今日、世界中の道路には約10億台の自動車が走っており、そのほぼすべてが内燃機関で動いています。実際、150年の歴史を持つこの技術は、飛行機、電車、船など、ほとんどの交通手段の心臓部となっています。エンジンはあらゆるものにとって、まさにその重要性を秘めています。だからこそ、何世代にもわたる優秀な人々が、その改良に人生を捧げ、そして莫大な資金を投じてきました。しかし、どれほど完璧に近づいたとしても、内燃機関には必ず一つの大きな欠陥があります。それは、地球を破壊しているということです。
ほとんどの内燃機関は化石燃料を燃焼させ、その過程で二酸化炭素や窒素酸化物などの温室効果ガスを排出します。米国では、環境への影響を抑制するための様々な政策が実施されているにもかかわらず、輸送部門が温室効果ガス排出量の約3分の1を占めています。内燃機関は根本的に環境を汚染する技術ですが、よりクリーンにする方法は数多くあります。そして、その始動は火花、より正確には点火プラグから始まります。
米国エネルギー省自動車技術局長のデイビッド・ハウエル氏は、より優れたエンジンの開発方法について多くの時間を費やしています。今年は、局の年間予算の約4分の1にあたる約7,000万ドルが、内燃機関と燃料の研究開発に充てられる予定です。「バッテリー電気自動車は大きな進歩を遂げていますが、内燃機関も何らかの形で今後も長く存在し続けるでしょう」とハウエル氏は言います。「そして、効率向上と排出量削減には、まだ長い道のりが残っています。」
内燃機関において、効率と排出量は深く関連しています。効率の高いエンジンは同じ量の仕事量を達成するためにより少ない燃料を使用し、燃料の使用量が少ないということは排出量も削減することを意味します。こうした効率向上を活用する方法はいくつかあります。長年にわたり、車両技術局（VTO）は従来のガソリンをより環境に優しいバイオ燃料に置き換えることに注力してきました。
「内燃機関は幅広い燃料を利用でき、その中には部分的に再生可能な燃料もあります」とハウエル氏は言う。しかし、ガソリンスタンドでガソリンの地位を奪うにはしばらく時間がかかるだろう。これらの新しいバイオ燃料は、ガソリンと同等の性能を持つだけでなく、安価でなければならない。そして、ガソリンは大きなアドバンテージを持っている。「ガソリンは1世紀も前から存在し、その燃焼特性に関しては多くの最適化が行われてきました」とハウエル氏は言う。そのため、エネルギー省の画期的な新燃料が一般向けに準備されるまで、他の研究者たちは、既存のガソリンを既存のエンジンでより有効に活用する方法を模索している。
一般的な自動車エンジンは、燃焼室内で空気とガスを混合し、点火プラグで混合気に点火します。この100年以上の歴史を持つ技術は、燃焼室内にあり、エンジン上部のシリンダーヘッド付近に取り付けられています。ピストンが燃焼室に向かって移動し、燃料と空気の混合気を圧縮すると、点火プラグは一瞬の電気火花を発生させます。この火花によって分子のモッシュピットが発生し、熱が発生し、温室効果ガスが生成されます。これらのガスは排気ガスとしてエンジンから排出されます。
排出量を削減する方法の一つは、燃焼中に燃料とより多くの空気を混合することです。これは「リーンバーン」と呼ばれます。考え方は単純で、燃料と空気の混合気をより多くの空気で薄めるというものです。しかし、これをうまく機能させるのは容易ではありません。内燃機関は、特定の燃料と空気の比率で最も効率的に機能します。この比率から外れると、エンジンの触媒コンバーター（窒素酸化物などの有害ガスをより無害な物質に変換するように設計された排気後処理システム）がすぐに機能しなくなります。ある時点を超えると、空気が多すぎて混合気に点火できなくなります。
「極限までリーンな状態でエンジンを稼働させることができれば、エンジン効率の面で実質的なメリットが得られる可能性があります」と、ミネソタ大学エンジン研究所のウィリアム・ノースロップ氏は語る。「自動車メーカーは長年にわたり、エンジンのリーン化に取り組んできました。しかし、ある時点で燃焼限界、つまりリーン限界に達してしまいます。」
ストーニーブルック大学の高度燃焼の専門家であるディミトリス・アサニス氏は、この希薄限界に近づきながらも燃焼を達成できるエンジンを「熱力学の聖杯」と呼んでいます。混合気中の余分な空気は熱シンクのように働き、燃焼時に放出されるエネルギーの一部を吸収します。これにより燃焼温度が低下し、これはエンジン効率の向上と排出量の削減に不可欠です。しかし、ここに問題があります。
「従来の点火プラグでは、空気で薄められた混合気に点火することはできません」と、トランジエント・プラズマ・システムズのCEO兼共同創業者であるダン・シングルトン氏は語る。「エネルギー伝達が遅すぎるのです」。燃焼室内の余分な空気が、火花の熱が十分に拡散して燃焼反応を開始する前に冷却する。シングルトン氏とトランジエント・プラズマ・システムズの同僚たちは、2009年からリーンバーンエンジンのこの課題を解決する点火システムの開発に取り組んできた。このシステムは、プラグ電極周辺の空気をイオン化することで生成されるプラズマのナノ秒パルスに、メガワット級の電力を凝縮することで機能する。これは、稲妻の数百倍の速度で放出される大型トラック6台分の電力に相当する。
トランジェントプラズマシステムズ提供
トランジェント・プラズマの点火システムは、インターネットルーターのような電源装置で構成されています。この電源装置は、エンジンの各シリンダーに設けられた一連のプラズマプラグに接続されています。この電源装置は車のバッテリーからエネルギーを蓄え、プラグを通して超高速の青いプラズマバーストとして放出します。これは、レールガンや物理学者が核爆発のシミュレーションに用いるレーザーのような、より高エネルギーのパルス電力システムの低エネルギー・低温版と言えるでしょう。
プラズマプラグと従来のスパークプラグの主な違いは、熱を伝達することで燃焼反応を点火しない点です。実際、マッチに火をつけるほどの熱エネルギーさえありません。その代わりに、空気分子に電子を直接衝突させ、原子状酸素などの反応性の高い元素に分解します。この非熱エネルギーの急速な注入により、混合気中の分子が衝突し、燃焼反応が開始されます。従来のスパークプラグがライターだとすれば、シングルトンのプラズマプラグは稲妻のようなものです。そして、リーンバーンエンジンにおいては、スピードが最も重要です。
「エンジンの基本的な考え方は、全てを同時に燃焼させることです」と、ウィスコンシン大学エンジン研究センターを率いるジャール・ガンディー氏は語る。「ピストンが最上部、つまり死点にある時に燃料を燃焼させることができれば、最高の効率が得られます。効率という点では、この燃焼過程こそが重要なのです。」
低エネルギーのパルスパワーシステムを用いて急速燃焼を実現するというアイデアは、全く新しいものではありません。シングルトン氏の博士課程指導教官であるマーティン・ガンダーセン氏は、南カリフォルニア大学のパルスパワー研究グループを率いており、1990年代初頭からこの種の点火システムの研究に取り組んできました。初期のパルスパワー点火システムは排出量の削減に効果的でしたが、高価でかさばり、信頼性もそれほど高くありませんでした。「この技術は素晴らしいものでしたが、当時はまだ実現されていませんでした」とシングルトン氏は言います。
シングルトンが博士号取得を終える頃には、手頃な価格で信頼性の高いシステムに必要な技術は成熟し、ついに研究室外への持ち出しが可能になるかに見えた。鍵となるブレークスルーは、2000年代初頭に登場した固体高電圧スイッチだった。スイッチング技術の進歩により、シングルトンのパルスプラズマシステムは、メガワット級の電力をナノ秒単位で切り替え、数十万回のショットを持続することが可能になった。そこで2009年、彼はガンダーセン、そしてUSCの同僚であるアンディ・クティ、ジェイソン・サンダースと共に、プラズマ点火の商業化を目指してトランジェント・プラズマ・システムズ社を設立した。
トランジェントプラズマシステムズ提供
当初、同社は航空システムの開発に注力していました。ジェットエンジンは地球温室効果ガス排出量の大きな要因ですが、真のキラーアプリは自動車であることは明らかでした。シングルトン氏と彼のチームが自動車メーカーに自社のスパークプラグを採用するよう説得できれば、自動車からの排出量を大幅に削減できると彼は考えました。
「今日のエンジン研究者が何に注目しているかを知りたいなら、航空宇宙研究者が昨日何に注目していたかを見るのが有益です」と、カリフォルニア州サンディア国立研究所燃焼研究施設の主任研究員であるアイザック・エコト氏は言う。「こうした技術の多くはそこから生まれているのです。」
エコト氏と同僚のマグナス・ショーベリ氏は、施設内のガソリン燃焼研究室の一部を率いており、2014年にはトランジェント・プラズマ・システムズ社を招き、自動車エンジンにおける同社のプラズマプラグの初となる大規模試験を実施しました。ショーベリ氏とエコト氏の研究室には、特注の単気筒エンジンが備え付けられており、研究者は高速カメラとレーザーを用いて燃焼ダイナミクスを測定し、点火時の燃焼室内を観察することができます。
内燃機関の効率は、その使用方法に大きく依存します。例えば、エンジンは低速・低出力時に最も効率が悪くなる傾向があり、これは市街地走行時に遭遇する可能性のある状況です。そこで、シェーバーグ氏とトランジェント・プラズマ・システムのチームは、高速道路走行など、様々な状況と緩やかに相関する様々な動作モードでエンジンの点火システムをテストしました。サンディア国立研究所でのテスト中、トランジェント・プラズマ・システムのプラグは、これらの運転モードにおいて、従来のスパークプラグを搭載した市販の内燃機関の性能と比較して、燃費を最大20%向上できることを実証しました。
シングルトン氏によると、サンディア研究所での試験結果はすぐに自動車業界の注目を集めたという。トランジェント・プラズマ・システムズ社はここ数年、複数の自動車メーカー（名前は伏せている）と協力し、各社のエンジンにこのシステムを組み込んで試験を行ってきた。同氏は、このシステムを搭載した最初の車が今後5年以内に公道を走ることになるだろうと楽観視している。
しかし、リーンエンジンの始動にプラズマ点火システムが必ずしも必要というわけではない。そして、この問題に取り組んでいる企業はトランジエント・プラズマ・システムズだけではない。「誰もが点火限界を広げ、より希薄な混合気を点火させようとしています」と、ストーニーブルック大学の燃焼専門家であるアサニス氏は言う。例えば、パデュー大学の研究者たちは、従来の空燃比を持つ「予燃焼室」で燃焼反応を開始し、その反応が空気で希釈された燃料で満たされた主燃焼室に流れ込むエンジン構造を研究している。また、マツダなどの企業は、点火プラグを全く必要としないエンジンの開発に取り組んでいる。エンジンは希薄な燃料を圧縮し、自然発火させるのだ。
環境問題に関して言えば、リーンバーン燃焼をいかに実現するかは、最終的にはそれが大規模に実現されるかどうかよりも重要ではありません。好むと好まざるとにかかわらず、内燃機関は少なくとも今後数十年間は存在し続けるでしょう。そして、気候変動に歯止めをかける希望があるならば、燃料をより遠くまで運ぶエンジンが必要になります。
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