この記事は2020年7月に有料配信したメルマガを無料公開したものです
マツダが空燃比30の希薄燃焼（リーンバーン）エンジン「スカイアクティブ-X」エンジンを市販したことは大きなニュースになった。近未来のガソリンエンジンは、エンジン動力を単独で使用する場合でも、ハイブリッド システム用エンジンであっても大幅に熱効率を高めることが求められ、そのためには従来より2倍以上の空燃比で使用する超希薄燃焼をどのように実現するかが大きなテーマになっている。
ディーゼルエンジン化がポイント
ガソリンエンジン、つまりオットーサイクルの熱効率を高めるためには、空燃比30以上、つまり従来の理想空燃比14.7の2倍の空気量を持つ混合気による希薄燃焼と、高圧縮比化、さらに、より低温での燃焼を実現することだ。
希薄燃焼、高圧縮比はディーゼルエンジンが持つ特性で、ガソリンエンジンのディーゼル化が高効率への技術トレンドである。より低温での燃焼は、希薄燃焼では投入燃料が少ない分だけ低温での燃焼となり、低温燃焼であるほど有害ガスのNOxを低減することができるのだ。
さらに低温燃焼化により、エンジン本体に放熱されることによる冷却損失が低減し、また希薄燃焼では大量の空気を燃焼室に送り込むためスロットル開度が大きく、結果的にポンピング損失も低減する。つまり希薄燃焼、高圧縮比化によりエンジンの熱効率はディーゼルエンジンと同等レベルに高めることができる。
熱効率を高めるために、これまではアトキンソン（ミラー）サイクル、低フリクション化、排気熱回収などを組み合わせていた。トヨタの最新のハイブリッド用エンジンは最高熱効率41%、ホンダのe:HEV用エンジンは40.6%を達成している。しかし、さらなる熱効率を追求するためには希薄燃焼への挑戦が必須となってくる。
F1、WECで希薄燃焼が実現
マツダのスカイアクティブ-Xエンジンは、希薄燃焼のために空気だけでなく大量のEGR（再循環された排気ガス）を使用している。しかし、実はもう一つの希薄燃焼システムが存在しており、それはすでにモータースポーツ用のエンジンとして普及しているのだ。
市販エンジンより先にモータースポーツ用のエンジン、F1、世界耐久選手権（WEC)、スーパーGT/GT500クラスで先に普及した理由は、これらに燃料流量制限というエンジンに関する規則が導入されたからである。
F1グランプリでもサーキット走行で必要な燃料量が限定（初期は1時間で100kg以内のガソリン、2019年は110kg以内のガソリン）されているのだ。これは従来の燃料使用量に対して30%の削減、つまり30%の燃費向上となる。もちろんゆっくり走ればその燃料で走行できるが、より速いスピードで走行するためには、より多くの燃料を必要とするが、使用量が限定され、しかも高回転を保つためには空気量を増やす、つまり希薄燃焼をせざるを得なくなったのだ。
