近年、自動車業界では燃費向上技術のひとつとしてポンピングロスの低減が注目されている。一般に、ポンピングロスはスロットルバルブと関連付けて説明されることが多いが、イメージとして捉えることはできても、その実態はとなると曖昧で掴み所がない。ポンピングロスとは一体何なんだろう。
まず始めに、内燃機関の最も基本となる熱効率、出力、ロス（損失）、熱勘定の関係を再確認し、そこから話を進めることにする。燃料を燃やして得た熱エネルギーの内、どれだけ軸出力として取り出せたかを表したものが熱効率である。一方、燃料を燃やして得た熱エネルギーの内、軸出力にならないものがロスである。そして、それらの内訳（熱エネルギーの行き先）を表したのが熱勘定である。熱力学でいうロスは全て、この熱勘定に含まれる。４サイクルエンジンの内部で起きる現象を解析すると、熱効率は次の５個の要因によって大きく左右されることが分かっている。
１．給気圧力（圧縮開始圧力）
２．背圧（膨張終了圧力）
３．給気温度
４．圧縮比
５．空気過剰率１〜４までは聞き慣れた用語だと思うので、ここでは省略する。ディーゼルエンジン、そしてガソリンのリーンバーンエンジンや筒内直噴エンジンは、通常のガソリンエンジンに比較してポンピングロスが小さく燃費が良いとされている。これらのエンジンは空気過剰率が大きいのが特徴である。その点に着目し、ポンピングロスの正体を探るとしよう。
理論空燃比から決まる空気量を上回る吸気、つまり燃焼に供しない空気の量（空気過剰率）が増大すると何故ロスが減少し、軸出力が増大するのだろうか。数式を使わずに言葉だけで理解してみよう。話を単純化するために、燃料は一定量で吸気量を自由に増減することができるエンジンを想定する。つまり、どんな空燃比でも完全燃焼するエンジンがあると仮定する。このエンジンは吸気量ゼロから無限大まで、完全燃焼が可能である。ただし、無過給エンジンなので最大吸気量は排気量までとする。燃料は一定だから燃焼によって得られる発熱量は一定である。面倒なので、ポンピングロスが最大になると思われる吸気量ゼロの場合を考えてみる。吸気量ゼロの時は熱量を得ても膨張する材料がないので、熱エネルギーを運動エネルギーに変換することができず、エンジンは回転しない。その場合、熱効率はゼロとなる。ここで気付くのは、吸気は燃料を燃やすために必要な酸素を供給するのが目的だが、実はそれだけではないということである。吸気は熱を受けて膨張し、運動エネルギーを生み出す媒質（動作流体）の役割も果たしているのである。なので、吸気の量が多いと熱エネルギーを効率良く運動エネルギーに変換できるのである。これが、空気過剰率が熱効率を大きく左右する要因のひとつとなっている理由である。ディーゼルエンジン、またガソリンのリーンバーンエンジンや筒内直噴エンジンは空気過剰率が大きく、結果としてスロットルバルブの開度も大きい。これが一般にいわれているポンピングロスの正体である。
注記：実際のエンジンでは、空気過剰率が大き過ぎると燃焼ガスの上昇温度が低くなるので弊害が生じる。
エンジンの熱効率が悪くなるということは、燃料の燃焼によって得た熱エネルギーから運動エネルギーに変換される率が低下することであり、何らかの形で棄てられている熱の割合が多くなることを意味する。空気過剰率から派生するロスという観点からすれば、その行き先は冷却損失であり、排気損失なのである。先の例で示したように、吸気量ゼロで燃焼するエンジンは軸出力ゼロであり、燃料の燃焼によって得た熱エネルギーは全て冷却損失となる。また、空気過剰率の増減が排気損失の大小に大きく反映することも知られている。
ポンピングロスは他にポンプ損失などとも呼ばれるが、本来の用語の定義では、ガス交換に関わる機械損失のことを指す。エンジンの機械損失を計測するのにモータリング法と呼ばれる手法があり、これは外部からの動力によりエンジンを回転させ、その時に必要とする動力から機械損失を算出するというものである。ポンピングロスは、これに含むのが普通である。しかし、モータリング法は燃焼を伴わないため、通常のエンジン稼動時とはガスの振る舞いが大きく異なり、真のロスを計測していることにはならない。機械損失の内訳としてポンピングロスが表されることはあっても、エンジン全体のロス、つまり熱勘定の話になるとポンピングロスが出てこなくなるのは、そのような理由からである。当然、数値的なデータもなく、これらの不明瞭な点が自由に解釈された結果、ポンピングロスの用語が本来の意味とは違う現象にまで使用されることになったものと思われる。
熱効率を大きく左右する要因のひとつとして圧縮比があるのは良く知られていることと思う。そこで、圧縮比の位置付けと照らし合わせて空気過剰率の立場を考えてみよう。圧縮比が高いと熱効率が向上し、燃費も良くなる。勿論、高過ぎる圧縮比には弊害が伴うので限界がある。では、圧縮比を高くできないことによる出力の低下をロスと呼ぶだろうか。当然、呼びはしない。いうなれば、高圧縮比の効果による熱効率の向上、などの表現が適当だろう。そこで提案したい。ポンピングロスの用語を拡大使用するのは改め、空気過剰効果としたらどうだろう。空気過剰効果により熱効率が向上し、出力が増大して燃費も良くなる。そのような解釈が相応しいと思う。空気過剰の状態で運転するエンジンの、いわゆるスロットルバルブの開度に関連したポンピングロス云々は本来の熱力学の概念にそぐわないし、ロスの定義に従えば冷却損失と排気損失なのだから。
基本に立ち戻ってロスの意味を明確にし、次のように用語を使い分ければ疑問を解消することができる。
ポンピングロス ⇒ ガス交換に関わる機械損失
空気過剰効果 ⇒ 空気過剰率に関わる熱効率の向上
（冷却、排気損失の減少）理論空燃比付近で運転する通常のエンジンでは、吸気の量でポンピングロスは推移する。それに対し、空気過剰の状態で運転するエンジンの場合は、吸気の量が変化するとポンピングロスに加えて空気過剰効果が複雑に絡んで推移する。ガソリンのリーンバーンエンジンや筒内直噴エンジンが登場して以来、ポンピングロスの用語がもてはやされるようになったようだが、これらの原理の違いを区別していない場合がほとんどである。これまで、空気過剰効果に相当する用語がなかったため、リーンバーンエンジンや筒内直噴エンジンの燃費向上に関する原理を解説する上で、便宜的にポンピングロスを代用していたものと思われる。当たり前のことだが、理論空燃比付近で運転する通常のガソリンエンジン搭載車でスロットルバルブを多めに開いて走行したとしても、リーンバーンエンジンや筒内直噴エンジンで起きる空気過剰効果は期待できず、それによる燃費の向上もあり得ない。
ガス交換に関わるポンピングロスを説明するのに、スロットルバルブの開度が小さい時の通気抵抗を持ち出す例が多いが、これは全くの見当違いといえる。例えば、バルブ全開時の通気量を確保するのに、全閉状態（アイドル）のバルブを複数、並列に配置した場合を考えてみよう。この時、仮に１００個のバルブが必要だったとする。当然、通気抵抗も１００個分になる。吸気管内で発生する通気抵抗を問題視するならば、全閉時より全開時の方がロスは大きいと考えるのが自然である。
スロットルバルブを閉じることで吸気の運動量が増せばポンピングロスは増加するはずであるが、それは流量を一定に維持した状態でスロットルバルブを閉じて行った場合でのことである。実際には、スロットルバルブを閉じて行くと流量が減少するので、吸気の総運動量は小さくなる。これは、電気回路における電圧、電流、抵抗、消費電力の関係に良く似ている。
ターボチャージャーを考えてみるのも良い。ターボチャージャーはタービンを通過する排気の量が多いほど仕事量は大きくなる。スロットルバルブは開度が小さく流量も少ない状態の方が仕事量が大きくなるのだろうか。ナンセンスとしかいいようがない。
ポンピングロスはガス交換に関わる機械損失のことであるから、スロットルバルブだけでなく吸気口から排気口までの間の、全ての構造に関わることである。燃焼により稼動している状態のエンジンでポンピングロスだけを切り分けて数値化するのは困難なので、ポンピングロスのメカニズムを燃焼の有無に関係のない吸気・圧縮行程に限定して語られるのは仕方がないが、その場合でもポンピングロスの大きさを単に吸入負圧の大きさだけで説明するのは不十分である。ポンピングロスは気体の運動によるエネルギーの消費であるが、それはエンジンの内外圧力差として作用し、ピストンだけでなく、ピストンリング、クランクシャフト、バルブ、カムシャフトなど、各部品に加わる荷重を増加させ、それらの摺動面の摩擦を増大させるものである。従って、それらを総合した機械損失として捉えるのが正しいはずである。ポンピングロスはエンジン全体で見れば機械損失の一部に過ぎず、その割合は比較的に小さいものと思われる。
※ 間違いにお気付きの際は御一報ください。訂正いたします。
２００５/０５/１８
２００６/０６/１９ 更新