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マツダのディーゼルは何が凄いのか? 欧州で勃発するCO2削減競争  マツダパワートレイン技術開発部長・寺沢保幸氏に聞く - ゴン川野 (フリーランスライター)

2021年までにCO2排出量を40%以上削減せよ!

 欧州でのCO2排出量規制が厳しくなる。2013年11月にEU欧州会議で決まった「2021年までに新車の二酸化炭素排出量を1キロあたり95グラム以下にする」という2021年規制が5年後に迫っているのだ。2006年の実績値が160グラム/キロだったので、ここから40%以上の削減が必要になる。2015年までの目標、会社別平均130グラム/キロは達成できたものの95グラム以下はかなり実現が厳しいと判断した世界各国の自動車メーカーはガソリン車よりも二酸化炭素排出量の少ない、クリーンディーゼルに着目したのだ。

 例えば2015年モデルのメルセデス・ベンツ「SLK250d」は2.2リットル直4ディーゼルでCO2排出量114-123グラム/キロなのに対して、2リットル直4ガソリンエンジンの「SLK200」のCO2排出量は142-154グラム/キロとなる。ちなみにマツダのSKYACTIV-D 2.2リットルディーゼルを搭載した「CX-5」のCO2排出量は119グラム/キロである。

逆転の発想で勝負するマツダ

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スカイアクティブエンジン

 CO2に関しては有利なディーゼルエンジンだが弱点もある。NOx(窒素酸化物)とPM(粒子状物質)に関してはガソリンエンジンよりも多く排出されるのだ。欧州でこれらの排出規制値を決めるのが欧州排出ガス規制(EURO規制)である。1993年に「EURO1」が制定されて以来、その基準値は加速度的に厳しくなり、2015年の「EURO6」では1キロあたりのNOx排出量が80ミリグラム、PMは0.5ミリグラムと定められている。この基準をクリアーするためには排気ガスの後処理装置の設置が不可欠となり、ディーゼル車の高価格化につながる。同じクラスのガソリン車に対してもともと高価だったディーゼル車が、さらに割高になってしまうのだ。

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マツダ・パワートレイン技術開発部長・寺沢保幸氏

 ところが、マツダのディーゼルエンジンだけは、世界で唯一、後処理装置不要で「EURO6」の基準を満たしている。これを実現したのがSKYACTIV-Dである。その技術の詳細をマツダ・パワートレイン技術開発部長・寺沢保幸氏に聞いた。

 ディーゼルエンジンは、

 1.ターボ 

 2.超高圧のインジェクション 

 3.後処理装置

 によって大きく進化を遂げたという。しかし、それによってエンジン自体の価格も上昇するという副作用を生んだ。走らない、うるさい、排気ガスが汚いというディーゼルエンジンが、この3つの技術によって生まれ変わったのだ。ターボとの組み合わせで低回転から力強いトルクを発生、熱効率がいいため燃費がよく経済性に優れる、そしてクリーンな排気を実現したのが、クリーンディーゼルと呼ばれる新生ディーゼルエンジンである。

 ところがマツダの発想は全く逆で、低圧縮で高回転型のディーゼルエンジンの開発に着手したのだ。通常のクリーンディーゼルの圧縮比が16前後なのに対してマツダは14を実現している。なぜマツダは低圧縮にこだわるのか。燃料が完全燃焼するためには空気と燃料が十分に混ざる必要がある。しかし、高圧縮比のエンジンではよく混ざる前に自然発火してしまい、局部的な異常燃焼が発生、これが原因でNOxやススが大量に発生する。これを低圧縮比にしてやると燃料と空気が完全に混ざってから燃焼し、さらに燃焼温度も下がるためクリーンな燃焼を実現できるのだ。つまりマツダは低圧縮なエンジンを作りたかった訳ではなく、理想的な燃料と酸素の混合を追求した結果、低圧縮に到達したのである。

低圧縮比で低燃費のからくり

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 それではなぜ、低圧縮で燃費が向上するのだろうか。一般的には高圧縮比の方が燃焼効率が上がり、出力向上と燃費改善が望めそうな気がする。ところがディーゼルの場合はそうならない。シリンダ内のピストンが上にあがり最も圧縮比の高まる上死点で燃焼させることができないからである。なぜなら、高圧縮比の場合、上死点では高温・高圧になりすぎてNOxやススが大量に発生するため、上死点位置から少し遅らせて、シリンダ内の温度と圧力が下がるのを待って燃料を噴射しているのだ。つまり、そのシリンダーの容積に見合った出力と燃費が得られないことになる。

 一方、低圧縮にすればピストン上死点付近で燃焼が開始でき、計算通りの出力と燃費性能が得られるのだ。圧縮比は少なくても膨張比が大きくなり燃費とトルクを向上できるという。さらに高圧縮比エンジンほど強度が要求されないためピストンやクランク、コンロッドなどを軽量化できるというメリットが出てくる。その結果、エンジン自身を回すための機械抵抗損失も少なくて済むようになる。前述の3つのパーツだけでエンジン全体の50%の機械抵抗を占めているという。機械抵抗を減らすことで低車速域での燃費も良くすることができ、渋滞や信号の多い日本の交通事情においても燃費向上が望めるのだ。

軽量化によりプラス1000回転を実現

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 軽量化によって生まれたメリットは低燃費だけではなかった。機械抵抗の減少によってアクセルレスポンスが良くなり、最高回転数も5200rpm(回転毎分)を実現。NA(自然吸気)の大排気量ガソリンエンジンのようなトルク感と加速をディーゼルエンジンで味わえるようになったという。実際SKYACTIV-Dは2200ccの排気量で、ガソリンエンジン4000ccクラスに匹敵する420Nmのトルクをわずか2000rpmで発生する。

 さらなる工夫がツインターボである。ディーゼルの場合、ターボにはより多くの酸素を送って燃料を完全燃焼させる役割もある。そこでほぼアイドリング付近からターボを効かせる必要がある。低回転時には軽い排圧でも回る小型のターボを、高回転時には大型のターボを回して大量の酸素を送り込む仕組みだ。2000回転までを小型ターボが、3000回転から上は大型ターボ、その間は両方のターボを併用しているという。

他社の追従を許さない始動性の良さ

 取材を進めていくと低圧縮比のメリットは大きい。ところが他の自動車メーカーで圧縮比14を実現したところは見当たらないのはなぜだろうか。それは極冷間時の始動性の問題だという。SKYACTIV-Dエンジンが完成して最初にやったことはマイナス30度の冷凍室にエンジンを入れて、世界で最も着火性の悪い燃料を入れてエンジンが始動するかどうかを確認したという。ディーゼルエンジンはガソリンエンジンと違い、着火させるための点火プラグがない。

 その役割を果たすのが燃料噴射インジェクターである。低圧縮比で低温時に確実に着火させるには、高性能のインジェクターが不可欠となる。マツダはマルチホールピエゾインジェクターを採用し、燃料を燃やしやすくするためシリンダー壁に付着せず、シリンダー中心部に漂う霧状の燃料を形成するため、多段噴射を採用している。噴射口の開閉にピエゾ素子を使い、1/500秒に4回という素早いタイミングで燃料を噴射できる。

 さらにエンジンが冷え切った場合を想定して、高温の排気ガスをシリンダーに取り込む可変バルブリフト機構を装備している。これはシリンダーの排気バルブをバルブ切替機構付きスイングアームで少しだけ開いて排気を逆流させるもので、外気温が低くても安定した着火でエンジンを始動できる。

さらに進化を続けるディーゼルエンジン

 SKYACTIV-D2.2エンジン完成後、2014年10月から量産に入ったのが、SKYACTIV-D1.5である。今度はバリアブルジオメトイリーのシングルターボを採用。過給レスポンス改善のため水冷インタークーラーを使い吸気路の最短化をはかっている。さらにターボには回転センサーを付けレブリミットぎりぎりまで回しているという。また、ノック音を抑えるためにピストンとコンロッドを連結するピストンピンにナチュラル・サウンド・スムーザーと呼ばれるノック音の共振と逆相の振動を起こし相殺するシステムを開発した。

 マツダはまだまだ内燃機関には伸びしろがあると考えている。さらなる低燃費、さらなる走る歓びを追求していくという。低速から厚みのあるトルクとアクセルレスポンス、そして、2020年までにグローバルで販売するマツダ車の平均燃費を2008年比で50%向上させるという計画を掲げている。

PHEVの逆襲「ECE R101」

 2021年規制はガソリン車、ディーゼル共に厳しい目標値であり、ラグジュアリーカーやスーパーカーは、もう走れないと思ったのだが、欧州の燃料測定法「ECE R101rev3」には意外な抜け道が用意されていた。それが、二酸化炭素排出量の軽減係数の採用である。軽減係数はハイブリッド車に適応される係数であり、計算式は、(EV走行距離+25)÷25となる。25という数字は、一般的な運転距離は25キロぐらいから決められたという。この式から分かるのは、EV走行距離が1キロでもあれば軽減係数は1.0を超えるということだ。バッテリーで1キロしか走れなくても軽減係数は1.04になり、仮にCO2排出量100グラム/キロのハイブリッド車なら計算後の排出量は、CO2排出量÷軽減係数=96.1グラム/キロとなる。

 「S300h」(ロングホイールベース)の場合、2.2リットル直4のディーゼルハイブリッドでCO2排出量は133グラム/キロだが、電気モーターで35キロ走行できる。軽減係数を使えば133÷2.4=55.4グラム/キロとなって2021年規制を楽勝でクリアーできる。この軽減係数の恩恵を最大限にいかせるPHEV(プラグインハイブリッド車)が自動車メーカーの救世主になることは間違いない。VW、アウディ、ポルシェ、BMW、メルセデス・ベンツ、ロールス・ロイス、ベントレーがPHEVへ参入を表明している。

 欧州では「ECE R101」によるPHEVの優遇措置に加え、CO2排出量が50g/km以下の乗用車は1.5台分としてカウントできるという特別クレジットのおかげでPHEV及びEVはさらなる恩恵を受ける。そこに真っ向から勝負を挑むのが、マツダのSKYACTIV-Dとなる。2021年の勝者は果たして誰なのだろうか。

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