リーンバーン

リーンバーンとは、内燃機関で燃料を過剰な空気で燃焼させることを指します。リーンバーン エンジンでは、空燃比は65:1 (質量比) まで薄くなることがあります。対照的に、ガソリンを化学量論的に燃焼させるために必要な空燃比は14.64:1 です。リーンバーン エンジンの過剰な空気は、はるかに少ない炭化水素を排出します。高い空燃比は、スロットル損失など、他のエンジン パワー管理システムによって発生する損失を減らすためにも使用できます。

リーンバーンモードは、スロットル損失を減らす方法です。一般的な車両のエンジンは、加速に必要なパワーを提供できるサイズになっていますが、通常の定速運転ではそのポイントよりかなり低いパワーで動作する必要があります。通常、パワーはスロットルを部分的に閉じることでカットされます。ただし、スロットルから空気を引き込むために余分な作業が発生するため、効率が低下します。燃料/空気比が減少すると、スロットルを全開に近づけてもパワーが低くなり、通常運転時（エンジンの最大トルク能力以下）の効率が高くなります。

リーン燃焼用に設計されたエンジンは、より高い圧縮比を採用できるため、従来のガソリンエンジンよりも優れた性能、効率的な燃料使用、および排出される炭化水素の排出量の低減を実現できます。非常に高い空燃比の超リーン混合気は、直噴エンジンでのみ実現できます。

リーンバーンの主な欠点は、NOx排出量を削減するために複雑な触媒コンバーターシステムが必要になることです。リーンバーン エンジンは、現代の 3 元触媒コンバーター(酸化還元反応を実行するために排気ポートでの汚染物質のバランスを必要とする) とうまく連携しないため、ほとんどの現代のエンジンは、化学量論点またはその近くで巡航および惰性走行する傾向があります。

1976 年から 1989 年にかけて、クライスラーは多くの車両に、点火制御コンピュータとさまざまなセンサーおよびトランスデューサーで構成されるエレクトロニック リーンバーン (ELB)システムを搭載しました。コンピュータは、マニホールドの真空、エンジン速度、エンジン温度、スロットル位置の経時変化、および流入空気温度に基づいて点火タイミングを調整しました。ELB を搭載したエンジンは、従来の真空および遠心タイミング アドバンス メカニズムを使用せずに、固定タイミング ディストリビュータを使用しました。また、ELB コンピュータは点火コイルを直接駆動するため、別の点火モジュールは不要になりました。

ELB はオープンループとクローズドループの両方の型で生産された。オープンループ システムは、触媒コンバータなしで 1976 年と 1977 年の米国連邦排出ガス規制、および 1980 年までのカナダの排出ガス規制に合格できるほど十分にクリーンな排気ガスを多くの車両型で生成した。ELB のクローズドループ バージョンは酸素センサーとフィードバックキャブレターを使用し、1981 年から排出ガス規制が厳しくなるにつれて段階的に生産されたが、オープンループ ELB は 1990 年まで、メキシコのクライスラー スピリットなどの車両で排出ガス規制が緩い市場で使用されていた。ELB で導入されたスパーク制御とエンジン パラメーターの検知および変換戦略は、スロットル ボディ燃料噴射を備えたクライスラー車両で 1995 年まで使用されていた。^[要出典]

リーンバーンコンセプトは、大型の天然ガス、バイオガス、液化石油ガス(LPG) 燃料エンジンの設計によく使用されます。これらのエンジンは、負荷やエンジン速度に関係なくエンジンが弱い空気と燃料の混合気で稼働するフルタイムリーンバーン、または低負荷時および高エンジン速度時にのみエンジンがリーンで稼働し、その他の場合には理論空燃比に戻るパートタイムリーンバーン (「リーンミックス」または「混合リーン」とも呼ばれる) のいずれかになります。

大型リーンバーンガスエンジンは、理論上完全燃焼に必要な量の2倍^[1] の空気を燃焼室に取り入れます。空気と燃料の混合気が極めて薄いため、燃焼温度が低くなり、NOxの生成も少なくなります。リーンバーンガスエンジンは理論上の熱効率が高いものの、状況によっては過渡応答や性能が低下する場合があります。しかし、North American Repowerなどの企業による燃料制御と閉ループ技術の進歩により、商用車用として最新のCARB認定リーンバーン大型エンジンが生産されるようになりました。^[2]リーンバーンガスエンジンはほとんどの場合ターボチャージャーが装備されており、燃焼温度が高いためストイキオメトリックエンジンでは達成できない高い出力とトルクが得られます。

大型ガスエンジンでは、シリンダーヘッドに予燃焼室が採用されることがあります。希薄なガスと空気の混合気は、まずピストンによって主室で高圧縮されます。より濃厚だがはるかに少ない量のガス/空気の混合気が予燃焼室に導入され、スパークプラグによって点火されます。炎の前面はシリンダー内の希薄なガスと空気の混合気に広がります。

この 2 段階の希薄燃焼により、NOx が少なくなり、粒子状物質の排出がなくなります。圧縮比が高くなると、熱効率が向上します。

大型リーンバーンガスエンジンの製造元には、MTU、カミンズ、キャタピラー、MWM、GEジェンバッハ、MANディーゼル＆ターボ、バルチラ、三菱重工業、ドレッサー・ランド・グアスコール、ウォキシャ・エンジン、ロールス・ロイス・ホールディングスなどがあります。

^{現在生産され}ている自動車で利用可能な最新のリーンバーン技術の 1 つは、燃料噴射の非常に正確な制御、燃焼室内で生成される強力な空気と燃料の渦、新しい線形空気と燃料のセンサー (LAF タイプO ₂センサー)、およびリーンバーン NO _x触媒を使用して、「リーンバーン」条件下で増加するNO _x排出量をさらに削減し、NO _x排出量要件を満たします。

リーンバーン燃焼に対するこの成層給気方式は、シリンダー全体の空燃比が均一ではないことを意味します。その代わりに、燃料噴射と吸気フローダイナミクスを正確に制御することで、点火プラグの先端に近い部分（濃い部分）で燃料の濃度を高め、完全燃焼のための点火と炎の広がりを成功させる必要があります。シリンダーの残りの部分の給気給気は徐々に薄くなっていき、全体の平均空燃比は最大 22:1 のリーンバーン カテゴリに入ります。

リーンバーンを採用していた古いホンダエンジン（すべてではない）は、並列燃料および吸気システムを備え、初期燃焼の「理想的な」比率をプレチャンバーに供給することでこれを実現しました。この燃焼混合物は次にメインチャンバーに送られ、そこではるかに大きくてリーンな混合物が点火され、十分なパワーが提供されます。この設計が生産されていた当時、このシステム（CVCC、複合渦制御燃焼）は主に触媒コンバータを必要とせずに排出量の削減を可能にしました。これらはキャブレター付きエンジンであり、その相対的な「不正確さ」により、コンセプトの MPG 機能が制限されていましたが、現在は MPI（マルチポート燃料噴射）により MPG も向上しています。

新型ホンダの層状給気（リーンバーンエンジン）は、22:1 という高い空燃比で作動します。エンジンに吸い込まれる燃料の量は、ガソリンを石油化学産業で認められている標準である C ₈ H ₁₈に平均化した場合の完全燃焼に理想的な化学量論比である 14.7:1 で作動する一般的なガソリンエンジンよりもはるかに少ないです。

この希薄燃焼能力は、物理学の限界と、現在のガソリン エンジンに適用される燃焼の化学上の必然性により、軽負荷と低回転数条件に制限されます。希薄なガソリン燃料混合物は燃焼が遅く、パワーを生成するには排気バルブが開くまでに燃焼が「完了」している必要があるため、「最高」速度のカットオフ ポイントが必要です。

• 1992–95シビック VX
• 1996–2005シビック Hx
• 2002–05シビックハイブリッド
• 2000–06インサイトマニュアルトランスミッションと日本仕様のCVTのみ

1984年、トヨタは4A-ELUエンジンを発売した。これは、トヨタが「TTC-L」（Toyota Total Clean -Lean-Burn）と呼ぶ、希薄混合気センサーを備えた希薄燃焼制御システムを採用した世界初のエンジンであった。トヨタは、以前の希薄燃焼システムを「乱流生成ポット」（TGP）とも呼んでいた。TTC-Lは、日本ではトヨタ カリーナ T150で使用され、以前に使用されていたTTC-V（Vortex）排気ガス再循環アプローチに代わって、トヨタ カローラ E80、トヨタ スプリンターに使用されました。希薄混合気センサーは、理論空燃比よりも希薄な空燃比を検出するために排気システムに設けられました。その後、この検出信号を使用して燃料噴射量がコンピューターによって正確に制御され、希薄空燃比フィードバックが実現されました。最適な燃焼のために、個々の気筒の噴射量とタイミングを正確に変更するプログラム独立噴射、希薄混合気での点火性能を向上させるプラチナプラグ、高性能点火装置などを採用した。^[6]

1587cc 4A-FEおよび1762cc 7A-FE 4気筒エンジンのリーンバーンバージョンには、シリンダーごとに2つの吸気バルブと2つの排気バルブがあります。トヨタは、リーンバーン運転中に2つおきの吸気ランナーの流れを制限するためにバタフライセットを使用しています。これにより、燃焼室に大きな渦が発生します。インジェクターは、従来の吸気マニホールドではなく、ヘッドに取り付けられています。圧縮比は9.5:1です。^[7] 1998cc 3S-FSEエンジンは、直噴ガソリンリーンバーンエンジンです。圧縮比は10:1です。^[8]

日産QGエンジンは、可変バルブタイミングとオプションのNEO Di直噴を備えたリーンバーンアルミDOHC 4バルブ設計です。1497ccのQG15DEの圧縮比は9.9:1 ^[15]、1769ccのQG18DEの圧縮比は9.5:1です。^[16]

1991年、三菱はMVV（三菱バーティカルボルテックス）リーンバーンシステムを開発し、生産を開始しました。このシステムは、三菱の1.5L 4G15 直列4 気筒シングルオーバーヘッドカム1,468ccエンジンに初めて採用されました。バーティカルボルテックスエンジンのアイドリング回転数は600rpm、圧縮比は9.4:1で、従来バージョンの700rpmと9.2:1と比較して優れています。リーンバーンMVVエンジンは、空燃比が25:1と高い状態で完全燃焼を実現し、ベンチテストでは、同じ排気量の従来のMPIエンジンと比較して、燃費が10～20%向上しています（日本の10モード市街地サイクル）。つまり、CO2排出量が少ないということです_。 [ ^{18] [19]}

三菱のMVVシステムの心臓部は、リニア空燃比排気ガス酸素センサーです。基本的に単一の空燃比に設定されたオンオフスイッチである標準的な酸素センサーと比較すると、リーン酸素センサーは、約15：1から26：1の空燃比範囲をカバーする測定装置です。^[19]

MVVエンジンは、本来はゆっくりと燃焼する希薄混合気を加速するために、シリンダーごとに2つの吸気バルブと1つの排気バルブを使用しています。 別々の特別な形状（ツイン吸気ポート設計）の吸気ポートは同じサイズですが、1つのポートのみがインジェクターから燃料を受け取ります。 これにより、吸気行程中に燃焼室内に同じサイズ、強度、回転速度の2つの垂直渦が生成されます。1つは空気の渦、もう1つは空気/燃料混合気の渦です。 2つの渦は、圧縮行程のほとんどの間、独立した層のままです。^{[18] [19]}

圧縮行程の終わり近くになると、層が崩れて均一な微細な乱流となり、リーンバーン特性が効果的に促進される。さらに重要なのは、個々の層が崩壊する初期段階で、各層がまだかなりの量残っている間に点火が起こることである。点火プラグが空気と燃料の混合気からなる渦の近くに配置されているため、ペントルーフ設計の燃焼室の燃料密度が高い領域で点火が起こり、その後、炎が小さな乱流を介して燃焼室に広がる。これにより、通常の点火エネルギーレベルでも安定した燃焼が得られ、リーンバーンが実現される。^{[18] [19]}

エンジンコンピュータは、リーン（通常運転）から最濃（急加速）まで、そしてその間のすべてのポイントまで、あらゆるエンジン運転条件における最適な空燃比を記憶します。フルレンジ酸素センサー（初めて使用）は、コンピュータが燃料供給を適切に制御できるようにするための重要な情報を提供します。^[19]

すべてのディーゼル エンジンは、総容積に関しては希薄燃焼であると考えられますが、燃焼前に燃料と空気が十分に混合されません。燃焼のほとんどは、燃料の小さな液滴の周りの濃厚領域で発生します。局所的な濃厚燃焼は、粒子状物質 (PM) 排出源となります。

• エンジンノッキング
• 水素燃料の強化

• 「PERE、EPA、運輸・大気質局における先進技術車両モデリング」