150年ぶりにエンジンが進化する?
 考えてみれば、内燃エンジンは、1870~80年代にニコラウス・オットーやゴットリープ・ダイムラーといった発明家たちが設計を完成させて以来、150年近く基本的な仕組みは変わっていない。当初から大量のエネルギーが浪費されてきた。一般的なピストンエンジンの乗用車の場合、車両を動かすのに利用されるエネルギーは燃料タンク内の燃料が秘めるエネルギーの3分の1以下で、残りはほとんどが排熱として失われる。

 米国のティレマン・ディック兄弟は、ピストン駆動のかわりに、目の虹彩(iris)のように拡大と収縮を繰り返す「内部的衝撃放射構造(IRIS:internally radiating impulse structure)」を開発。これまで、エンジンの熱エネルギーは、ピストンを動かすことだけに使われてきた。その結果、ピストンは上下に動かせるが、エンジンの壁面にいくら熱エネルギーを与えても、それは無駄になってしまっていた。これがピストンエンジンのエネルギー効率の限界だった。

 IRISエンジンはここに着目。燃焼部分の熱を受ける壁面をすべて、ピストンのように稼働するしくみに変えてしまった。すなわち、壁面を6枚の板で囲み、中でガソリンが燃焼すると、壁面がカメラのシャッターのように開いたり閉じたりする。この動きを上下運動に変え、さらに回転運動に変えて車を走らせるしくみ。これまで、20~30%程度だったエネルギーの変換効率を50%に高められるという。これまでのエンジンのイメージが変わる。

 また、火花点火するエンジンの仕組みも非効率的だ。ディーゼルエンジンの場合、電気火花ではなく圧縮によって着火するため、はるかに効率的だが、それでも大幅な改善が可能と考えられている。ディーゼルエンジンの場合、電気火花ではなく圧縮によって着火するため、はるかに効率的だが、それでも大幅な改善が可能と考えられている。

 有望な候補として、低温で燃焼を行う「予混合圧縮着火(HCCI)」が注目されている。電気火花を使って燃料に点火するのではなく、混合燃料を圧縮して化学反応を引き起こし、ピストン運動の適切なタイミングで自然に着火させる方式だ。低温の圧縮点火により、25~50%の燃料効率改善が実現するという。

 超高効率の新型内燃エンジンを発明
 アメリカの自動車産業はこの1年、市場の荒波に翻弄されてきた。経営破綻に直面し、政府から巨額の公的資金注入を受け、「よりクリーンで効率的な自動車の開発」という要求にも同意した。だが、自動車関連ベンチャー企業を経営するコロラド州出身のティレマン・ディック兄弟にとっては、望むところの状況だったろう。

 レビ・ティレマン・ディック28歳とその弟コルバン24歳は、亡父と温めてきた夢を実現しようとしている。父親はコロラド州都デンバーの発明家で実業家でもあったティンバー・ディック氏。従来の内燃エンジンよりもはるかに効率的な、まったく新しい設計のエンジンを市場に送り出すのが夢だった。

 現在の多くの車で使われている4ストローク・エンジンは、ニコラウス・オットーやゴットリープ・ダイムラーら先駆者たちが開発したピストン式内燃機関で、1870~80年代当時は画期的な技術だった。しかし効率は低く、タンクに積んだ燃料のうち実際に自動車を走らせるエネルギーに変換されるのはわずか20~30%で、残りは大部分が熱として失われてしまう。

 ティレマン・ディック兄弟は、ピストン駆動のかわりに、目の虹彩(iris)のように拡大と収縮を繰り返す「内部的衝撃放射構造(IRIS:internally radiating impulse structure)」を採用すれば、エネルギーの変換効率を50%に高められると確信している。ワシントンD.C.に本拠を置く新興のIRIS Engines社は、ピストン駆動型中心の自動車メーカーに吹きつける逆風をチャンスととらえ、このユニークな設計開発で効率性やパワーで優位に立とうとしている。

 IRISエンジン
 アメリカの連邦規制当局は先月、新しい燃費基準を発表した。2016年までに平均燃費を35.5マイル/ガロン(約15キロ/リットル)まで引き上げることを自動車メーカーに求める内容だ。IRIS Engines社CEOのレビ氏によると、欧州連合(EU)も2017年までに約48マイル/ガロン(約20キロ/リットル)という平均燃費目標を掲げ、日本も同程度の目標を設定しているという。地球温暖化防止のための二酸化炭素排出量取引はアメリカ議会での先行きが不透明だが、本格化すれば自動車メーカーにとって達成すべきハードルがさらに上がる。「性能や実用性を維持するために、自動車メーカーは効率性と出力密度を高める新たな手法を懸命に探している」とレビ氏は話す。

 ティレマン・ディック兄弟はシリコンバレーでも認められる存在だ。昨年はHotmailやeBayに投資するベンチャー・キャピタルDraper Fisher Jurvetson社の投資コンテストで賞金10万ドル(約930万円)を獲得した。だが、同社からの出資提案は断わったという(レビ氏は、「2人ともいい話だと感じなかったから」とだけ答えた)。現在も資金調達の努力を続けている。

 IRISエンジンはピストン駆動型とはまったく違う外見をしている。エンジン内部に6個のゲートがあり、ゲートが瞳のように閉じると中心に小さな円形の空間ができる。中で混合気が点火されると、ゲートは旋回しながら開く。ピストン式ではガス膨張圧を受け止めるのはピストンの上面だけだが、IRISは6個のゲートがそれぞれ受けて回転力に変える。受け止める面積が内壁面積の約25%から70%に増加するため、上図の機構1つで4気筒エンジン1台の代わりになるという。

 ティンバー・ディック氏は当初、このエンジンに「スターファイヤー(Starfire)」という名前を付けようと考えていた。IRIS Engines社の特許には、父親のディック氏が筆頭発明者として息子たちと一緒に記載されている。その設計は2008年、NASAが毎年主催する「未来を創ろう(Create the Future)」設計コンテストにおいて、1000件以上の応募作を抑えて輸送技術部門の第1位に輝いた。だがディック氏は授賞式の1カ月前、交通事故で亡くなった。52歳の若さだった。11人の子供の中でレビとコルバンの2人が、父の遺志を引き継ごうと決意したのだった。(Henry J. Reske for National Geographic News May 13, 2010)

 HCCIエンジン
 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)の和訳は「予混合圧縮着火」。ガソリン・エンジンやディーゼル・エンジンとは異なる新しい燃焼方式。排出ガスのクリーンなガソリン・エンジンと高効率なディーゼル・エンジンの良さを併せ持つシステムとして注目を集め、内燃エンジンの究極のゴールとも言われている。

 ガソリン・エンジンやディーゼル・エンジンと異なるのは着火方式。ガソリン・エンジンの点火プラグによる火花着火、ディーゼル・エンジンの燃料噴射による自然着火に対し、HCCIは圧力と熱による自然着火により、燃焼が始まる。

 基本的な構造は間接噴射のガソリン・エンジンとほぼ同じ。混合気の温度が低く自然着火が難しい状況では火花着火も併用するため、点火プラグをはじめとする点火システムも備わっている。

 燃料と空気を均一に混ぜ合わせた混合気をシリンダ内に送り込み、圧縮し、爆発・膨張が行われ、そして燃焼後のガスを排出するという一連の燃焼サイクルにも変わりはない。ただし、着火方法の違いにより、燃焼の形態が異なっている。ガソリン・エンジンやディーゼル・エンジンの燃焼はそれぞれ、点火プラグおよび噴射ノズル付近から外側へ広がっていくのに対して、HCCIの燃焼は、混合気のなかに均質に混ざり合った燃料がそれぞれの場所でほぼ同時多発的に燃焼する。

 HCCIは圧縮比を高く設定できるので、ディーゼル・エンジン並みの熱効率が得られる。また、希薄な混合気を用いるために燃焼温度が低いためNOxが発生しにくく、同時に均一な燃焼によりすす(PM)の生成を抑制することができるので、排出ガスがガソリン・エンジンと同等にクリーンだ。ディーゼルとガソリンのいいところを合わせたような特性を持つ。

 ただし、実用化されていないということは当然、デメリットも存在している。負荷が高くなるとノッキングが発生するために負荷が制限される、着火がシリンダ内の温度に左右されるなど燃焼の制御が難しい、さらに、シリンダ壁など温度の低いところでの不完全燃焼によりHCが発生しやすい。一部メーカーではプロトタイプ車での実験も始まっているようだが、まだまだ超えなくてはならないハードルが存在しているのが現状だ。(green carview)
参考HP Wikipedia:IRISエンジン YouTube:The IRIS engine

内燃機関
古濱庄一
東京電機大学出版局
エンジン ガソリン ディーゼル (新・機械設計製図演習)
若林 克彦
オーム社

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