エンジン博士畑村耕一「ダイハツのD-CVTは革新的。対向ピストンエンジンにも注目せよ」：自動車用パワートレーンの将来

マツダでミラーサイクル・エンジン開発を主導したエンジン博士の畑村耕一博士（エンジンコンサルタント、畑村エンジン開発事務所主宰）が、2020年のスタートにあたり自動車用パワートレーンの将来：2020年の年頭に当たって」を寄稿してくださった。第３回のテーマは、「エンジンもトランスミッションも新しい変革が始まる」だ。 TEXT◎畑村耕一（Dr.HATAMURA Koichi）

エンジンもトランスミッションも新しい変革が始まる

ダイハツの遊星歯車を使ったスプリット駆動のD-CVTが市場導入された

ダイハツから軽自動車と小型乗用車に新しいCVTが搭載されて市場導入された（図１）。CVTは低速トルクのないエンジンから電気自動車のような理想の駆動力特性を発生させるトランスミッションで、なめらかな走りを実現できるだけでなく、モード走行中のエンジン回転数を自由に設定できるので、カタログ燃費を向上できるというメリットがあり、日本では小型乗用車、特に軽自動車の主流になっている。ただし低速トルクのないエンジンと組み合わせると、エンジン回転数が上昇するまでは充分な加速が得られないラバーバンドフィールと称される違和感がある、伝達効率が低いために高速走行燃費が良くないという問題があった。そのため、日本以外、特に高速走行の多い欧州ではほとんど普及していない。HEVとともにこれまでは日本がガラパゴス状態だった。 アウディ2.0TSIのチェーン式CVTは、MFi-Vol.79の『博士のエンジン手帖』で紹介をしたように、低速トルクのある過給ダウンサイジングエンジンとの組み合わせで、ラバーバンドフィールはほとんど感じないレベルに仕上がっていた、ただし、高速燃費の問題からか、アウディはCVTをやめてしまった。そこで不要になった生産設備を使ってチェーン式CVTを引き継いだのがスバルで、高出力のターボ過給エンジンと組み合わせたが、ターボとCVTの応答遅れがダブルラグになって、ラバーバンドフィールは最悪だった。CVTは低速トルクが充分高い過給ダウンサイジングエンジンとの組み合わせとチューニングの思想が重要だ。 そこでダイハツのD-CVTの話に戻すと、遊星歯車機構を使ってCVT経由と歯車経由に動力伝達を分割するものだ。レシオカバレッジ（変速比）幅が増加すると同時に高速の伝達効率が8％も向上するというスグレモノだ。MTやDCTにはかなわないとしてもATの伝達効率と同等レベルになったということ。逆に、これだけ向上代があるということは、従来のCVTの効率の悪さを物語っているとも言える。

D-CVTの原理は説明するのもややこしいが、MFi-Vol.159の『博士のエンジン手帖』でも紹介したように、図2に示すトヨタのHTS（MFi-Vol.84P72に詳しい）のジェネレーターとモーターを組み合わせた電気CVTをメカのCVTに置き換えたと考えればイメージがつかめるだろう。ただし、単純なCVT駆動と切り替え可能にするために、モーターに当たるCVT出力はリングギヤでなく、青線で示すようにプラネタリーキャリアに伝えているところが少し異なる。 D-CVTを搭載したダイハツ・ロッキー（トヨタ・ライズ）は1.0ℓダウンサイジングターボと組み合わせており、応答性、高速燃費はAT並の実力がありそうだ。レシオカバレッジを拡大するために8速になりつつあるATに比べて、コスト面でも優位に立つはずだ。加えて、エンジン回転数を連続的に制御できるということは、エンジンブレーキもアクセルで制御できるので、EVやシリーズハイブリッドで採用されているe-Pedal（日産の商標）の採用が視野に入ってくる。 従来のアクセルは加速、ブレーキは減速と分かれていたのは、アクセルがスロットルにつながり、ブレーキが油圧マスタシリンダにつながっているというメカの都合で決まったもので、ドライバーの要求から決まったものではない。わがままを言えば、アクセルで加減速を含む速度コントロール、急に減速・停止したいときにブレーキを使いたい。好都合なことに、EVの場合はモーターというメカの都合でアクセルを設定すれば、減速（回生）も含むアクセルコントロールができる。エンブレを利用すればCVTでも実現できる。停止時のブレーキ制御を追加すればe-Pedalの完成だ。従来のアクセルに慣れたドラバーは、しばらくは違和感に戸惑うが、一週間程度乗るとその良さがわかってくるはずだ。 筆者はデミオディーゼルからノートe-POWERに乗り換えて1年になるが、普通のAT車は変速ショックと大きなエンジン回転（騒音）変化、下り坂でのエンジンブレーキの調整（ギヤの選択）、市街地走行での頻繁なブレーキ操作……以前は当たり前だと思っていたことに違和感を感じてしまう。e-Pedalに乗り慣れると、従来の車がすごくが時代遅れに思えてしまう。 そこで低速トルクの高い過給ダウンサイジングエンジンにD-CVTを組み合わせてe-Pedalを採用すれば、スムーズで快適な走りを実現できる。高速燃費もATと遜色ないし、市街地はe-Pedalによる楽々運転ができる。マイルドハイブリッドと組み合わせると、減速時の回生ブレーキと油圧ブレーキの複雑な協調制御が不要になるだけでなく、回生量を高めて燃費向上にもつながる。コストでも優位となると、将来に向けて主流になる可能性を秘めている。ただし、設備の変更が大きいので、小型乗用車を中心に日本車の採用が増加し、遅れて世界的に広まっていくと予想している。

中型以上は当分は多段ATが主力で、いずれストロングハイブリッドになっていくだろう。小型で安価な車については、2016年に実用化され、昨年搭載車種が増加した図3のスズキのAMTハイブリッドに注目したい（MFi-Vol.125『博士のエンジン手帖』）。安価で伝達効率が高いMTをロボットが操作するAMT（Automated manual Transmission）の駆動軸側にマイルドハイブリッドの小型モーターを搭載したものだ。変速中の駆動力抜けを瞬時のモーターアシストで補うので、AMTの最大の欠点を緩和できる。モーター出力が小さいので急加速の変速では駆動力抜けが感じられるが、通常走行ではATに遜色がない変速を実現している。ハイブリッド用バッテリーやモーターは安価とは言い難いが、ベースになるMTは低コストと高い伝達効率で低価格車のトランスミッションとしては理想的だ。欧州のAVLやFEVでも開発されていたし、マイルドハイブリッドが一般化すると、このHEVの競合力が高まって普及していく可能性が高い。ただし、低速トルクの高い過給ダウンサイジングと組み合わせてモーターはもっと大きくする必要がある。

内燃機関シンポジウムで対向ピストンエンジンのフォーラムとセッションが開催された

2019年12月に広島で開催された第30回内燃機関シンポジウムでは、２ストロークと対向ピストンエンジンが大きなテーマとして取り上げられた。米国からDOE(合衆国エネルギー省)のアトキンソン博士、日本でも教え子が多いウィスコンシン大学のフォスター先生を招いて、基調講演とフォーラムが開催され、続いて9件の論文発表がなされた。以下はシンポジウムの講演から興味深いところを紹介する。 その前に2019年にも紹介（⑦2ストローク対向ピストン・ガソリンエンジンの可能性）した対向ピストンエンジンについて復習しておく。 2000年代に入ってガソリンエンジンのストローク・ボアレシオ（S/B比）はロングストロークになってきた。最新エンジンをとると、マツダは1.1に、トヨタは1.2に統一されてきている。ホンダの軽自動車用エンジン（図4）は1.29までになった。実験室でもロングストロークの研究が盛んで、S/B比1.5程度の研究例が多い。SIPでは最終的にS/B比1.7で熱効率50％を超えている。ロングストロークにすると、ボアが小さくストロークが長くなるので、上死点の燃焼室形状が直径が小さく厚みが増す。その結果、単位容積あたりの表面積を表すサーフィス/ボリュームレシオ（S/V比）が減少するので、冷却損失が減少する。燃焼室直径が小さくなるので燃焼期間が減少、実質的な膨張比が高くなるので排気損失が減少する。結果、高い熱効率が得られる。

エンジン高さが制約される自動車用エンジンでS/B比＞2を実現するのが対向ピストンエンジンだ。図5に示すように、ひとつのシリンダー内を対向して往復運動する2組のピストンとクランク機構を持つので、S/B比が2倍になる。見方を変えると、同排気量の2気筒エンジンを上下に重ねて1気筒にするので、シリンダーヘッドの表面がなくなって、S./V比が半分近くに減少する。２本のクランクは歯車で連結して同期を取っているが、排気をスムーズに行なうために排気側のクランクの位相を吸気側クランクより進角させるのが一般的だ。シリンダーヘッドがなくなるということは吸排気バルブを付けるところがなくなるということで、ポペットバルブでなくシリンダ壁に空いたポートをピストンで開閉することで吸排気を行う2ストロークエンジンになる。特徴的なのは、2つのピストンが反対方向に往復運動するので往復質量の不釣り合いがない、トルク変動の反力モーメントも逆転する2本のフライホイールでバランスすること。この無振動特性を利用したのが、石川エナジーリサーチのドローン用エンジンだ。横に飛び出した燃焼室に吸排気バルブを設定して、例外的な4ストロークの対向ピストンエンジンを開発している。

2ストローク対向ピストン（OP2S）の意味を考えてみよう。図6はフォスター先生の講演から引用したもので、左が従来の4ストローク、右が2気筒分を1気筒にしたOP2Sだ。排気量は同じだが、同じトルク（燃料流量）の場合、4ストロークで1回（2回転）に噴く燃料をOP2Sでは2回に分けて噴くので、その量は半分になって、2気筒分とすれば1回の燃料噴射量は変わらない。OP2Sの吸入空気量は2気筒分なので、OP2Sは空気過剰率λ＝2のリーンバーンになることを意味している。毎回転爆発を利用して2倍に近いトルクを出そうとしていた従来の2ストロークエンジンに対して、出力でなく熱効率を高めるための2ストロークエンジンの新しい考え方だ。今、何故2ストロークかを理解したかったら頭を切り替える必要がある。同じくフォスター先生は、OP2SのS/V比の低減効果を計算して、4ストロークの従来エンジンに比べて30％減少することを示している。

2ストロークの問題は、排気行程と吸気工程が分かれていないので、残留ガスを確実に掃気することが難しいことだ。特に低負荷では残留ガスが大量に残る、減らそうとすれば大量の新気を押し込むので超リーンバーンしか燃焼が成立しない。また、高負荷では新気が吹き抜けるというジレンマに陥る。そのため、自動車用としては2ストロークガソリンエンジンが70年代に消滅して、ディーゼルエンジンも90年代にはなくなった。その点、対向ピストンの超ロングストロークのユニフローにすれば、図8を見るとわかるように残留ガスと新気が混ざりにくくなって、掃気はかなり改善される。3D-CFDによるシミュレーション技術が普及してきたので、さらに掃気の改善が期待できる。

フォスター先生が指導している2004年に設立されたカリフォルニア州サンディエゴのアキーテス（Achates）・パワー社では、創業以来、対向ピストンディーゼルエンジンの開発を進めており、図9に示すように2.7ℓ～14ℓの自動車用対向ピストンディーゼルエンジンを中心に幅広く開発を進めている。いずれもターボチャージャーとスーパーチャージャーの2段過給システムを採用しているが、その熱効率は、図10に示すように2.7ℓで44％、4.9ℓで50％に迫る49.2％と報告されている。燃費マップを見ると、燃費が良好な領域が低負荷まで広がっているのが特徴的だ。最近では図11に示す小型トラック用2.7ℓ/3気筒ガソリンエンジンを開発中だ。デルファイが以前から開発してきたGCIと呼ぶ圧縮着火ガソリンエンジン（低負荷はHCCI）の技術を導入したもので、2.7ℓV6比24％の燃費向上を達成し、最終的に30％燃費向上を目標としている。

図9を注意深く見ると、左下にシリーズハイブリッド用の0.9ℓエンジンの開発が日産と共同で進められていることがわかる。アトキンソン博士がプログラムマネージャを務めるARPA（DOEの下部組織）が200万ドルの開発資金を提供して進められているものだ。まだ詳細は公表されていないが、左右のクランクシャフトにそれぞれジェネレーターを直結にして、ジェネレーターを利用して左右のクランクシャフトの同期を取ろうというもので、楽しみなプロジェクトだ。

一方、ホンダでも航空用ディーゼルエンジンとしてAchates社と提携して開発が進められており、図12のように、エンジンの概要と実験結果がシンポジウムで報告された。エネルギーバランスを見ると、S/V比減少にともなって冷却損失が30％低減された結果として、大幅な図示熱効率向上が得られている。 このシンポジウムを機に、多くの日本のエンジン技術者に対向ピストンエンジンに興味を示して頂いたので、今後の展開が楽しみである。