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空燃比(くうねんひ)とは、混合気における空気質量を燃料質量で割ったものである。

混合気中の酸素と燃料が過不足なく反応する時の空燃比を理論空燃比という。例えば、ガソリン1gの燃焼には空気14.7gが必要であり、ガソリンにおける理論空燃比は14.7となる模型用エンジンなどに用いられるメタノールは6.45、ニトロメタンは3.96で、ガソリンに比べ燃料の割合が高い。今日のガソリンエンジンでは排出ガス浄化のために三元触媒が使われており、これが有効に機能するためには理論空燃比近傍で燃焼させることが必要である。理論空燃比よりも濃い混合気の状態を混合気がリッチであるといい、薄い状態をリーンであるという。理論空燃比のことをストイキオメトリー(ストイキ)ともいう。

リーンバーンガソリンエンジンやディーゼルエンジンでは空気の量を多く(燃料を少なく)しており、理論空燃比ではない。また、通常のガソリンエンジンでも常に理論空燃比で燃焼しているわけではなく、理論空燃比より少し薄く、燃費に有利で有害排出物質が少なくなる経済空燃比と、出力を稼ぎやすく発進時や加速時に使われる出力空燃比こちらは燃料が濃い = HCとCO が発生しやすいがある。負荷の状況によって空燃比は使い分けられており、常にその値は変化している。

エンジンの冷間始動時には理論空燃比が使われることはない。冷間時には、混合気中の霧化した燃料が冷たいインテークマニホールド内壁面に付着してしまい、結果として燃焼するのに十分な燃料が燃焼室まで達しないからで、この付着分を考慮したリッチな(濃い)混合比の設定を行う。エンジン始動後、インテークマニホールドの温度上昇に応じて、この冷間始動時の燃料増量が減少するように制御されるコールドスタート制御と呼ばれる(キャブレター式燃料供給の始動方法に関してはチョーク弁を参照)。

◆乗用車用ガソリンエンジンの実際の空燃比

今日の高回転化した乗用車用ガソリンエンジンでは、常用走行(あるいは排出ガス規制適合)領域以外において空燃比がストイキオメトリ(理論空燃比)であることはほとんどない。主として熱負荷の軽減(冷却)のためガソリン過剰(リッチ)の混合気により運転される。

・ストイキオメトリのまま回転数を上昇させると、たとえ点火時期を早めても排気バルブの開弁後かなりの時間にわたり燃焼が終了せず、アフターファイヤーを生ずる。

・高出力時には発生する熱量そのものも膨大となり、シリンダー、シリンダヘッド内壁面や、バルブシートその他からの放熱だけでは間に合わなくなる。結果として、主に排気バルブやピストンの溶損等を生じる。

これを防ぐため、空燃比をかなり濃い(リッチ)の設定とする。これにより燃焼速度が高くなり、アフターファイヤーが緩和され、また、燃焼しきれないガソリンの気化潜熱により、バルブ周りやシリンダ内が冷却される(エクゾーストに排熱される)。

しかしこの状態での運転は、燃費が悪化するのはもとより、三元触媒が働かないなどの弊害もある。

このため高速連続運転の比率の高い欧州車等の一部の乗用車では燃費改善のため、

・金属ナトリウム封入排気バルブの採用(バルブ溶損の防止)

・シリンダー壁面材料を高い熱伝導率を持つアルミ等へ変更(シリンダ壁面放熱性の向上)

等を行い、ガソリン過剰を少しでも改善させる方策が採られているが、技術上の問題やコストの観点から、多くの乗用車に普及するまでにはいたっていない。

◆関連項目

・ リーンバーン

・ エンタルピー

・ キャブレター

・ 燃料噴射装置

・ ガソリン直噴エンジン

◆ 脚注・参照

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・空燃比 page1