質問です。

Question

ディーゼル機関で圧縮比を向上させる以外で燃費低減するには他にどのような方策がありますか？

Answer 1

先ず・・・

>ディーゼル機関
>圧縮比を向上させる以外で
>燃費低減するには
>他にどのような方策がありますか？
との事ですが、圧縮比は下げたい、のです。
圧縮は、しなくて済むのならばしない方がよろしい。無駄仕事ですからね。

地球上で(熱)効率最高の座を長年に渡って競い続けている
http://www.khi.co.jp/knews/backnumber/bn_2006/pdf/news141_02.pdf

では、圧縮比にして11〜12の間に落ち着いて来ています。(船主に引き渡す前の海上公試で燃費を実測、と非常に厳しい)
一方、車載可能な規模の、高速型サバテサイクルディーゼルでは、副室式燃焼室の時代は21〜23もの高圧縮比でしたが、筒内直噴化に伴って16.5〜17.6と、目を見張らんばかりに下がりました。
つまり、圧縮上死点温度が、冷間始動性や低回転低負荷でも綺麗な燃焼が得られる位迄上がれば十分で、それ以上に上げるのは無駄の極み、と解る訳です。

* * *

エンジンは、燃焼で得た高圧を膨張させて、仕事に変換して取り出す物。
という定義付けはよろしいですか? d(・_・)

膨張させて変換するのだから、幾ら位膨張させるのが良いのか、と言う事を考えねばいけません。
膨張比を大きくすればする程、変換の効率は上がる。けど、それは机上の話。純理論的な事に止まる。

膨張比を上げようとすると、どうしても小ボア径でロングストロークなデザインに成る。ここで、排気量を一定にして、ボア／ストローク比を変えつつピストンとシリンダーの擦動面積を計算してみると、ロングストロークに成る程、擦動面積は増える事が判る。(試しに、Excel等で計算してみて下さいな)
すると・・・
理論上の変換効率が上がる一方で、摩擦損も増えて来る。(特に、圧も熱も下がって来る領域での事なので効率は上がり辛い)
と言う事は、両者が拮抗して何処かでピークを描く。それ以上では、却って効率低下を招いて行く。。。と言う事なのです。

どの位がピークに成るか?
昔から識者が目算を付け、近年では計算もされる様に成った結果が膨張比14、と言う事で、マツダがSkyactivコンセプトで一早く実現して来ました。
でも、圧縮比が14だと
・圧縮上死点温度が高過ぎてノッキングで壊れちゃうガソリン
・圧縮上死点温度が低過ぎて綺麗な燃焼が得られないディーゼル
と、どちらにしても直ぐには達成出来ない日々が長らく続いて来た歴史なのです。
そんな中から、ミラーシステムに拠るアトキンソンサイクルで、圧縮比だけ下げたガソリン、という流れが出て来ます。
一方、ディーゼルでは過給圧 × 圧縮比と考える事で、直噴の16.5よりも低くする事が始まりました。この為に、Skyactiv-D 2.2では出来るだけ幅広い運転領域で過給圧を得るべく、シーケンシャルTurboを採用。それも最新型の直列式を。
でも所詮はチンケなTurbo。(冷間)始動性や低回転低負荷時では満足な過給圧が得られず、DPFの連続再生に必要な排気温を発生させられません。から、ディーゼルには本来必要で無い筈のスロットルバルブを装備する事と、排気弁をちょこっと開けて自己EGRする事で、連続再生可能と成る300℃以上への排気昇温を実現したのです。
で、裏ドラとして、NOx生成排出量が減った。。。

という様な、一連の技術の流れを理解しないといけません。d(^=^;)

で、

>燃費低減するには
>他にどのような方策がありますか？
ですか。。。
過給に拠るダウンサイジング、ですねぇ、兎にも角にも。
過給して、これでもかとエンジンからトルクを絞り出す。
必要にして充分な出力やトルクが得られれば、その分は排気量が減らせる。つまりエンジンが小さく軽く成る。
小さくて軽いって事は、それを囲う車体も軽く作れる様に成る。
という以上に、各種摩擦損中に占める割合の大きい、ピストンとシリンダーの擦動面積をガクッと減らせる。
同じ仕事をする、させるにしても、差っ引かれる税金(摩擦損)が少なく成る。d(^=^;)

と言う事で、摩擦(損)の低減策には色々在るのですが、過給する事で
・ダウンサイジングする事
・出力向上分を燃料噴射量削減に振り向けて希薄燃焼にする事
・運転回転数の低回転化で摩擦損を低減する事、
等がメリットとして出現して来るので、効率良い過給の実現が望まれるのでした。
それに、ディーゼルの排ガス浄化の第一歩は、過給での空気過剰な燃焼化による黒煙抑制、ですしね。
過給を活かす為にも、ずっとやらせて貰えなかった4弁化も、一気に当たり前に成りました。今じゃトラックもブルも4弁です、OHVのまま。(圧縮して濃い空気を吸うのだから、吸排気抵抗が少ない方が良い d(^^;)

尚、ご紹介した大型商船の超低回転型(正調)ディーゼルサイクルディーゼルでは、Turboのタービンが遠心式では無くて軸流式に進化しましたし、軸受も転がり軸受です。
そして、必要にして充分な過給圧が得られる様に成ったら、余剰過給気は空気タービンに流して、トルクとして回収します。圧力が高く成り過ぎたら、燃焼室が壊れちゃいますから。
それでも過給気が余る。ので、排気弁閉じ時期を遅くして余分な新気を捨てて圧縮比を下げる事で、燃料消費率にして5g/psh「も」儲けた、との話が残っています。
まあこの構造だと、過給気を捨てたと言ってもTurboのタービンに流れるので、全くの無駄には成っていないのですが。
エンジンが5万馬力としたら、1日で
5g × 50000ps × 24h = 6000kg
つまり6tも燃料を食わない事に成る。。。d(^o^;)
日本と北米西海岸で18日、欧州とだと46日だそうで、元が安いC重油だからと言っても、幾ら減らせた事に成るやら。。。

と言う事で、結論としては「過給によるダウンサイジング」で決まり! です。
但し、路上を走行する自動車向けだと、発進加速の繰り返しに対処する術を考えねばなりません。
その点で、基本的性質が速度型で、下スカ上ドッカンなTurboは、向いている特性だとは言えません。他の何かと組み合わせるハイブリッド過給へ進化する事を考えるなら、補助的な位置付けに成るのが相当でしょう。
第一の座に来るのは、内部圧縮を持つ事で高効率な機械式過給器、
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%BC%E3%83%81%E3%83%A3%E3%83%BC%E3%82%B8%E3%83%A3%E3%83%BC

です。但し、ウェイストゲート弁やプレッシャーリリーフ弁の様な、折角の圧を捨てる様な勿体無い事をしていては過給が活きない。ので、吸気弁閉じ時期を連続可変する様な機構の実現が待望されているのでした。

中々難しいですよね。何か有りましたら補足なさって下さいな。

質問者からのお礼コメント

質問に答えてくれるだけでなく自分の知らないことまでたくさん教えて下さりありがとうございます！
ほかの答えてくださった方も大変参考になりました。ありがとうございました。

Answer 2

排気タービン過給器（いわゆるターボ）をつける。
吸気管を可変させるなどして慣性過給を応用する。

Answer 3

燃費低減とは、燃焼効率の改善と損失の低減です。

燃焼効率
ディーゼルは拡散燃焼で、激しい燃焼と成るので噴射を遅くしがちですが、出来るだけ上死点で燃焼させると燃費が良くなります。

ディーゼルは拡散燃焼で、燃焼遅れも大きく、割合長い期間（クランク角６０度以上）燃焼していますが、出来るだけ短い期間（クランク角４０度以下）燃焼させると燃費が良くなります。

低負荷時は、拡散燃焼では無く予混合しておいて圧縮自己着火させた方が低温燃焼となり燃費が良くなります。

損失の低減
シリンダーが熱く成らない様に冷却水等で冷却すると熱が逃げて冷却損失となります。薄い断熱被膜で燃焼時だけ熱を逃がさないエンジンをトヨタが開発しました。

排気ガスが熱いと排気損失と成りますが、燃焼効率が上がると排気損失は減ります。

摩擦等による機械損失も大きいので、摩擦低減は当然ですが、圧縮比を下げ気味にして燃焼圧を下げ回転部品を軽量化する事も有効です。

Answer 4

機械損失を削る。
吸排気系の抵抗を減らす。
高性能オイルの使用

ピストンやシリンダーヘッドに
セラミックを使用する。

Answer 5

ディーゼル機関で圧縮比を向上させる以外で燃費低減するには他にどのような方策がありますか？

エンジンの抵抗損失を少なくする

軽油の噴射ポンプ関係