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圧縮比とは?ディーゼル・ガソリン・ターボで比率が異なる?エンジン出力に影響大?

自動車のカタログなどで目にする圧縮比。これはどのようなものなのでしょうか。そして、ディーゼルやガソリン、ターボエンジンといった、使用する燃料や構造により圧縮比が異なるのはどのような理由なのでしょうか。それぞれをまとめました。

エンジンの圧縮比とは?

エンジンにおける圧縮比とは、エンジン内部のシリンダー(気筒)内の容積が最も大きくなる時の容量と、最も小さくなる時の容量の比率を表す値のことです。

シリンダー内の容積は、ピストンが一番下に下がったとき(下死点)に最大容積となり、ピストンが一番上がったとき(上死点)に最少容積となります。

何を圧縮するのか

エンジンは吸気・圧縮・燃焼・排気をひと工程としていますが、シリンダー内で何が圧縮されているかはエンジンによって異なります。

従来のガソリンを燃料とするレシプロエンジンの場合、シリンダー内に取り込まれた、混合気(空気+ガソリン)をピストンが押し上げ、圧縮します。

近年主流になりつつある直噴エンジンは、同じガソリンエンジンではありますが、従来の圧縮方法とは異なり、混合気ではなく空気のみを圧縮しています。

燃焼(爆発)の燃料となるガソリンは、空気が圧縮された後、シリンダー内に直接噴射(噴霧)されます。

ディーゼルエンジンも直噴エンジンと同様に空気を圧縮し、ディーゼルエンジンの場合は軽油を圧縮後にシリンダー内に直接噴射(噴霧)します。

圧縮比とは、ピストンの上下運動によるシリンダー内の容積の変化の比率のことを指しますが、シリンダー内の容積が小さくなることで、中身が圧縮されます。
このことから、圧縮比とは「混合気をピストンがどれくらい圧縮させるのか」と置き換えて考えることもできます。

なぜ圧縮するのか① 混合気の圧縮と熱効率

圧縮をする理由の一つはピストンの上下運動の力によって熱効率を最大限利用するためです。

熱効率とは、投入した熱エネルギーが仕事に変換される割合のことです。エンジンにおける「熱エネルギー」とは爆発を指し、「仕事に変換」とはそれによってピストンを押し下げる力のことです。

前述のように、エンジンは混合気を圧縮し、爆発によって生まれる力を動力とします。同じエンジンの場合、圧縮比が高ければ高いほど爆発によってピストンを押し下げる力が強くなります。

ピストンは上死点から爆発によって下死点に移動することが最も運動効率が良いので、エンジンは、この熱効率を最大限に利用するため、混合気を圧縮するのです。

なぜ圧縮するのか② 気体の特性を利用する

ディーゼルエンジンの場合は、熱効率を利用するほかに、「気体は圧縮されると熱を持つ」という性質を利用し、爆発を生み出すために圧縮をします。

ディーゼルエンジンの燃料である軽油は、ガソリンよりも着火性がよい燃料です。ディーゼルエンジンは、混合気を圧縮するのではなく、空気を圧縮します。

圧縮された空気は熱を持ち、そこに燃料を噴射すると、熱を持っている空気に反応し爆発を起こします。ディーゼルエンジンはこの性質を利用するためにも圧縮を行います。

また、圧縮したことで生まれる熱を利用することから高く圧縮をする必要があり、ガソリンエンジンよりも圧縮比が高くなります。

圧縮比はエンジンによって異なる

爆発の力を動力に変えるために必要不可欠な工程が、混合気の圧縮であることは述べたとおりです。圧縮比はエンジンの種類や使用する燃料によって、圧縮比は異なります。

レギュラーガソリンを使用するガソリンエンジンであれば圧縮比は概ね10前後、ディーゼルエンジンであれば18前後と違いがあります。

これはエンジンの特性や爆発の仕組みに、大きく関係してきます。

自分の愛車の圧縮比はどれくらいなのか、カタログやインターネットで調べたり比較したりすると面白いでしょう。

エンジンの圧縮比は計算で求められる

電卓 計算 イラスト

エンジンの圧縮比は、ある程度そのエンジンの情報がわかれば計算によって導き出すことができます。

圧縮比の計算方法

圧縮比は「圧縮比=(排気量+燃焼室の容積)÷燃焼室の容積」という計算方法で求めることができます。
エンジン例を用意して考えてみましょう。

<エンジンの例>
型式:直列4気筒
燃料:ガソリン
排気量:2,000cc
燃焼室の容積:50cc

このようなエンジンがあるとして、実際に計算してみます。

圧縮比の計算方法 排気量

このエンジンは4気筒で、排気量が2,000ccです。ということは、1気筒当たり500ccの排気量をまかなっている、ということになります。

ひとつのエンジンでは何気筒あっても、1気筒あたりの圧縮比はすべて同じです。そのため、計算しやすく1気筒あたりで考えます。

圧縮比の計算方法 燃焼室

エンジン イラスト

出典 :©iStockphoto.com/anton_novik

燃焼室とは、気筒の中に取り込まれた混合気が、ピストンが上死点に達した際に、混合気が圧縮されて溜まる空間です。
ピストンが下死点にある時取り込まれる混合気は、シリンダーの最大容量の中に取り込まれています。

ピストンが上死点に達すると、シリンダーは最少容積となって混合気は一番圧縮された状態になり、爆発します。

このエンジンの場合、シリンダーの最小容積時、つまり圧縮された空気のたまる空間の容量が50ccである、ということです。

圧縮比の計算方法

それでは、先程のエンジンの例を使って実際に計算します。繰り返しになりますが、あくまで1気筒当たりの数字に置き換えて計算しますので、注意してください。

1気筒当たりの排気量=500cc
燃焼室の容積=50cc
計算式は「圧縮比=(排気量+燃焼室の容積)÷燃焼室の容積」なので、これに当てはめると、「圧縮比=(500cc+50cc)÷50cc」となります。

これを計算すると、11という数字になります。これは、シリンダー内の最大容積時の混合気と最少容積の混合気の比率が、11:1であるということになります。

このことから、このエンジンの圧縮比は「11」であるということがわかります。

圧縮比はエンジンや使う燃料によって異なる?

ガソリンスタンド 給油

圧縮比は、エンジンの構造や使用燃料によって圧縮比が異なります。これは、エンジンの爆発のエネルギーを効率よく活用するためです。

代表的な違いを見てみましょう。

ディーゼルとガソリンで圧縮比が違う

ガソリンスタンドでもよく目にするように、車の燃料には一般的にガソリンとディーゼル(軽油)が存在し、この燃料の違いで圧縮比は異なります。

一般的な圧縮比は、ガソリンエンジンで11~12程度に対してディーゼルエンジンで18程度となります。これはそもそも爆発のきっかけが異なる為です。

気体というのは、圧縮されるほどに高温になる性質があります。ガソリンエンジンは、圧縮された混合気にスパークプラグで火花を散らし爆発させます。

ディーゼルエンジンの混合気は、ガソリンの混合気よりも着火性がよく、圧縮するとその熱で爆発を起こします。そのため、スパークプラグが必要なく、高く圧縮することで自然に着火・爆発するようになっています。

このような仕組みから、ディーゼルエンジンは圧縮比がガソリンエンジンに比べて高くなっています。

NA(自然吸気)とターボで圧縮比が違う

ガソリンエンジンを例に考えてみます。エンジンのパワーを向上させるために、ターボ(ターボチャージャー)を装着している車があります。

逆に、そのような部品を有しないエンジンもあり、これを自然吸気エンジンと言い、通称でNA(Natural AspirationまたはNormal Aspiration)エンジンと言います。

これらは同じガソリンエンジンでも、圧縮比が大きく異なります。例えば、下表のように、同じ排気量、同じパワーでも圧縮比は異なります。

メーカー日産ホンダ
車種名S15  シルビアS2000
エンジン型式SR20DETF20C
エンジン種別ターボエンジンNAエンジン
排気量1997cc1997cc
馬力250PS/6400rpm250ps/8300rpm
圧縮比8.511.7

なぜこのような違いになるのか、ということですが、そもそもターボというのは、コンプレッサーを利用して大気中の空気を圧縮し、エンジンに送り込みます。

そのため、ターボチャージャーから送り込まれてきた空気はすでに圧縮されています。

その空気をさらに圧縮すると、圧縮されたことによる空気の温度上昇で、スパークプラグが点火する前に爆発を起こしてしまうことがあります。

それは異常燃焼(ノッキング)という現象で、エンジンブローにつながる危険を持っています。すでに空気が圧縮されているから、ターボエンジンはNAエンジンに比べて圧縮比が低いのです。

レギュラーとハイオクで圧縮比が違う

ガソリンには、通称レギュラーとレギュラーより少し値段の高いハイオクがあります。

ハイオクとは「ハイ(高い)・オクタン価」の略称です。オクタン価とは、先に触れた異常燃焼が起こらない程度を表す数値。数値が大きいほど異常燃焼が起こりづらいということです。ハイオクとは、レギュラーガソリンに比べ異常燃焼が起こりづらい燃料ということです。

オクタン価の設定は国によって異なりますが、日本では、
 ・レギュラーガソリンのオクタン価 「90~91」
 ・ハイオクガソリンのオクタン価 「98~100」
となっています。

ハイオクの特徴はレギュラーよりも圧縮できることです。というのも、気体が圧縮されると熱を持ち自然に爆発してしまうということを述べましたが、ディーゼルだけでなくガソリンエンジンでも、異常燃焼という形でそれは起こります。

しかし、レギュラーガソリンで異常燃焼を起こす圧縮であっても、ハイオクは爆発しにくくなっています。そのため、レギュラーガソリンに比べて圧縮比を高くでき、結果として爆発の際に得られるエネルギーもレギュラーガソリンの爆発よりも大きくなります。

ハイオクを使用するエンジンは、ハイオクが効率よく爆発するように設計されています。そのため、ハイオク指定の車にレギュラーガソリンを入れ続けることはあまり推奨されません。

直噴エンジンは圧縮比が高い

近年搭載車種が増えてきたエンジンでは、ガソリンエンジンでありながら圧縮比が14前後という高い圧縮比を実現している直噴エンジンというものがあります。

大きな違いの一つとして、従来のエンジンは混合気をピストンが圧縮するのに対し、直噴エンジンはピストンが空気のみを圧縮した後、シリンダー内に燃料を直接噴射し混合気とした上で爆発をします。

混合気の状態から高く圧縮をするとノッキングを起こしてしまいますが、空気だけであれば燃料がないため、高く圧縮してもノッキングは起こりません。

また、噴射された燃料はシリンダー内で気体に変化しますが、その際、気化潜熱といって、シリンダー内の熱を奪います。

そのため、燃料噴射時にもノッキングを起こすことがなく、また空気が冷えることで空気の体積が減り、さらに空気を送り込むことができます。

このような仕組みで直噴エンジンは高い圧縮比を実現できます。

圧縮比の大きさとエンジン出力の影響

クラシックカー 画像

圧縮比はその数字とエンジンパワーにはどのような関係があるのでしょうか。

圧縮比が高いほどパワーが高い?

圧縮比の高さはエンジンの特性や使用する燃料など、エンジンごとに異なりますが、例えば同じエンジンであっても、圧縮比を高くすればそれだけ熱効率が向上するので、爆発の際ピストンを押し下げる力が強くなります。

その場合は、結果としてエンジンパワーが向上します。このことから、圧縮比とエンジンパワーには、密接な関係があると言えます。

圧縮比を上げてエンジン出力を上げることはできる?

圧縮比を高めることができると、それだけピストンを押し下げる力が強くなりますから、結果としてエンジン出力が向上します。

圧縮比は「(排気量+燃焼室の容積)÷燃焼室の容積」ですから、排気量+燃焼室の容積を大きくするか、燃焼室の容積を小さくすれば、圧縮比は上がります。

そのため、これの2つのいずれかの改造を行うと、エンジン出力は向上します。

エンジンパワーを上げるボアアップという選択

よく使われるパワーアップ方法は、「ボアアップ」というものです。ピストンの径のことを「ボア」といい、これを大きくし、またシリンダーの内径をそのボアに合わせて削ることで、シリンダー内に入れることのできる混合気の量を増やすことをボアアップと言います。

これにより、燃焼室の容積は変わらなくてもシリンダー内の最大容積が増し、圧縮される混合気の量は増えますから、圧縮比があがります。
結果として爆発も強くなり、エンジンパワーが向上します。

また、このボアアップによって車の排気量は変化します。ボアアップを行うと、排気量の変更を届け出ないと車検に通らなくなりますので注意しましょう。

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圧縮比とはエンジンの特徴でもある

エンジン ピストン 画像

圧縮比の違いや特徴、エンジン出力への影響等を解説しましたが、いかがでしたか?圧縮比の仕組みや、エンジンの特性等によって数値が異なることなど、色々とお分かりいただけたかと思います。

自動車のカタログには、最後の方のページの「諸元表」のうち、「エンジン主要諸元」等の項目で、圧縮比が記載されています。

車を選ばれている最中や、これから車を選ぼうとお考えの方も、圧縮比に注目してみてください。色々な発見があると思います。

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