世界最高水準の燃費と環境性能を持つクリーンディーゼルエンジン

世界最高水準の燃費と環境性能を実現した「SKYACTIV-D」

ガソリンが燃料のガソリンエンジンは、比較的簡便な触媒装置で排出ガスを浄化することが可能です。一方、軽油を燃料とするディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンより燃費性能が高いことが知られていますが、従来のディーゼルエンジンは、NOx（窒素酸化物）やPM（ススなどの粒子状物質）など汚染物質の排出量が多く、排出ガスを浄化しガソリンエンジン並みの環境性能を達成するには、高価で大がかりな後処理装置が不可欠でした（表1）。

表1　一般的なディーゼルエンジンとガソリンエンジンの長短所比較

ディーゼルエンジンはシリンダー内に空気を吸い込み、ピストンで圧縮して高温にしたところに燃料（軽油）を噴射、自然着火させて動く仕組みのため、「高圧縮比」であることが常識でした。しかし、圧縮比が高いことが不均一な燃焼につながり、汚染物質の発生原因ともなっていました（図1）。

図1　ディーゼルとガソリンエンジンの仕組み（資料提供：マツダ株式会社）

低圧縮比での燃焼は、燃料を噴射してから着火までの時間が長くなり、燃料と空気の混合が進みます。高圧縮比では燃料と空気が均等に混ざる前に着火してしまうため、シリンダー内に局所的な酸欠状態が発生、不完全燃焼が起きて汚染物質を増やしていました。

低圧縮比で十分に燃料と空気が混ざり合うようにすると、シリンダー内で均質に低温で発火燃焼させることができるため、NOxやススの発生を大幅に減らすことができます（図2）。

図2　低圧縮比にすることで燃料と空気が十分に混ざり合ってから燃焼するようになり、燃焼効率が高くなるだけでなく、NOxやススの排出削減にもつながる

加えて、燃焼室（シリンダー内でピストンが上死点※でまで動いたときにピストンヘッドの上にできる空間）を卵形（エッグシェイプ）燃焼室にして燃料と空気の混合を促す仕組みを考案、より均一な状態での燃焼が可能になり、燃費を向上させただけでなく、汚染物質の発生を抑制することにも成功しました（図3）。

※上死点＝クランクを使う機械（エンジンだけでなく自転車などでも）で、回転力が働かない点を「死点」と言います。その最も高い位置が上死点、低い位置が「下死点」となります。自転車のペダルでは、一方の脚のペダルが上死点に達すると、逆の脚のペダルは下死点に有り、漕ぎ続けることができます。

そして、リニアで伸びのある走りを可能にしたのは、大小二つのターボを組み合わせた「2ステージターボシステム」です。「大ターボ」と「小ターボ」を三つのバルブで最適に制御し、低回転域での高トルクと高レスポンス、高回転域での高出力というように、回転数に応じて使い分けています(図4)。

図3　エッグシェイプ燃焼室のコンセプト図

図4　大小二つのターボを、三つのバルブで最適に制御する「2ステージターボシステム」

「低圧縮比」や「2ステージターボ」といったキーテクノロジーは、低燃費やリニアな走行性能を実現しただけでなく、ディーゼルエンジンのクリーン化も促進しました。その結果、ディーゼルエンジンの排出ガス浄化には不可欠とされてきたNOx後処理装置（触媒等）なしでも環境規制値以下までNOxやPMの排出量を低減させることが可能なほど、クリーンな排出ガスのディーゼルエンジンを世界で初めて実用化しました（図5）。

広島県府中町の本社ショールームに展示中の「SKYACTIV-D」搭載車「アテンザ」

図5　低圧縮比燃焼技術により高価なNOｘ後処理装置なしでも最新の排ガス規制※2に適合。それにより低コスト化も実現
※2　国内ポスト新長期規制，欧州EU6規制のこと

理想の内燃機関を追求し、“燃焼”を見直す

では、マツダはどのようにして、従来のイメージを覆すようなクリーンディーゼルエンジンの実用化を成し遂げたのでしょうか。NEDOプロジェクトのスタート時に責任者を務めていたパワートレイン開発本部パワートレイン技術開発部主幹の寺澤保幸さんは当時の様子をこう語ります。

「プロジェクトスタート時には、2015年燃費基準に対して20％削減という高い目標を掲げました。ただでさえ厳しい燃費基準をさらに20％も削減するなど本当にできるのか大いに不安でしたが、ディーゼルエンジンが持つポテンシャルからすれば不可能ではないはずと考えました。そこで、内燃機関の燃焼効率改善を徹底的に追求することに決めて、プロジェクトに取り組みはじめました」

低燃費化と排出ガスのクリーン化を両立、さらにガソリンエンジンに負けない回転数の伸びまで発揮する「SKYACTIV-D」（写真提供：マツダ株式会社）

そこで、マツダの技術開発チームでは、エンジンの基本の基本に立ち戻って、内燃機関のエネルギーフローを今一度見直すことから始めました。そうして見てみると、燃料の熱量のうち、エネルギーとして取り出しているのはおよそ30％に過ぎず、その他の70％は失われてしまっていることがはっきりとしました。できるだけ理想の燃焼状態に新型エンジンを近づけることができれば、燃費と環境性能の改善両立は十分に可能だとの考えに至りました（図6、7）。

この時点ではまだ、「SKYACTIV-D」のキーテクノロジーである“低圧縮比”というアイデアには至っていませんでしたが、研究開発の早い段階から、「燃料と空気をしっかり混ぜて十分に燃焼する（予混合燃焼）」というポイントには着目していました。

従来のディーゼル燃焼では、高温・高圧にしたピストン内に燃料を噴霧して自己着火させるため、燃料と空気の混ざり具合にムラがあり、燃え残った燃料がススとなって排出されます。また、燃焼ムラは燃費の悪化にもつながってしまいます。

図6　内燃機関のエネルギーフロー

図7　中央の図が最終的な開発目標である「究極の内燃機関」が達成すべき項目。それに対して、ガソリンエンジン（左側）とディーゼルエンジン（右側）の達成度合いを「遠い（赤）　→　近い（濃い緑）」順に色分けしたもの。両エンジンとも従来型（両端）では、「究極の内燃機関」から達成が遠い（赤い）項目が多く、技術開発による改善の余地があることがわかる

この領域はNOxの発生を抑制するギリギリの高温領域。それでいて、従来よりも空気の割合が高いため、燃焼後半まで残った酸素が、燃焼室内に燃え残ったススを再度燃やして焼き尽くすことができます。これ以下の温度になると今度は不完全燃焼が始まるので、ギリギリの低温領域でもあります。この領域で確実に混合気を燃やすことができれば、触媒によるNOxの後処理も必要なくなることが予測できました（図8）。

こうして燃焼メカニズムを解明したことで「予混合燃焼」と「理想的燃焼領域での燃焼」という開発コンセプトが明らかになり、クリーンディーゼルエンジンの開発フェーズは一歩前進しました。シミュレーション、燃焼の設計、それらに基づいた試験用単筒エンジンでの機能検証を繰り返し、“理想の燃焼”を実現するための技術開発を進めました。

図8　理想の燃焼領域を表したグラフ。燃焼温度（横軸・ケルビン）が高いとNOxが発生する。逆に燃料の割合（縦軸）が多すぎると、スス（Soot）が発生する。かといって、燃料も温度も足りなければ不完全燃焼を起こしてしまう

NEDOプロジェクトで燃焼を可視化する計測システムを確立

燃焼メカニズムの解明に大きく貢献したのは、広島大学との共同研究で生まれた計測システムとシミュレーション技術でした。従来のマツダの方法では空気の流れを計測することはできても、噴霧した燃料が空気と混ざり合って燃焼室内部に広がって着火する様子までを捉えることは困難でした。

そこで、広島大学大学院工学研究科機械システム工学専攻で流体工学を専門とする西田恵哉教授が中心となり、ピストン内の状態を再現した「高温高圧容器」（図9）と噴射された燃料の混ざり具合や濃淡をレーザー計測する「LAS計測システム」を開発しました。また、燃焼室内での噴霧混合気形成の挙動を2Dで捉える実験装置（図10）により、噴射後の燃料の様子を可視化することも可能になりました。

パワートレイン開発本部走行・環境性能開発部主幹の片岡一司さんは、「広島大学との交流は以前からありましたが、基礎研究においてここまで深く関わったことはありませんでした。とくに社内で行うことが難しい高度な計測について、計測技術を得意とする広島大学の西田教授に協力していただけたことは大変大きかったといえます。そのときの計測データが高精度な燃焼シミュレーションを可能とし、SKYACTIV-Dとして目指すべき方向性を明らかにしたのです」と語ります。

空気と燃料がよく混ざる燃焼室のデザインを決定する段階でも、通常であれば何十種類もの燃焼室を試作する必要がありますが、優れたシミュレーションソフトのお陰で2回の試作だけで、「エッグシェイプ燃焼室」と名付けた新しい燃焼室の形状を作り上げることができました（図12）。

（左）図9　高温高圧容器（エンジン筒内状態を再現可能）（右）図10　容器実験用 2Dピストン燃焼室（右CG）

図11　透明なピストンを用いて シリンダー下方向から燃焼を可視化（研究用エンジン）

図12　CAEシミュレーションを用いて燃焼室内を可視化し、強い縦渦流れで燃料が混ざりやすくする「エッグシェイプ燃焼室」を設計