エンジンは永久に不滅です! 現代の主流「排気量をアップして燃費向上」のカラクリに迫る

 エンジンは、いつのまにか、排気量を下げてターボを付け、パワーと燃費を両立させるダウンサイジングターボが主流になった。

 実はそのダウンサイジングターボの考え方はもう古く、今では下げすぎた排気量を適正化するライトサイジングターボ、または排気量をアップして燃費をよくするアップサイジングターボが主流になりつつあるのだ。

 そうした排気量を上げて、パワーと燃費をよくするカラクリはどんなものがあるのか? モータージャーナリストの高根英幸氏が解説する!

文/高根英幸
写真/ベストカーWeb編集部、トヨタ、日産、マツダ、VW


■排気量をアップして適正化するライトサイジング

現行プリウスの1.8L、2ZR−FXEエンジン

 プリウスが2代目から3代目の30プリウスにフルモデルチェンジした際、エンジンの排気量が1.5Lから1.8Lに拡大された。これは当時、ちょっとした騒ぎになった。

 自動車税が上昇するのはエコカー減税でカバーできるから問題ないとしても、燃費を追求するハイブリッドカーが排気量を拡大してきたのだから、自動車評論家の間でも評価は分かれるほど、それまでの常識とは外れた仕様だったのだ。

 もちろん30プリウスが排気量を拡大したのは、燃費性能を引き上げるためだ。というのも排気量を拡大したことで高速巡航時に余裕が生まれて実用燃費が向上しただけでなく、低速トルクが増大したことで全体的にエンジン回転数を抑えることができる。

 さらに軽負荷時には外部EGR(排気ガス再循環装置)やアトキンソンサイクルを利用して、吸入する混合気の量を調整している。

 補機類の変更で駆動損失を減らしているなど、エンジンの回りの抵抗軽減も燃費向上に貢献しているが、排気量を拡大したことによって燃費改善も果たしているのである。

 4サイクルエンジンは吸入、圧縮、膨張(燃焼)、排気という4行程を効率良く行なうために吸排気のバルブを制御しているが、アトキンソンサイクルは吸入行程で目一杯吸い込まないようにすることで少ない混合気で吸気行程を終えて圧縮のポンピングロスを減らし、膨張行程は通常通り行程目一杯で燃焼のエネルギーを回収する。

 ガソリンエンジンは吸い込んだ空気の量に合わせて燃料を噴射してやらないと、排気ガス中のNOxやCO、HCといった有害成分を触媒で還元して無害化することができなくなる。したがって燃料の噴射量を減らすには吸入する空気を減らすしかない。

 例外はまもなく登場するスーパーリーンバーンを実現したマツダのSKYACTIV-X(詳しくは後述する)だけだ。

■ライトサイジング、アップサイジングという考え方

2018年8月、デミオは1.3Lから1.5Lに排気量アップした。92ps/12.3kgmから110ps/14.4kgmに

 マツダの「ミスターエンジン」こと、人見光夫氏(常務執行役員・シニア技術開発フェロー )はかねてから、ダウンサイジングエンジン搭載車は実用燃費が悪くなりがちで、過給器のコストが高いことを問題視しており、内燃機関技術の本筋は燃焼の最適化で、過給器は飛び道具だと主張する。つまり、排気量はある程度確保したほうがいいということ。

 こうしたアップサイジング(排気量アップ)またはライトサイジング(排気量の適正化)という考え方で、2.5LガソリンNAエンジンをはじめ、2.5Lガソリンターボ、1.3Lから1.5Lに排気量アップされたデミオなどが、このコンセプトを取り入れている。

 このライトサイジングは実はアウディが使い始めたもので、2015年に発表したA4は1.8Lからミラーサイクル+直噴ターボを採用したウルトラと呼ばれる2L、直噴ターボに変更し、11.8:1という過給器付きガソリンターボエンジンとしては高い圧縮比で190psのパワーと燃費を両立。実に33%向上の18.4km/L(JC08モード)を達成している。

■VWが+100ccの余裕、1.5TSIエボを発表!

VWはこれまでの主力エンジンであった1.4L直4、ターボエンジンに代えて、ライトサイジング化した2種類の1.5L、直4ターボエンジンを採用している。日本には2019年導入予定

 2005年に1.4TSIのダウンサイジングターボエンジンを世界に先駆けて発表したVWは、これまで主力だった従来の1.4L直噴ターボエンジンに代えて、100cc排気量アップした2種類の新世代1.5L直噴ターボを発表、2017年にマイナーチェンジしたゴルフから搭載している。日本へは2019年の導入予定だ。

 具体的には気筒休止システムを備えた2種類の直噴1.5L、直4ターボエンジンの1.5TSIエボがそれだ。気筒休止システムを備えた150ps仕様と、ミラーサイクルに加えて量産車として初の可変ジオメトリーターボ(VTG)、アクセルをオフにした時にエンジンとトランスミッションを切り離して惰力走行を行うエココースティング機能が付いている。

 排気量100ccアップしたのにもかかわらず、燃費は10%向上し、欧州複合モード燃費は150psの1.5TSIエボが20km/Lで、130psの1.5TSIエボブルーモーションが21.7km/Lを達成。

■可変バルブタイミング機構で燃費も改善

 初期の可変バルブタイミング機構であるホンダのVTECやトヨタのVVT、三菱のMIVECなどは、エンジン回転数によって最適なタイミングが異なるバルブの開閉時期を調整して低回転域のトルクと高回転域のパワーを両立させていたが、その機能を燃費改善にも活用しているのである。

 厳密には本来のアトキンソンサイクルは圧縮比と膨張比を機構で違いを生むエンジンだが、可変バルブタイミング機構で同様の効果を得ようとするのが、今日のエンジンテクノロジーなのだ。

 今や吸気バルブの遅閉じ(早めに閉じるエンジンもある)は、どこの自動車メーカーも普通に使っている技術だ。

 マツダのSKYACTIV-Gは、かなり積極的にアトキンソンサイクルを利用している。高圧縮比である基本構造を利用して、軽負荷時には吸気量を落としても実質的な圧縮圧力を保てるため、かなり吸気行程を少なくしても実用トルクを得ることができるからだ。

 CX−3のSKYACTIV−Dも1.5Lから1.8Lに拡大されているが、ディーゼルの場合燃料を吹いた分しか空気中の酸素は燃焼しないので、筒内の空気をほとんど燃焼させるガソリンエンジンとは、排気量という同じくくりで判断することは意味がない。

■欧米では燃費や車重で税金が決まる!

 実はエンジンの排気量というのは、シリンダーのボア×ストロークと気筒数によって求められる、寸法上の容積のことでしかない。

 日本ではこの排気量によって自動車税が決まってくるから、走行性能以外にも排気量を愛車購入時の条件に含めるユーザーは少なくないだろう。欧米では燃費やCO2排出量、車重によって税金が決まり、その税額も日本よりグンと少ない。

 本来、マフラーから排出される排気ガスの量こそが実際の排気量だとするなら、今や様々な要因で寸法上の排気量とは異なることになる。それだけ自動車メーカーは燃費を向上させるために、いろいろな工夫をエンジンに盛り込んでいる、ということなのだ。

■ターボやEGRも実質的に排気量を可変させる機構

マツダCX-5のクールドEGRのイメージ図。排気ガスの一部を取り出して冷やし、再度吸気させるシステムがクールドEGR。燃焼温度を低減してノッキングの発生を防止。また冷却のための燃料噴射量を抑えることで燃費性能の向上にも貢献。(1)排気ガスとなる一部を取り出す(2)EGRクーラーで冷やす(3)もう一度吸気させる

 例えばターボチャージャー。排気ガスのエネルギーを使って空気を圧縮してエンジンに押し込むのは、寸法以上の排気量を実現する手段でもあるといえるのだ。

 しかも過給圧によって、エンジンに押し込まれる空気量も変わってくる。排気量を自在に変化できるのがターボの強みだ。

 スイフトスポーツが1.6LのNAから1.4Lターボになったのも、環境性能と走行性能を両立させ、さらにワンランク上のスポーツ性能を与えるためだった。

 さらにEGRは排気ガスを再びエンジンが吸い込んで、ディーゼルの燃焼温度を下げてNOxの低減を図ったり、ガソリンエンジンの新気の吸気量を抑えて燃費を向上させるために使われている。

 あまりシリンダー内にEGRを取り込み過ぎると新気と燃料が上手く混ざらずにキレイな燃焼が難しくなってしまうので、このあたりはアトキンソンサイクルと組み合せて、EGRの量も調整される。

 排気系から取り出された排気ガスは、EGRクーラーと呼ばれる熱交換器に入り、エンジンのクーラントで冷やされてから吸気系に導入される。これにより燃焼温度の上昇を抑えるのだ。だから外部EGRは別名クールドEGRとも呼ばれる。 

 ターボや触媒を一度通過した排気ガスでも、再びエンジンに取り込まれるのだから、マフラーから排出される排気ガスは、その分少なくなる。

 冷間時には排気バルブを吸気行程でも開いておき、エンジンの燃焼室だけで排気ガスを再び吸い込む内部EGRも、マフラーからの排気ガスを減少させる要素だ。

 ディーゼルの場合は燃焼室の温度を上昇させて燃焼を安定させることに役立てているし、ガソリンエンジンも暖機運転を早く終了させたり、早く触媒を温めるために利用されている。

 EGRは排気ガスを不活性ガスとして再利用するだけでなく、全開加速などの高負荷時にはEGRバルブを閉じて新気だけで燃焼することによりエンジン本来の大きなパワーを引き出すこともできる。

 可変バルブタイミング機構も同様で、低負荷な状態では吸気行程を少なくして燃費を向上させ、高負荷時にはその回転数に応じた最適なバルブタイミングでパワーを引き出す。

 最近のガソリンエンジンは燃費性能ばかり注目されがちだけど、スポーツ性能としても十分に高く、走っても楽しいエンジンに仕上がっているのは、このEGRと可変バルブタイミング機構、ターボなどをフルに活用しているからなのだ。

■可変圧縮機構VCRをインフィニティQX50に搭載!

世界初の可変圧縮エンジンを搭載したインフィニティQX50は2017年12月にデビュー。これまでの3.5L、V6からVCR機構を備えた2L、直4ターボエンジンに変更

可変圧縮比技術は、ピストンの上死点位置をシームレスに変化させることができるマルチリンクシステムを活用しており、最適な圧縮比に素早く変化。ピストンストロークの長い高圧縮比運転では吸気バルブ遅閉じのミラーサイクルで運転する。モーターが回転するとリンクのレバー比が変わり、コンロッドの大端部位置が上下することで、圧縮比が8.0から14.0まで連続可変する

 2017年12月、日産が20年以上開発を続けてきて、ようやく実用した可変圧縮機構、VCRにも注目したい。これもストロークを変化させるため、可変排気量エンジンと見ることもできる。

 VCRは内燃機関の一層の高効率化に向け、ピストンの上死点位置をシームレスに変化させることで圧縮比を最適化する技術で、2L、直4ターボ(MR20DDT)に組み込まれたもので、運転状況により圧縮比を8.0~14.0の間で変化させ自動制御。

 パワースペックは272ps/38.8kgmで、高速定常走行時には低燃費を実現しつつ、ディーゼルエンジンのような力強いトルクを持ち合わせている。これまでの3.5LのV6 NAエンジンに比べ、最大トルクが+10%、燃費性能が+27%向上しているという。

 渋滞時には高圧縮比を維持し、加速時など大トルクが必要時には過吸量を増やし、圧縮比を低くしてノッキングを抑制することで、より高出力や大トルクを発生。

 構造としては、ピストンの支持機構と、その位置を変えるモーター機構に分けられ、「マルチリンク」と呼ばれる回転機構で構成。ピストンを支持するコンロッドを3本のリンクとモーターに換え、モーターでピストンの上下位置を動かして圧縮比を変化させる。

 日産はこのVCR技術を活用し、今後10年程度で熱効率が50%に達するエンジンの開発を目指しているという。

■HCCIを採用するマツダのSKYACTIV-X

SKYACTIV-Xが搭載されたアクセラは2018年11月発表、2019年から発売される予定

 2018年11月にも米国で発表され、2019年から発売する予定の新型アクセラ。これに搭載される予混合圧縮着火HCCI(Homogeneous-Charge Compression Ignition=予混合圧縮着火)はガソリンをディーゼルエンジンのように自己着火させて、CO2削減とクリーンな排気を両立させる究極の燃焼方式と言われてきた。

 しかし、HCCI燃焼をコントロールすることが難しく、またHCCI燃焼ができる領域もごく限られていた。また、HCCIからSI燃焼(Spark Ignition=火花点火)の切替が難しいというハードルがあった。

 マツダが目指したのはCCI=Controlled Compression Ignition「完全に制御された圧縮着火」燃焼。ガソリンエンジンのSKYACTIV−Xは、排気量という概念を超えたところにあるパワーユニットだ。

HCCIの原理は圧縮された空気が発熱する原理を応用し、スパークプラグなしに全体を一気に圧縮着火させる。通常のガソリンエンジンでは燃料1に対して空気14.7の割合より非常に薄い混合気でもしっかり燃えて燃費も向上

 なにしろ、ガソリンエンジンは空気が12~14.7に対して燃料1という空燃比であるのに対し、最大で40対1という3分の1近い希薄燃焼を実現する。これにより、排気ガスもクリーンになり、燃費も向上している。

 SKYACTIV-G 2.0と比べて、全域で10%、部分的には30%のトルクアップを果たしたという開発陣の主張が、十分に実感できる力強さだ。

 SKYACTIV-Xの開発目標値は、2Lで最高出力190ps、最大トルク23.5kgmとアナウンスされている。いうなればガソリンとディーゼルのいいとこ取りではないだろうか。

 このようにエンジンはここ数年の間にこれだけ進化を果たしている。そしてこの先もエンジンはますます進化していくのだ。まだまだエンジンは死なない!

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