ディーゼル覇権の歴史 DEを高度に作り上げた日本・ドイツ・イタリアの技術[内燃機関超基礎講座]

日産YD25DDTi型ディーゼルエンジン
近年の伸張著しいディーゼルエンジンは、日本とドイツ、そしてイタリアの三国による技術革新によって発展を遂げてきた。本稿では、ディーゼルエンジンの筒内直接噴射というタイミングから、進化の道程と三国の覇権の歴史をじっくりと追ってみる。

ディーゼルエンジンは、CO2低排出として欧州を中心に大勢を占めている。かつては、汚い/うるさい/重いとして嫌われていたが、急速な技術革新によって、一気に主流に躍り出ているのはご存じのとおりである。

立役者は、コモンレールをはじめとした燃料噴射システムの高度化。そしてターボチャージャーによる過給。圧縮によって高温高圧となった空気に、いかに燃料を噴くか、どのように燃やすかという追究によって生まれた、現代のディーゼルには決して欠かせないデバイスである。

ディーゼルは高出力を追求すると高温燃焼によるNOxが、燃え残りが生じればPMが発生する宿命がある。かつてはNOxとPMの発生がトレードオフとされて、自動車メーカーはいずれかの処理に軸を置き、燃焼室を設計していた。しかし近年のトレードオフ関係は、NOxとCO2。後処理装置の進化に支えられ、ディーゼルの作り方も変化を迎えている。現代のディーゼルは、規制を受けて今後、どのような方向に進んでいくのだろうか。

1986:世界初の直噴ターボディーゼル

フィアット・クロマ。世界で初めて直噴ターボディーゼルエンジンを搭載した。

少々意外、といってはイタリアに失礼だが直噴式のディーゼルエンジンを市販乗用車に最初に搭載したのはフィアットだった。当初からターボ過給を備えた意欲作である。当時のDセグメント車・クロマに設けられたTD i.d.(Turbo Diesel iniezione diretta:直接噴射の意)が該当グレードで、ボッシュのシステムを用いていた。直列4気筒のSOHC直打式8バルブで排気量は1929cc、吸排気バルブ間にインジェクターを配置する構造。最高出力は70kW(95ps)/4200rpmを発揮していた。

日本初の市販車搭載直噴DEである4JB1型は、すぐにターボ過給+インタークーラーを備える4JB1Tも登場。1987年にビッグホーンに搭載した。直列4気筒OHV8バルブで、2771cc。分配式の燃料噴射装置を備えていた。
いすゞの4JB1型は、小型トラック・エルフの4代目登場時の全車直噴化に伴ない登場。直噴という点では同系統の4JA1型(2499cc)とともに小型エンジンでは世界でも最初期の搭載であった。4JB1T、4JB1TC(EGRを備えた環境対応仕様)などのバリエーションがその後現れている。

1989:アウディ・TDIの登場

現在のディーゼルエンジンの主流の一翼を担う、VW/AUDIのTDI第一弾は、1989年の登場。完全電子制御式直噴ターボの嚆矢である。Turbocharged Direct Injectionの略称。アウディが得意とする直列5気筒で直打式SOHC10バルブ、2461ccの排気量で圧縮比は19.0としていた。ボッシュの分配型ポンプから最大90MPaの燃料噴射圧とし、85kW/265Nmのスペックからスタートしている。94年にはラジアルピストン式の分配型ポンプを備え、103kWを発揮している。

2.5 TDIが初搭載されたのは当時の大型車・アウディ100。最高速は200km/hに達し、5.7ℓ/100km(約17.54km/ℓ)の低燃費性能も有していた。アウディのみならずVWの商用車や舶用エンジンとして、果ては90年代にボルボにも搭載されたユニークで長い実績を持つユニットである。

1990:トヨタの直噴ターボディーゼル

80系ランドクルーザーに搭載された1HD-Tは直列6気筒SOHC12バルブの排気量4163ccで、渦流型の1HZ型の燃焼室を直噴式に変更したユニットである。末尾のTが示すようにターボ過給を備える。圧縮比は18.6で最高出力121kW/3600rpm、最大トルク361Nm/1400rpmを発揮した。先代の60系ランドクルーザーに搭載されていた直噴式12H-Tの後継として登場したが、排ガス規制の関係からバンへの搭載にとどまっている。

1991:VGTの採用が始まる

VW/AUDIがTDIにVGTを搭載し、市場に投入を開始した。1.9 TDIのペットネームは同じものの、こちらは直列4気筒。SOHC8バルブの排気量1896ccで、圧縮比は19.0であった。VGTの恩恵で、1700rpmという低回転から大トルクを発生させることに成功している。VGTのサプライヤーはハネウェル。アウディ80から導入が始まり、その後VWグループの各車に膨大なバリエーションとともに展開されている。

ターボ過給を伴なわない直噴DEもラインアップに残り、この自然吸気仕様はSDI(Suction Diesel Injection)の名称を与えられている。1.7〜2.5ℓのバリエーションがあった。

1992:デンソーがコモンレールを発表

ディーゼルエンジンが現在の環境エンジンの主流を占めるに至った最大の功労者・コモンレールは、デンソーが一番乗りを果たした。アイデアは古くからあったものの、実用化はデンソーが世界初。それまでの高圧発生/シリンダーのシステムに対し、あらかじめ高圧で燃料を溜めるタンク(コモンレール)からそれぞれの気筒への噴射装置に配分し、筒内に直接噴くシステムで、当時は120MPaの噴射圧、2回噴射/燃焼の仕様だった。

1994:4バルブ化と効率化の追求

1HD-Tに改良を加え、4バルブ化したユニットが1HD-FT。4バルブによってインジェクターを燃焼室中央に配することができ、さらにバルブ面積も拡大できることで効率を著しく高めることができた。バルブトレーンはSOHCのままでロッカーアーム+バルブブリッジを用いる構造。性能もさることながら、PM排出抑制をはじめとする環境対策にも力点が置かれたのが特徴。その後、インタークーラーを備える1HD-FTEが登場している。

1997:ボッシュがコモンレールを量産開始

デンソーが1992年の世界初のコモンレールシステム発表時に商用車へ活路を見出し、アプローチもトラック寄りであったのに対し、ボッシュは当初からコモンレールの展開先を乗用車として見定めていた。燃料噴射圧は135MPa。欧州の環境規制がCO2排出量主体であり、市場が大きい乗用車搭載の意義を重要視したのである。同年、ディーゼル燃料噴射装置のサプライヤーであるゼクセルへの出資比率を引き上げ、同社の筆頭株主に収まった。

コモンレールシステム初搭載乗用車は、アルファロメオ156JTD。またもや世界初の栄誉はイタリアであった。コモンレールのさまざまな特許をフィアット・パワートレーン・テクノロジーズが抑えており、ボッシュが購入したという経緯も少なくないだろう。直列4気筒SOHC8バルブ・1910ccの排気量で、77kW/255Nmを発揮した。
ダイムラーはコモンレールシステムをさっそく調達、4バルブヘッドと組み合わせ、220CDI(Common rail Direct Injection)としてCクラスに搭載し、OM611型としてフランクフルトショーで市場に登場させている。75kW/235Nmと92kW/300Nmのふたつの仕様をそろえていた。2151ccから、のちに2148ccに排気量変更を受けている。

1998:日本勢の新世代ディーゼル

欧州でのディーゼルエンジン気運の高まりを受けて、国内でも新しいユニットが登場し始めた。日産のYD型(上)は「あちらを立てればこちらが立たず」のトレードオフ関係であったNOxとPMの同時低減を可能とした意欲作。EGRを大量に導入することで燃焼温度を低下させNOxの排出を抑制。また、高スワール流によって燃料をよく混ぜ、PMが生じにくくする。現代の環境対策と同様の手法を早くから採っていた。

いすゞ・4JX1-TC型エンジンは、直噴式+ターボ過給であるのみならず、コモンレールシステムを搭載していたのが白眉。ただし、デンソー/ボッシュのいずれでもなく、キャタピラー社との共同開発によるHEUI方式(Hydraulic Electric Unit Injector)を用いていたのが特徴。エンジンオイルを加圧しユニットインジェクターを油圧駆動するシステムで、最大噴射圧は当時最大級の140MPaを誇っていた。直列4気筒DOHC4バルブで、排気量は2999cc。

1999:トヨタがデンソーのコモンレールを採用

商用車向けから乗用車向けにシフトし、ボッシュに遅れること2年後の1999年に、デンソーのコモンレールシステムを搭載したユニットが登場。トヨタ・1CD-FTVと称する新型エンジンは、直列4気筒DOHC4バルブ・排気量1995ccで、先述のデンソーのシステムをさらに改良した145MPa仕様を搭載していた。圧縮比は18.6、84kW/250Nmを発揮した。ペットネームのD-4DとはDiesel 4 cylinder Direct injectionの略称。欧州のトヨタ・アベンシスに初搭載され、その後欧州のカローラなどにも展開された。スペックでは135MPaのボッシュのシステムに対して10MPaのアドバンテージがあったがデンソーはこれに満足せず、いよいよ乗用車用コモンレールシステムにおける両者の全面対決が始まるのである。

2000:ボッシュの第二世代コモンレールシステム

最大噴射圧を160MPaに高めた第二世代コモンレールシステムをボッシュが発表。噴射圧を高めることで燃料粒径を小さくし、高圧高温下の空気に噴射した際にきれいに燃えやすくなる。しかし、高圧で安定して噴射するためには想像を絶する品質管理が必要であり、もはやディーゼルインジェクターは自動車の装置でもっとも精密といっても過言ではないレベルに達しているのが現状だ。ゆえ、サプライヤーは世界でも数社に限られるのである。

2001:デンソーの第二世代コモンレールシステム

前年のボッシュ・160MPaに対し、デンソーの発表した新世代コモンレールシステムは180MPaもの高圧噴射を可能にしていた。しかも噴射回数は5回/燃焼としていて、予混合燃焼と騒音低減のパイロット、トルクを引き出すためのプレ/メイン、不完全燃焼分の再燃焼を図るアフター、触媒活性のためのポストと、非常に複雑で高度な噴き方を手に入れている。表に示すとおり、乗用車とトラックをともに視野に入れ、翌年の生産開始をアナウンスしていた。

2002:マツダがコモンレールを採用

マツダのRFDI-TDエンジンは、直列4気筒SOHC4バルブ・排気量1998ccの直噴ターボディーゼルとして1999年に登場した。搭載は欧州向けの626(カペラ)。分配型:100MPa仕様の燃料噴射装置を当初備えていたが、2002年のマツダ6(欧州アテンザ)に搭載された仕様でデンソーのコモンレールシステムを採用。VGTを用いて、89kwあるいは100kWの出力を誇った。その後、同年に登場する欧州市場のMPVにも100kW仕様が搭載されている。

ピエゾインジェクターの登場、そして電動スーパーチャージャーへ

ボッシュが再びデンソーを引き離しにかかった。第三世代と銘打つその特徴は、最大噴射圧力は160MPaのままであるものの、圧電素子・ピエゾを用いるインジェクター。従来のソレノイド式に比べて応答性を高めることができ、ニードルスピードは1.3ms高速化、従来に比べて2倍早くなった。また、ソレノイドタイプに比べて30%もの軽量化が図れるのも美点で、結果、搭載自由度も向上した。現在も、ハイエンドのシステムとして用いられる。

翌年の2004年には、アウディがピエゾインジェクターを採用。90度バンク、90mmボアピッチ、フライホイール側カムチェーン駆動の特徴を持つ新型のV6ディーゼル・3.0 TDIに用いられ、150kW/165kW/171kWの3種が用意された。ダイムラーも2005年、OM642・V6ディーゼルエンジンにピエゾ式を搭載した。

2005:デンソーのピエゾ式インジェクター

2005年にはデンソーもピエゾ式を発表。従来のソレノイド式に比べて最短噴射間隔を0.4msから0.1msまで短縮させた。1msという時間をデンソーは、「時速300kmの新幹線がわずか8cm進む時間」と表現している。従来型でも5回噴射/燃焼の性能を有していたが、さらにマージンを得られたわけである。2007年には第三世代を発表。ついに200MPaの大台を突破し、噴射回数は7〜9回(パイロット3/プレ/メイン/アフター/ポスト3)と、途方もない性能を持つに至った。ソレノイド式も、最短噴射間隔を0.2msまで向上させている。写真は第二世代・180MPaピエゾ式インジェクター。左手から、ECU&EDU、コモンレール、上にサプライポンプ、インジェクター。DPNR(Diesel Particulate NOx Reduction system)と称するNOx/PM後処理装置と組み合わせ、下記のAD型に搭載した。

同年、トヨタ・2AD-FTVに採用され、欧州仕様のトヨタ・アベンシス用として登場した。直列4気筒DOHC4バルブ・2231ccで、圧縮比は16.9。その後、1998ccの1AD-FTVと、同排気量ながら圧縮比を15.8とし、ハイパフォーマンス版とした2AD-FHVが登場している。

2007:VW/AUDIがTDIにコモンレールを採用

これも意外、といってはVWに失礼だが、4気筒版TDIへのコモンレールシステムの採用は2007年が初。2.0 TDIと称するこのエンジンは、180MPaの燃料噴射圧で最大7回噴射のピエゾ式を搭載していた。VW/AUDIは1999年という早い時期に3L TDIというエポックユニットを市販。文字が示すように3ℓ/100km(33.3km/ℓ)の低燃費を実現したディーゼルエンジンで、ユニットインジェクターを搭載していた。そのような高性能をすでに実現していたため、コモンレールの採用が遅かったのかもしれない。

2013:超高圧燃料噴射の時代

2007年のデンソー3Gを皮切りに、超高圧噴射を巡る戦いは激化。デンソー/ボッシュともに250MPaの噴射圧を実現し、高性能化はとどまることを知らない。背景にあるのは2015年から実施予定のEuro6。ハイパフォーマンスと低排出ガスの両立を図る。いっぽうでディーゼルエンジンのためのコストは増加の一途。高圧仕様が誕生すればそれまでの上級仕様は廉価版にはなるものの、それにも限度がある。ガソリンエンジンの猛追も著しく、今後の展開を期待。

BMWのM550dと称するトリプルターボ仕様は、燃料噴射圧が220MPaとアナウンスされていたが、ボッシュの250MPa仕様を用いていたことがその後判明した。世界でもっともパワフルな市販ディーゼルのひとつである。
ボッシュの250MPaシステム。「CRS3-25」はピエゾ式インジェクターを用いて、最大10回/燃焼という途方もない性能を実現している。近い将来には300MPaの到来もアナウンス。どこまで高性能化は進むだろうか。
デンソーの250MPaシステム。欧州で圧倒的なシェアを誇るボッシュに挑む。インジェクター内で噴射されずに戻されていた燃料に着目、燃料ポンプの負荷を下げることで、さらなる高圧化を実現した。デンソーも近い将来には最大噴射圧が300MPaを迎えるだろうと予測している。

2014:電動コンプレッサーの登場

エンジン回転がつねに変動する自動車用エンジンにおいて、排気エネルギーを用いている以上ターボチャージャー過給遅れは避けることができない。VGTやガソリンエンジンのツインスクロール式、ツイン/トリプルターボなどは、過給遅れへの対応からさまざま考案されてきた施策である。それに対する決定解として期待されるのが電動コンプレッサー。電動モーターで直接コンプレッサーホイールを駆動し、過給するシステムである。

従来は大電流駆動によるデメリットが指摘されていたが、近年ドイツ勢を中心に普及を図る48V電装システムが実現を後押しする。リチウムイオンバッテリーを12V系とは別に搭載、モータージェネレーターによるトルクアシストと回生などが提案されているが、アウディはさっそく、3.0 TDI(2nd Gen.)に電動コンプレッサーをさらに装着したスタディを提唱。ヴァレオのシステムを用いているようだ。いよいよ過給も電動化の時代である。

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