の型式では再燃焼の継続を最優先とした故に際限なく排気温度が上昇し続けたかつてのサーマルリアクターとは異なり、排気管の二重外殻化などにより排気温度を排ガスの浄化に適した一定の水準に保つ事で、熱害を最小限に抑える方式に改められている[7]

脚注・注釈[編集]

脚注

  1. ^ 自動車の燃費性能に関する公表 - 公表項目について
  2. ^ 大気環境保全技術研修マニュアル - 第7章 大気汚染防止技術 - 7.11 自動車対策 - 環境省 持続可能な開発に向けた国際環境協力
  3. ^ 日本の自動車技術240選 - EA-71
  4. ^ 自動車技術会『日英中自動車用語辞典』249ページ
  5. ^ 第2部 第2章 第3節 - 第4項 あらゆる可能性の追求 - トヨタ自動車75年史
  6. ^ ロータリーエンジンの開発 ”挫折そして意地"
  7. ^ 排出ガス対策を中心にしたスバルエンジンの開発 山岸曦一 - 社団法人自動車技術会

注釈

  1. ^ ターボエンジンの場合には専用の二次エアクリーナーから吸気する場合もある

関連項目[編集]

外部リンク[編集]