燃焼室

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燃焼室(ねんしょうしつ)は、燃料燃焼する空間であり、熱機関に於いては燃焼(酸化)により熱エネルギーを発生する部位である。

内燃機関[編集]

ジェットエンジンの内燃室の模式図

内燃機関における燃焼室は、内燃室と呼ばれることもある。

燃焼で発生した高熱のガス(排気ガス)は、元々の燃料や混合気よりも遙かに大きな容積に膨張し、大きな圧力と熱量を放出する。例えば、ガスタービンの場合にはこの圧力を利用して軸に接続されたタービンブレードを回転させることが可能であり、ロケットエンジンの場合には噴射ノズルによって圧力が解放される方向を指定することで、圧力を推力として利用出来る。

レシプロエンジンなどは間欠燃焼であり、吸気によっても燃焼室表面の温度が下げられるのに対し、ロケットエンジンジェットエンジンガスタービンなどは基本的に連続燃焼であり、燃焼室の冷却は機関の寿命に大きく影響する。

レシプロエンジン[編集]

レシプロエンジンの燃焼室は、上死点付近にある時のピストンシリンダーシリンダーヘッドなどで囲まれた空間である。

ガソリンエンジンの燃焼室[編集]

通常はシリンダーヘッドに点火プラグ吸排気バルブが納まる何らかの形の凹みが設けられ、ピストン冠面やシリンダー上端部とともに「混合気を燃焼させる部屋」である燃焼室を形成する。時にはシリンダーヘッド側の凹み部のみを指して燃焼室と呼び、形状を分類する場合がある。またピストン冠面は必ずしも平面ではなく、自然吸気エンジンでは圧縮比を高める目的で膨らみが持たせられている場合があり、逆にターボチャージャーなどの過給機付きエンジンでは圧縮比を下げる目的で窪みが設けられる場合もある。

ガソリンエンジンの燃焼室には様々な形状のものが存在し、その形状によってそのエンジンの圧縮比が大きく左右され、エンジンの効率(出力や燃費)に影響する。

エンジン設計者は、燃焼室やシリンダー内の過度の過熱(機械的強度を下げるとともに、NOxの生成を促す)を避けつつ冷却損失を小さくし、混合気の完全燃焼を目的に様々な燃焼室形状を考案してきた。そのために有効なのが、表面積の大きくなる細長く大きな燃焼室ではなく、できるだけコンパクトな燃焼室の採用であった。

同時に、こうした改良の中で吸気バルブや吸気ポートは圧縮行程で上昇するピストンの上で強力な乱流を形成することが燃焼効率の改善に良いことも分かってきた。半球型やペントルーフ型などの流体力学的な効率が良い故に乱流が発生しにくい形状では、意図的にスワール(横渦流)やタンブル(縦渦流)を形成するために補助吸気バルブや可変バルブ機構などが付加されることにもなった。

通常、点火プラグで燃焼室内の混合気に点火を行う。この時に圧縮された混合気の全てを一気に燃焼させなければ、燃え残った未燃焼ガスが圧縮されて自己着火するノッキングが発生してしまう。ノッキングによる衝撃はピストンやシリンダーヘッドの損傷につながるため、燃焼速度を増すためにスキッシュエリアが設けられるようになった。これは、吸排気バルブの外側の燃焼室を意図的にピストントップにほぼ接触する高さまで平坦に仕上げ、圧縮の際にシリンダー中央や点火プラグの電極周辺に一気に混合気を寄せるものである。また、点火プラグの配置も燃焼室の中央頂上付近に配置されるセンタープラグ形式が主流となっていった。

なお、初期のガソリンエンジンで多く見られたサイドバルブの燃焼室では、平たく横方向に長い形状を呈しており、この形状を指してフラットヘッドと呼ばれる場合が多かった。しかしこのような形状は燃焼効率に劣り、圧縮比もある程度までで頭打ちとなることから、その後登場した頭上弁式(OHVOHC)では下記のような燃焼室が登場した。

バスタブ型[編集]

サイドバルブからOHVに移行した初期の段階で登場した形式で、燃焼室形状は文字通り洋式の浴槽のような長方形の形状を採っている。吸排気バルブはシリンダーヘッドに対して垂直に配置されるため、機械加工が容易で最低限の設計変更でサイドバルブをOHV化可能であったため、多くのエンジンでこの形式が採用された。しかし、燃焼室内の乱流形成が比較的容易な反面、燃焼効率に劣るため、次第に後述の形式に改良されていくことになった。

楔型[編集]

燃焼室の形状がのような直角三角形様を呈しているもの。吸排気バルブがシリンダーヘッドに対して斜めに配置されるため、ターンフローエンジンにおいては吸排気ポートの曲がりがゆるやかに設計でき、圧縮比もバスタブ型と比較して高く採ることが可能となった。OHC形式のターンフローエンジンにおいては、後述の多球型燃焼室が登場するまでは主流の形式であった。

半球型[編集]
イタリアen:Malossi社のスクーター2ストロークエンジンのシリンダーヘッド。2ストのヘッドは燃焼室と点火プラグのみを備えたもので、吸排気バルブによる燃焼室形状の制約がないため、今日でも大きなスキッシュエリアを持った理想的な半球型燃焼室を採用するものが多い

燃焼室の形状がを半分もしくは1/3程度に切り取った形状を呈しているもの。クロスフロー式シリンダーヘッドの登場と共に現れた形式で、燃焼室の表面積が容積に対して小さくなるので冷却損失を小さくでき、燃焼の圧力が均等に広がる流体力学的に理想的な形状のため、多くのエンジンでこの形状が使用された。 代表的なものとしてはHemispherical(ヘミスフェリカル:半球状の~)という燃焼室形状がそのまま名称となっているHEMIエンジンがある(現行のHEMIエンジンは完全な半球形ではなくなっている)。 変わった所では吸気をOHV、排気をサイドバルブで行うen:IOE engineとなるローバーのIOEエンジンは傾斜した平面のシリンダーヘッドと独特なピストンヘッドおよび排気バルブまわりの形状により半球形(正確には逆半球形)に近似した燃焼室を形成している。

しかし、欠点として燃焼室内の流体の流れる効率が良すぎる故に乱流の形成が行いにくいという点が挙げられ、一部のエンジンでは吸気バルブ以外にごく小さな補助吸気バルブをおくなどの手法で乱流を強制的に引き起こす対策が採られることもあった。(三菱・MCI-JETバルブなど)

また、大きな半球形状を取った場合、圧縮比を高めていくにはピストン側のピストントップを大きく盛り上げる加工も不可欠であったため、ピストン側の重量増加を嫌った設計者によっては、後述の多球型燃焼室を採用して燃焼室の燃焼効率低下を最小限に抑えながら、ピストンの軽量化と同時に圧縮比を高める手法が採られることもあった。

DOHCやSOHCマルチバルブの登場で吸排気バルブ2本ずつの4バルブ構成が登場してくると、平たいポペットバルブの先端で半球の形状が崩れてしまいやすいことや、半球の曲線に合わせてバルブを配置するとバルブ挟み角が極端に広くなってしまいがちなことから、マルチバルブエンジンでは後述のペントルーフ型が主流となっていった。

RFVC
特殊な半球型燃焼室の採用例としては、ホンダオートバイ部門が、1982年にen:Baja_1000のワークスレーサーとして登場させたホンダ・XR500Rに採用したRFVC(Radial Four Valve Combustion Chamber/放射状4バルブ燃焼室)が挙げられる。RFVCは複雑なロッカーアーム配置により、半球型燃焼室の形状を崩さないように広い挟み角の4本のバルブを放射状に配置した事例であり、SOHCにおけるマルチバルブ技術の先駆ともいえる事例でもある。
RFVCは1983年のホンダ・XLX250Rより市販車両にも導入され、後にはDOHCヘッド化されてホンダ・CBX250RSおよびGB250クラブマンなどの各オンロードバイクにも展開された。RFVCはどうしてもシリンダーヘッドが大きくなってしまうために単気筒エンジン以外には採用しがたいという致命的な欠点があったものの、1つの吸排気ポート当たり、1つのキャブレターと1本のエキゾーストパイプを配置するという極めて精緻な機構を採用し、単気筒ながらも直列2気筒に迫る12000rpm以上の最大回転数を誇るハイチューンエンジンとしてその名が広く知られていた。
多球型[編集]
フォード・302エンジンの4.9L V8シリンダーヘッド。ハート型燃焼室を持つOHVヘッドである

半球型の亜種と呼べる形式で、燃焼室の形状が複数の球面を組み合わせた形状を呈しているもの。多くの場合吸排気バルブと点火プラグにあわせて3つの球面とすることが多かったため、燃焼室はハートの形を呈し、ハート型燃焼室と呼ばれることもあった。

半球型に比べて若干流体力学的には不利な形状であるが、ピストントップを大きく盛り上げることなく圧縮比を高くとることが可能であり、乱流の形成も比較的良好であったことから、吸気1・排気1の2バルブ構成を取るシリンダーヘッドではOHV、OHC、ターンフロー、クロスフローの別なく幅広くこの形式が採用された。半球型燃焼室からの移行の例としては三菱・4G54エンジンにおいて、旧来の半球型燃焼室+MCI-JETバルブの組み合わせがオーストラリアの三菱・マグナでの最終型エンジンではハート型燃焼室に変更され、結果的にMCI-JETバルブが廃止できた事例があげられる。

また、バスタブ型燃焼室や楔型燃焼室をプライベーターがチューンする際にもこの形式の燃焼室は多用された。具体的には元の燃焼室を一度アルゴン溶接などで埋めてしまい、改めて吸排気バルブ周辺にスキッシュエリアと半球を形成するように削り直すのである。場合によってはバルブシートを一度取り外して、バルブ自体もステムが長い物に交換することでバルブ全体をピストントップに近づけ、ピストントップや時にシリンダー側面にバルブリセスを設けることで極限まで圧縮比を向上させる手法もビッグバルブへの交換の際には行われることがあった。

STDCC
ハート型以外の形状の採用例としては、スズキオートバイ部門が1982年のスズキ・GS125Eから採用したSTDCC(Suzuki Twin Dome Combasjon Chamber/2ドーム式燃焼室)が上げられる。STDCCは点火プラグをセンタープラグとして吸排気バルブの中間に配置し、吸排気バルブを中心に2つの半球を並べることで、ダルマに似た形状の燃焼室が形成された。STDCCは主に2バルブエンジンに対して広く採用されており、燃焼室内の乱流の形成が良好な事から低速域での粘り強いトルク特性と高燃費の獲得に貢献した。
TSCC
STDCCは1980年のスズキ・GSX750Eに導入されたTSCC(Twin Swirl Combasjon Chamber/2渦流式燃焼室)がベースとなっている技術である。TSCCはDOHC4バルブエンジンに多球型燃焼室の概念を持ち込んだ事例であり、吸排気バルブを中心に4つの半球が組み合わされ、ダルマが二つ並んだような形状[1]を示す事になる。TSCCは後述のペントルーフ型燃焼室と組み合わされたニューTSCCに発展し、現在のスズキ・GSX-Rシリーズにも引き続き採用され続けている。
ペントルーフ型[編集]
DOHCシリンダーヘッドのカットモデル。吸排気バルブの設置角度(バルブ挟み角)が狭くなればなるほど、ペントルーフの頂点は平らに近づいてゆき、圧縮比が高まる事になる

DOHCやSOHCのマルチバルブエンジンの登場と共に登場した形式。4本の吸排気バルブの先端形状に合わせて、建物の屋根のような三角形の形状を呈した燃焼室である。半球型に比べて若干流体力学的には不利な形状であるが、点火プラグを吸排気バルブの間に配置出来るセンタープラグが容易に実現でき、火花の伝播効率が非常に良くなることや、バルブ挟み角を狭く取ることで三角形の頂点を低くして圧縮比を高めることも可能で、カムシャフトの間隔を狭めることでDOHCシリンダーヘッドの小型軽量化も可能となることから、現在のガソリンエンジンの主流と言える形式となっている。

この形式も半球型燃焼室同様に燃焼室内の流体の流れる効率が良すぎる故に乱流の形成が行いにくいという点が挙げられ、メーカーによっては吸気バルブの片方を低回転域で不作動とすることで吸入空気の流速を高めて乱流の形成を促す機構が採用されること(トヨタ・T-VISなど)もあった。今日では可変バルブ機構の発達により吸気バルブの休止機構と共にバルブタイミングを可変させる手法も確立され、高出力と高燃費を両立することが可能となっている。

ディーゼルエンジンの燃焼室[編集]

ディーゼルエンジンの燃焼室は、燃料噴射装置の方式によって、下記の二種類に大別出来る。

直接噴射式[編集]

オープンチャンバー式単室式とも呼ばれるこの形式は、噴射ノズルが直接シリンダー内に燃料を噴射する。 そのため、シリンダーヘッド側にはガソリンエンジンのような凹んだ燃焼室は存在せず、ピストントップのキャビティと呼ばれる凹みに燃料が噴射されて燃焼を行う。すなわちこのピストンキャビティが燃焼室である。

対向ピストンエンジンにはシリンダーヘッドが存在せず、対向する2個のピストン冠面とシリンダー壁で燃焼室を構成する。シリンダーの中程が燃焼室となり、この側面に噴射ノズルが備わる直接噴射式である。

副室式[編集]

直接噴射式と異なり、シリンダーヘッドに設けられた副燃焼室内に燃料の噴射を行う形式。副燃焼室の形式により、予燃焼室式渦流室式に細別できる。どちらの形式もピストントップの凹みが主燃焼室と呼ばれ、主燃焼室に対する副燃焼室の容積は、予燃焼室式の場合で30 - 40%程度、渦流室式の場合で70 - 80%程度である。

副燃焼室内にグロープラグと噴射ノズルが設けられており、寒冷時での始動時はグロープラグからの熱で、副燃焼室の空気を事前に予熱することにより始動を容易にさせて、運転開始後は圧縮によって熱せられた空気が副燃焼室に入り込むことで着火する。着火した燃料は高い流速の火炎となって主燃焼室へ放出される。副燃焼室の主燃焼室側の開口部は「噴口」と呼ばれ、ここで流路を細く絞ることで吸気と火炎に高い流速を与えて拡散燃焼を助けている。

直接噴射式に比べると、熱損失は大きいが、全ての回転域で容易に安定した燃焼状態が得られ、燃焼時間が長いため燃焼時の圧力と温度変化が穏やかで窒素酸化物炭化水素の発生が少なく、騒音(ディーゼルノック)が低く高回転化にも適している。このため、コモンレール化以前の乗用車用を始めとした小型高回転型エンジンに多数の採用例がある。

予燃焼室式ボア中心付近に、細長くやや小さめの副燃焼室を持ち、この噴口付近の通路に小さな焼玉を持つものもある。

渦流室式は半分程ボアからはみ出た位置に、球形のやや大きめの副燃焼室を持つ。噴口は予燃焼室式より大きく、容積あたりの表面積を最小としてシリンダーヘッドや冷却水に熱を奪われることを防ぐと同時に、圧縮と燃焼時に副燃焼室内に強力なスワール(横渦流)を発生し、燃焼効率がさらに高められている。ピストン側の主燃焼室形状には「ハート形」や「双葉形」があり、吹き出された火炎がシリンダー内でもスワールを形成するようになっている。

日産・CDエンジンのように、噴射ノズルからの燃料の一部がピストントップの主燃焼室に「直接」届く、噴口よりさらに小径の「副噴口」を持つものがある[1]

ロータリーエンジン[編集]

ロータリーエンジン(ヴァンケルエンジン)の燃焼室とは、上死点付近でローターやローターハウジング、サイドハウジング、点火プラグで囲まれた扁平な空間を指す。

ガスタービンエンジン・ジェットエンジン[編集]


外燃機関[編集]

蒸気機関[編集]

脚注[編集]

  1. ^ 杉原邦彦、田中利明、佐々木正博、上田隆正「副噴口付き渦室式ディーゼル機関の開発」、『日本機械学會誌』第91巻第834号、1988年5月5日、 414-415頁、 NAID 110002474402 - 昭和62年度 日本機械学会賞(技術賞)

関連項目[編集]

外部リンク[編集]