トヨタが開発する「電動化時代に最適なエンジン」 1.5L直4&2.0L直4エンジンの狙い

2024年5月28日に都内で行なわれた『マルチパスウェイ・ワークショップ』では、スバル、トヨタ、マツダの3社が電動化時代の新たなエンジン/電動パワートレーンを発表した。トヨタが発表したのは、1.5L直列4気筒自然吸気(NA)および過給(ターボ)エンジンと、2.0L直列4気筒過給エンジンである。どんな狙いのどんなエンジンなのか?
TEXT:世良耕太(SERA Kota)PHOTO:山上博也(YAMAGAMI Hiroya)/TOYOTA

CN燃料、水素にも対応する「低ハイト」なエンジン

CTOセッションで、1.5L(右)と2.0L(左)エンジンを説明するトヨタ中嶋裕樹CTO

1.5L、2.0Lとも電動化との組み合わせを視野に入れており、水素を含めたカーボンニュートラル燃料への対応もカバーする考えだ。最終的にバッテリーEV(BEV)に収れんするにしても、各国のエネルギー事情等を考えると、そこに至るまでにはプラグインハイブリッド車(PHEV)やハイブリッド車(HEV)は必要で、まだまだエンジンを磨いていく余地は残っているとトヨタは考えている。

1.5L直4エンジン 自然吸気も過給も

従来の「エンジンに電動ユニットを加える」のではなく、「電動ユニットにエンジンを搭載する」のがコンセプト
テーマは小型化と高効率化
CN(カーボンニュートラル)燃料にも対応する
目指すは「電動化時代に最適なエンジン」だ。
新1.5L直4自然吸気エンジン
新エンジン側面視
新エンジン側面視

ますます厳しくなる排ガス規制やカーボンニュートラルの実現を考えると、規制強化を見込んだうえでエンジンの効率をもっと上げていきたい。その思いを実現するのが、マルチパスウェイ・ワークショップで公開されたエンジンである。

現行プリウスに新エンジンを搭載すると、これだかエンジン高が下がることを示している。

このエンジンの諸元上の最大の特徴は、低ハイト(低全高)であることだ。会場にはボンネットフードを開けた現行プリウスが展示されており、開発中の1.5L直4NAエンジンが搭載された様子が再現されていた。ヘッドカバーに置かれたスケールで、現行エンジンとの、数十ミリの高さの違いがわかるようになっていた。

1.5Lエンジンの場合、基準となる「現行」は3気筒。開発中のエンジンは4気筒なので、1気筒増やした時点で気筒あたりの容積は小さくなってストロークは短くなり、それだけで全高は低くできる。ただし、低ハイトを実現したカラクリはそれだけではない。現行機種よりもショートストロークにしている(ボアとストロークの比率であるストローク/ボア比=SB比を小さくしている)という。

新エンジンは、全高で10%、体積でも10%低減。

熱効率を向上させる手段のひとつとしてSB比は大きくしていくのがトレンドだ。そう考えると、トヨタの新開発エンジンはトレンドに逆行する方向。さらに、低ハイトを実現するため「連棹比もだいぶ無理している」と技術者は明かした。コンロッドを短くしたと理解していいが、そうするとシリンダー壁面への圧力が高くなって焼き付きやすくなるし、フリクションが増える。また、振動も大きくなる。

もっと言うと、ショートストロークにすることで、空気と燃料を均質に混ぜるためのタンブルの形成も不利になる。「細かな技術の積み重ねに尽きる」と技術詳細は明かしてもらえなかったが、当然のことながら、背反要素への対応については目処が立っているのだろう(技術詳細開示のタイミングを待ちたい)。

新1.5L NAエンジンの出力は既存エンジンをやや上回るレベルだが、これからの規制に対応すると既存エンジンの出力は大きく下がってしまう。

横軸に熱効率(燃費)、縦軸に出力をとったグラフでは、新1.5L NAは既存1.5L NAに対して熱効率は大きく向上し、出力もわずかながら向上することを示している。既存1.5L NAの破線の丸は現行の排ガス規制で見た場合、実線の丸は(ユーロ7など)次期排ガス規制に適合させた場合の位置づけだ。現行機種で次期排ガス規制に対応させようとした場合は出力を落とさざるを得ないが、新開発エンジンは織り込み済みの設計としているのでその必要はないことを示している。

新1.5L過給の場合、比較対象は現行2.5L直4NAとなる。排気量が4割小さいことも生きて全高は15%低く、体積は20%低減できる。既存2.5L NAを新しい排ガス規制に適合させるには、出力を30%落とさなければならないが、北米では3列シートSUVに設定されるこのエンジンの出力が30%下がったのでは、商品力を維持できない。だから、「新しいエンジンが必要」なのだ。

新1.5L直4エンジンは過給にも対応する。代替するのは2.5L自然吸気エンジンだ。

新2.0L直4過給エンジン

新2.0L過給エンジン。縦置き/横置きどちらにも対応する。
新2.0L過給エンジン前面視(吸気側)
左が排気側、右が吸気側

新2.0L過給エンジンは、やはり、北米3列シートSUVに設定される既存2.4L過給エンジンの代替をまずは想定している。全高、体積ともに10%低減し、燃費が良くて、出力も高くなる。そのため次期排ガス規制下では、かなり大きなアドバンテージを持つことが予想できる。

厳しくなる排ガス規制だけでは、低ハイトにする理由を説明したことにはならない。新エンジン開発の動機づけとなったのは、2023年秋のジャパンモビリティショーで展示されたレクサスLF-ZCである。このBEVは低ハイト・高エネルギー密度の次世代電池や小型化したeAxle(モーター+減速機)、小型化したHVAC(空調ユニット)の採用により、従来のBEVでは実現しえなかったパッケージングとスタイリングを実現している。

レクサスLF-ZC BEV用のプラットフォームにも新エンジンは搭載できる

「LF-ZCはバッテリーEVだからできたんだろうと言われますので、我々はエンジンでもできることを証明したかった」と、中嶋裕樹CTOは、新エンジン開発のもうひとつの動機を説明した。低ハイトのエンジンを開発すれば、現行プリウスよりももっとスタイリングに振った設計が可能になるし、デザインの自由度が高まる。

新エンジンは電気リッチ(高出力モーター+大容量バッテリー)でも電気リーン(小出力モーター+小容量バッテリー)でも対応できる柔軟性の高い設計としている。例えば電気リッチにした場合はモーターの出番を多くすることができるので、エンジンは楽をでき、回転数を下げたり、トルクを下げたりして使うことができる。電気リーンの場合はその逆だ。中嶋CTOは、「電動化とマッチングしやすいよう、エンジン本体を鍛え直しました。従来のエンジンとはまったく異なる発想で構成しています」と付け加えた。

新2.0L過給エンジンが代替するのは現行2.4L過給エンジン(T24A型だろう)よりコンパクトだ。
現行2.4L過給エンジンは次の規制に対応すると30%も出力が下がってしまう。

新エンジンは電動化を前提に効率面を鍛えただけではない。出力面でも鍛えており、2.0L過給エンジンの赤いシリンダーヘッドカバーが、高出力化の面でも検討が進んでいることを示している。

新エンジン搭載車に試乗!

スーパー耐久富士24時間(5月25日〜26日決勝)の開催期間中、富士スピードウェイ内にあるトヨタ交通安全センター モビリタで、開発中の2.0L過給エンジンが縦置き搭載された試験車に試乗することができた。車名を公表するわけにはいかない(そのクルマに載るとは決まっていない)ので、便宜上セダンとピックアップトラックということにしておこう。

セダンには最高出力400馬力、最大トルク500Nmの仕様が積まれており(実際にこのスペックで登場するとは限らない。あくまで検討の一環である。以下同)、多段ATを組み合わせている。赤いヘッドカバーのエンジンはこの仕様イメージしたものだ。ピックアップトラックには最高出力300馬力、最大トルク400Nmの仕様が載っており、MTの組み合わせだ。出力/トルクを抑えたぶん、極低回転域から最大トルクを発生する設定になっている。

ピックアップトラックはアクセルペダル低開度、無過給の発進時から苦もなく転がりだし、ペダルに込める力を強くしていくと、ドライバーの加速意思に即応して力が出、官能的なサウンドを伴いながら、ぐんぐん加速していく。GRヤリスやGRカローラを彷彿とさせる気持ち良さだ。低速トルクの特性を重視した300馬力/400Nm版はディーゼルからの代替を視野に入れた仕様のようだが、ひと転がり目の蹴り出しだけでなく、中間加速も全開加速も、高速段低回転時の扱いやすさも備えており、柔軟性の高さが印象に残った。

どこから踏んでも間髪入れずに反応してくれる点では、400馬力/500Nm仕様を積んだセダンも変わらない。この試験車はマニュアルモードに切り換え、パドルの操作で変速しながら試乗した。助手席のインストラクターは、「(今回の試乗では)2速で6000rpm、3速で7000rpmまで回していただけます」と言った。

ただ回るだけでなく、よどみなく、雑味を感じさせることもなく、スムーズに、きれいに回る。言わずもがなだが、圧倒的に力強い。官能的なサウンドをともなうのは、ピックアップトラックと同じだ。聞けば、もっと高出力な方向も(モータースポーツ用途も視野に入れながら)検討しているという。

環境エンジンだからといって、大人しくて退屈になるとは限らない。いや、絶対にそうしてはならない、という強い意志を感じた。

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著者プロフィール

世良耕太 近影

世良耕太

1967年東京生まれ。早稲田大学卒業後、出版社に勤務。編集者・ライターとして自動車、技術、F1をはじめと…