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【エンジンテクノロジー トレンド】ディーゼルは終わらない! 新技術で息を吹き返すディーゼル・エンジン

  • 2019/11/09
  • Motor Fan illustrated編集部
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件の事件以来、EVシフトのスローガンが声高に叫ばれるなか、なりを潜めていたディーゼルだが、ここにきて新たな動きが相次いでいる。マツダの1.8ℓのSKYACTIV-D1.8、ドイツ三大メーカーの新たなディーゼル技術の発表。いま、ディーゼルエンジンで何が起きているのだろうか。

TEXT:髙橋一平(TAKAHASHI Ippey) PHOTO:Daimler\VW\Mazda\MFi

 件のディーゼルゲート事件以来、自動車業界はEVシフトに向かって大きく舵を切った。当然ながら槍玉に挙げられたディーゼルを取り巻く状況は一変。かつては販売される乗用車の半数がディーゼル車となっていた欧州を中心に、ディーゼル撤廃を決める国が相次ぐ事態へと発展するなか、日本の自動車メーカーからも乗用車向けディーゼルからの撤退表明が続いた。

 ところが2018年、その状況に変化の兆しがあらわれた。同年4月にドイツで行なわれた「ウィーン・モーター・シンポジウム」において、ダイムラー、BMW、フォルクスワーゲン(以下VW)ら同国を代表する3社が、新たなディーゼルエンジン技術についての発表を行なったのである。ここ数年、まるでディーゼルへの取り組みについては口をつぐむかのように、EVシフトを前面に押し出すかたちでアピールしてきた彼らだったが、同シンポジウムで異口同音に訴えていたのはディーゼルの将来性だった。

 そして時を同じくして、マツダが新エンジンSKYACTIV-D1.8を発表。同社は17年にもその2.2ℓ版となるSKYACTIV-D2.2において大幅な変更を加えてテコ入れを行なっており、国産メーカーが相次いでディーゼルから手を引くなか、唯一ディーゼルを継続する方向性を打ち出していた。排気量を従来の1.5ℓから1.8ℓに拡大するという“ライトサイジング化” が行なわれたSKYACTIV-D1.8は、同社のディーゼルに対する理念と、ストラテジーが窺える内容となっている。

 興味深いのは、このSKYACTIV-D1.8と、先のシンポジウムにて、ディーゼル技術についての発表を行なった3社のうちのひとつ、ダイムラーによるその内容との対比である。ちなみに、ダイムラーが発表したのは、同社が現行モデル向けにラインアップしている2.0ℓの4気筒ディーゼルエンジン、OM654(OM654D20)のダウンサイジング版にあたる1.6ℓのOM654D16というもの。

 両者ともに、すでに欧州で適用が始まっているEURO6d-temp/RDE(17年9月1日から、ただし継続生産車は19年9月1日から)への対応はもちろん、より一層の厳格化が進むとされるEURO6d/RDE(20年9月1日から、継続生産車は21年9月1日から)といった次世代の環境規制をも見据えて開発されたという点は共通するところなのだが、排気量拡大という手段を選んだマツダに対し、ダイムラーはダウンサイジングを選択と、それらは大きく異なっている。

 排気量を無理なく省燃費運転が可能なサイズに引き上げる「排気量適正化(ライトサイジング)」という手法にこだわり、尿素SCRという高価な後処理装置に頼らずに環境性能の確保を目指したというSKYACTIV-D1.8に対し、OM654D16では摩擦損失の低減を狙って、排気量を縮小。後者はすでに現行の二機種(OM654D20/OM656)で共通部品として使用している尿素SCR装置の使用を前提とするなど、スタート地点からして大きく異なるわけだが、環境規制対応という共通のゴールを目指しながらも、排気量の向かう先が“真逆” となっていることが面白い。

 OM654D16における摩擦損失低減へのこだわりは、清々しいほどで、フリクションの少ないボア・ストローク比を得るべく、モジュラーコンセプトのもとに設計された直列6気筒3.0ℓのOM656との間にあった共通性を潔く捨て、ボア・ストロークともに変更。さらにはOM654D20では装備されていたランチェスターバランサーの省略や、シリンダーオフセット量の適正化に加え、「CONICSHAPE」と呼ばれる独自の工法により、シリンダーを下方に向かって広がる円錐状に仕上げることで、大幅な低フリクション化を実現。

 いっぽうSKYACTIV-D1.8も、低張力ピストンリングの採用をはじめ、構造的に摩擦損失を極力抑える工夫を数多く盛り込むことで、一般的には摩擦損失に不利とされる排気量拡大のネガを極力回避。排気量の拡大によって生まれたトルク的な余裕を、運転回転数を抑制するダウンスピーディング化につなげるなどで、運用面も含めトータルでフリクション抑制を目指したものとなっている。

 なお、前述のシンポジウムで同様の発表を行なった、ほかの2社、BMWとVWは、それぞれ直列6気筒のB57、並列4気筒のEA288といった、従来エンジンをベースに、ターボやEGR、コモンレールなどのシステムや、その制御方法に手を入れることで、前述のマツダ、ダイムラーと同様の規制対応を実現している。エンジン本体から大幅な変更が加えられた前の2社のものが、環境性能を大きく高めたことはわかりやすいが、BMWとVWのそれらは、いわば従来エンジンの改良である。しかも、双方ともに最新世代の規制に対応しながら、ドライビングパフォーマンスの向上も果たしているのだ。

 これらに大きな変化をもたらしたものが何なのか、あえてひとつ挙げるとすれば、それは制御だ。とはいってもECUだけが異なるというようなレベルでなく、センサーやインジェクターなどといったエンジンマネジメントに関わるすべてのエクイップメントまで含む話で、じつは先のマツダ、ダイムラーの最新世代ディーゼルエンジンにも同様の要素が盛り込まれている。例えば、マツダのSKYACTIV-D1.8ではデンソーのi-ARTと呼ばれる技術による第4世代のインジェクター、G4Pを採用。制御の高速化により多段急速燃焼を実現した。ダイムラーを含むドイツ3社の制御システムも、やはり最新世代のものとなっており、低圧、高圧を使い分けるEGRシステムをはじめ、これまで以上に複雑な制御が可能となっている。

 これらドイツ3社と密接な関係を持つ、ボッシュによる、やはり18年の発表によれば、最新のECUとセンサー、インジェクターなどを組み合わせて、各部の運転状況、温度状態などを緻密に制御することで、排ガス中の規制対象物質の量を、EURO6d/RDEのさらに1/10以下に抑えることが可能だという。ただし、この制御に対応するECUではソースコードの行数にして800万行もの規模がソフトウェアに求められる。あのスペースシャトルに搭載されていたコンピューターのそれが40万行ほどであったと聞けば、詳細がわからなくとも、それがいかに膨大なものであるかイメージはできるはずだ。

 巨大なソフトウェアを滞りなく実行するためには、そこに実装されるCPUにもそれなりの能力が必要だ。それを実現するのは、弛みなく進化を続ける現代の電子技術であり、制御技術である。前述のマツダSKYACTIV-D1.8に用いられるデンソーのi-ARTもそのひとつだ。1990年代に同社が世界で初めて開発したコモンレール技術に成功したことにより、ディーゼルエンジンの電子制御化が一気に進んだことはよく知られる話だが、ディーゼルの電子制御技術はここにきて再び大きな躍進を遂げようとしている。

 一度は消えかかったかのように見えたディーゼルの火は、かき消されてはいなかった。最新の電子制御技術により、かつての欠点を克服したディーゼルは、持ち前の長所をさらに伸ばしながら、CO2排出量抑制の切り札としての立場を取り戻していくはずだ。

すでに欧州で施行が開始されているEURO6d-temp /RDE(RDE:Real Driving Emissions)、その先でさらに厳格化が進むと言われるEURO6d/RDEには、開発はもちろんのこと、認定作業においても、走行中の排ガス成分を測定するための車載用排ガス測定器、PEMS(Portable Emissions Measurement System)が必須となってくる。あらゆる走行条件下において、規制物質の排出量を抑えながらパフォーマンスを維持するためには高度なエンジンマネージメントが必要となる。写真で搭載されているのはM.O.V.Eと呼ばれるAVL製のPEMS。

フォルクスワーゲンのEA288evo

 2018年4月にドイツのウィーンで行なわれた最新エンジン研究のシンポジウムにおいて、技術手法が披露された次世代エンジンのひとつ。現行の直列4気筒ディーゼル、EA288をベースに、ほぼすべての部分の設計を最適化、最新の補機類と制御を組み合わせることでEURO6d-temp/RDEはもちろん、さらに厳格化されるその先の規制にも対応する。排気量バリエーションを2.0ℓ一本に絞り込むということもトピックのひとつ。

ボッシュによるディーゼル向けの最新制御システム。応答性に優れるセンサー類と、それらを備えるターボや、排気システム、さらには尿素SCRシステムに用いる尿素水(AdBlue)の供給システムを、高性能なECUを用いてこれまで以上に緻密に統合制御することで、NOxやPMといった有害物質の生成を大きく抑制。厳格化が進むとされるEURO6d/RDEで定められるとされる規制値の1/10以下というレベルを可能としているという。図中では、その研究開発に用いられるRDE対応のPEMSも描かれている。

デンソーによる最新世代のコモンレール用インジェクターの制御技術がi-ART。写真はそれが用いられるG4Pと呼ばれる、ピエゾ式インジェクター。乗用車において同技術が採用されたのは2015年のボルボ製D4エンジン(ただしインジェクターはソレノイド式のG4S)だったが、その後も少しずつ熟成を重ねながら、2017年にはマツダのSKYACTIV-D2.2に、2018年には同SKYACTIV-D1.8に採用され、燃焼状態の改善と環境性能の向上に大きく貢献している。インジェクター内部に圧力センサーと制御基板を内蔵する機電一体構造で、1/10万秒単位で微小な圧力変化を捉える。ディーゼルの燃料制御を次のステップへ押し上げた技術のひとつだ。

SKYACTIV-D1.8

2018年5月に大幅改良を受けたCX-3と共に登場した、SKYACTIV-D 1.8。排気量を従来の1.5ℓから1.8ℓに拡大する“ライトサイジング”化で、EGRの導入量を全域で増やしながらも、従来の1.5ℓ版と同等以上のトルクを確保することに成功。EGRの導入量を増やすと、燃焼室で窒素と反応する酸素量が減ることでNOxの抑制につながるわけだが、それは同時に燃料の燃焼に必要な酸素量の不足となってトルク低下にも繋がってしまう。このトルク低下分を排気量の拡大で補うというのがライトサイジングの主な目的だ。

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