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燃焼、摩擦、ターボ過給、熱電変換の技術で環境にやさしい内燃機関へ ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンともに正味最高熱効率50%超を「産産学学連携」で達成

  • 2019/02/01
  • Motor Fan illustrated編集部
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内閣府 総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「革新的燃焼技術」において、慶應義塾大学の飯田訓正特任教授、京都大学の石山拓二教授、早稲田大学の大聖泰弘特任研究教授らは、乗用車用のガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンともに、正味最高熱効率50%を上回ることに成功した。

 現在市場に出ている乗用車のエンジンの熱効率は40%程度。本プロジェクトは、過去40年間かけて自動車企業が10%ほど向上させた熱効率を、5年間という短期間でさらに10%引き上げるという野心的な目標を掲げていた。

 本プロジェクトでは、ガソリンエンジンについては、超希薄燃焼(スーパーリーンバーン)、ディーゼルエンジンについては、高速空間燃焼の実現に成功した。さらに両エンジンに共通する損失低減のための研究開発によって、機械摩擦損失の低減技術、ターボ過給システムの効率向上技術、および熱電変換システムの効率向上技術を開発した。これらの技術を統合した結果、ガソリンエンジンでは51.5%、ディーゼルエンジンでは50.1%の正味最高熱効率を得ることができた。

 このほか、本プロジェクトでは、東京大学の金子成彦教授らにより、自動車エンジンの3次元燃焼解析ソフトウェア「HINOCA(火神)」、PM(粒子状物質)生成のモデル「RYUCA(粒神)」、および自動車エンジン燃焼のモデルベース制御システム「RAICA(雷神)」の構築にも成功している。

 今回の成果は、今後数十年間は主流と予測されている内燃機関を搭載した自動車による環境負荷を低減し、世界の二酸化炭素(CO2)排出量の削減に貢献するもの。さらに、燃焼分野の基礎科学を発展させると同時に、日本の産業競争力の強化をもたらす。

 これらの研究成果は、「産産学学連携体制」を構築し機能させることによって、オールジャパンのアカデミアの基礎研究力を引き出し成し遂げられた。この体制は、本プロジェクトが終了した後も持続するよう、産学の取り組みが開始している。

 上記の詳細は、2019年1月28日開催のSIP革新的燃焼技術の最終公開シンポジウムで発表された。

研究の背景と経緯

 自動車の電動化が進む中で、2040年でもハイブリッド車やプラグイン・ハイブリッド車も含めて、世界の全自動車保有台数の約89%は、内燃機関が搭載されると予測されている。従って、世界のCO2排出量を減らすためには、内燃機関の熱効率向上は不可欠だ。これまで、日本を始めとする世界各国の自動車会社が、内燃機関の熱効率向上技術の開発に取り組んできた。しかし技術の成熟化に伴いその飛躍的な進展はますます難しくなっており、1970年代に30%だった熱効率は、40年以上をかけても40%に到達する程度だった。

 乗用車用エンジンの熱効率のさらなる向上が難しくなっている背景には、エンジンの燃焼現象が極めて複雑かつ高速で、空気量、燃料量、燃焼のタイミングなどコントロールするパラメーターが膨大なことにある。

 エンジンは、ピストンの動きに合わせて急激な化学反応と発熱が起こり、それによって生じる圧力がピストンに作用し大きな動力を生み出すという仕組みになっている。さらに、このような燃焼が、1秒間に何十回も間欠的に起こっている。エンジンとして成立させるには、これらを安定して起こし続けなくてはならない。

 熱効率をさらに向上させるには、燃焼過程で動力に変換されないで捨てられているエネルギー損失を極限まで低減できる新しい燃焼コンセプトを創出し、さらにその燃焼過程をこれまで以上に高度に制御することで、そのコンセプトを実現する必要がある。
 そのためには、熱の移動、流体の挙動、物質の移動、化学反応、およびこれらの相互作用で高速に進行する燃焼現象を科学的に解明し、その基礎的知見に基づく技術開発が重要だ。
 燃焼過程だけではない。エネルギー損失を低減するには、高速に動くエンジンの仕組み上どうしても発生する、摩擦によって失われるエネルギーを減らす技術、および排気として放出されるエネルギーを有効利用するターボ過給や熱電発電といった技術の開発も必要である。
 熱効率向上は、これらの知見を統合することで初めて成し遂げられる、複合的な科学技術の粋と言える。

研究の内容

 上記のような背景により、戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)「革新的燃焼技術」では、機械工学やエンジン工学のみならず、燃焼科学、伝熱科学、反応化学、流体力学、トライボロジー、高分子化学、計算科学など、多種多様な分野にまたがる大学・公的研究機関に属する研究者が結集して、熱効率向上のための研究開発を行ってきた。
 また、JSTとの連携協定に基づき、自動車用内燃機関技術研究組合(AICE)が、研究費を受けない支援者の立場で参画し、大学等に対し、産業界のニーズの提示、実験装置の提供、安全確保の支援、また実機検証の支援などを行ってきた。

 このような産産学学連携の体制構築と運営の成功により、以下のような研究成果を得て、さらにこれらの成果を、排気の温度・流量や燃焼によって発生する圧力などの条件を一致させ、かつ相乗効果や背反も考慮して統合することによって、ガソリンエンジンでは51.5%、ディーゼルエンジンでは50.1%の正味最高熱効率を達成することができた。

1. ガソリン燃焼の高効率化に関する研究開発
(1) 研究実施者:ガソリン燃焼チーム(研究責任者:飯田 訓正 慶應義塾大学 大学院理工学研究科 特任教授)
(2) 研究開発概要
① 燃焼コンセプト:「超希薄燃焼(スーパーリーンバーン)」
② コンセプト実現のための課題:従来の点火技術だと着火しにくい。大きな放電エネルギーを与えて部分的に着火させても、火炎が伝播するときと消炎し伝播しないときの変動が大きく、燃焼が安定しない。
③ 実施内容と成果:超希薄燃焼場に強力なタンブル流(縦渦)を導入した、高乱流・希薄燃焼の現象を解明。その結果に基づき、安定着火を可能とする点火技術を開発。これにより、エネルギー損失の低い低温燃焼となる超希薄燃焼を実現し、熱効率向上の実証に成功。

2. ディーゼル燃焼の高効率化に関する研究開発
(1) 研究実施者:ディーゼル燃焼チーム(研究責任者:石山 拓二 京都大学 大学院エネルギー科学研究科 教授)
(2) 研究開発概要
① 燃焼コンセプト:「高速空間燃焼」
② コンセプト実現のための課題:エンジン燃焼室の壁近くでの火炎の滞留や後燃え注6)によって、エネルギー損失(冷却損失)が生じたり燃焼エネルギーの仕事への変換効率が低くなったりする。
③ 実施内容と成果:燃料噴霧の発達や燃料濃度の分布に関する詳細な解析と実験により、燃料噴射の在り方と火炎形成の関係を解明。また、後燃えの要因を特定。その結果に基づき、燃料噴霧が空気を巻き込みながら最適に分散する、燃料噴射技術を開発。これにより、火炎が壁から離れて配置され、かつ後燃えを低減する高速空間燃焼を実現し、熱効率向上の実証に成功。

3. 損失低減に関する研究(ガソリン燃焼とディーゼル燃焼の両方に共通)
研究実施者:損失低減チーム(研究責任者:大聖 泰弘 早稲田大学 研究院次世代自動車研究機構 特任研究教授)
3-1. 機械摩擦損失の低減に関する研究
(1) 研究実施者:機械摩擦損失低減グループ(リーダー:三原 雄司 東京都市大学工学部機械工学科 教授)
(2) 研究開発概要:固体潤滑剤と軟質金属から構成される高耐久の低摩擦層およびその表面改質技術の開発などにより、エンジンの摺動表面に低摩擦機能を付与し、機械摩擦損失の55.5%低減を実証。
3-2. 排気エネルギー有効利用に関する研究(ターボ過給の高効率化)
(1) 研究実施者:ターボ過給ワーキンググループ(リーダー:宮川 和芳 早稲田大学 理工学術院 基幹理工学部 教授)
(2) 研究開発概要:流体解析に基づき翼列、流路を新たに設計するとともに、伝熱と軸受での摩擦を考慮したターボ過給機システムを構築。市販ターボ過給の効率を10ポイント以上上回る、最大69%程度の効率値を実証。
3-3. 排気エネルギー有効利用に関する研究(熱電変換システムの高効率化)
(1) 研究実施者:熱電変換ワーキンググループ(リーダー:飯田 努 東京理科大学 基礎工学部 材料工学科 教授)
(2) 研究開発概要:発電温度域を中低温に拡大できる、新たな素子およびモジュールを開発。排気熱との熱交換システムを含めて、最大1.3%程度の熱効率相当の性能があることを実証。

今後の展開

 上記の成果に対して産業界が寄せる期待は大きく、AICEを構成する各自動車会社では、エンジンの計測技術や機能予測技術、また設計改善の方向付けなど、活用が始まっている。本プロジェクトで得た、乱流燃焼のメカニズム、壁面近傍の熱流体の挙動、ノッキングが起こる仕組みなどの基礎的な最先端の知見や技術などは、各社に競争領域の開発研究や設計に取り込まれ、乗用車としての性能開発、信頼性・耐久性や、製品としての量産性などを確保する方策と合わせて検討され、製品化に結びつく。
 また、各成果をさらに発展させるための産産学学連携による研究開発を、本プロジェクト終了から間をおかずに開始・持続できるようにする、産学での検討も進んでいる。

 さらに注目すべきは、本プロジェクトで構築したモデルやソフトウェアがもたらす、産学双方における研究開発に資する効果である。本プロジェクトでは、得られた知見を、実験式や物理式で表現されるモデルやソフトウェアの形式にまとめることを重視してきた。これによって各成果が明確になり、大学等での次の研究開発で継承されやすくなる。その結果、エンジン工学に限らない基礎から応用にわたる幅広い学問分野への発展が期待されていると同時に、自動車産業のみならず、燃焼や流体を扱う広い産業分野に、経験と勘を超えたサイエンスベースの先進的なものづくりであるモデルベース開発(MBD)をもたらすことが大いに期待されている。

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