セラミックエンジンはなぜ消えた? 悪夢か、それとも貴重なヒントか

乗用車用を想定したいすゞの試作エンジン
もともとは「ラジエーターの要らない戦闘車両」を実現するための技術だった。それがいつしか民生用で実現させようという機運が高まり、日本ではいすゞを始めセラミックエンジンの実用化研究が活発化した。しかし、現在ではだれもセラミックの話をしなくなった。
TEXT:牧野茂雄(Shigeo MAKINO) FIGURE:Isuzu

モーターファン・イラストレーテッド vol.156「最適冷却」より一部転載

 いまは昔、セラミックエンジンなるもの、ありにけり……。

 こう書き始めなければならないくらい、すでに昔の話である。日系2世エンジニア、ロイ・カモ氏がカミンズ・エンジン・カンパニーで仕事を始めたのは1948年、氏は83年に退社するまで熱機関研究所でエンジン研究一筋に過ごした。セラミックエンジンの研究は70年代末に着手され、カモ氏がカミンズの役員に就任した82年には試作セラミックエンジンを米陸軍の5tトラックに搭載し、インディアナ州コロンバスからワシントンD.C.まで1.6万kmのデモ走行を敢行している。そして、氏が米国SAEでセラミックDE(ディーゼルエンジン)について講演を行なって以降、世界の多くのDEメーカーがこの方式の研究に殺到した。

 そもそもこのエンジンはAFV(装甲戦闘車両)を想定していた。のちに米陸軍は、湾岸戦争でガスタービン搭載M1戦車のトラブルに悩むが、冷却システムが要らないという触れ込みのセラミックエンジンは戦場での使用が目的であり、断熱による熱効率向上が目的ではなかった。戦車などAFVのラジエーターは車体上面に置かれるため、航空機からの攻撃に極めて弱い。ラジエーター不要になれば車体すべてを装甲で覆うことができ、被弾の脆弱性は一気に解消される。そのためのエンジンだった。

 日本ではいすゞによるセラミックエンジンの研究がもっとも有名だが、神奈川科学アカデミーでも研究されていた。責任者は慶應義塾大学教授で、のちにSIP革新的燃焼技術プロジェクトのガソリンエンジン・リーダーを務めた飯田訓正氏。論文は東京工業大学の神本武征(かみもとたけゆき)教授が担当された。筆者は、当時神奈川科学アカデミーで飯田教授の補佐としてセラミックエンジンの研究に当たられていた方に話を伺った。

いすゞの試作セラミックディーゼルエンジン

「セラミックDEは冷却水に逃げる熱は減るが、排ガスに逃げる熱が増えてしまう。市販車はこれではダメ。いすゞがセラミックDEターボの下流にターボ発電機を置いてターボコンパウンドを始めたのは、その熱の回収のためだった。セラミックエンジンはシリンダー壁面が熱くなるので、吸気バルブから取り入れた新気への熱放出が大きい。瞬時の熱計測を行なうと、吸気行程では普通のディーゼルよりマイナス、燃焼後のシリンダー壁面流入は大きく、サイクル平均では熱損失で歩が悪かった」

 いすゞでのセラミックDE研究はNA(自然吸気)で始まり、のちに過給DEとなる。しかし排ガスのエネルギーが大きいためターボでも吸収しきれず、ターボコンパウンドでの回収が試みられた。あとで聞いた話では、ターボをふたつ使うため排気位置でのポンピングロスが大きく、仮に冷損が少なかったとしてもDE全体の効率としては疑問だった、とのことだ。

 ちなみに、いすゞのセラミックDEはアルミブロックにセラミック製ライナーで、燃焼室まわりはピストンリングも含めてオールセラミックだった。日本製なのでセラミックの質と工作精度が高く、カミンズでの研究よりも「深いところまで入れた」と聞いたが、実際にはどうだったのだろう。

「ターボDEはTDC(上死点)付近で着火すれば効率がいい。しかし膨張行程の時間が長くなるため、排気バルブが閉じたときにガスが持っているエネルギーは小さい。着火時期を遅らせて排気バルブが開いたときのガスエネルギーを確保しておくほうが、最終的に効率がいいという場合もある。これをどうバランスさせるか。同時に排気エネルギーが高い状態でターボに排気を送り込むほうが排気のポンピングロスは小さくなる。だから、ある程度シリンダー壁面を断熱化して排ガス温度を上げる手段もありだと思った」

「精密な燃焼解析ができればよかったが、セラミックを使うと冷却水に熱が逃げないからガス温度が上昇し粘性も上がってしまう。これが壁面の熱流入に大きな影響を及ぼしているのではないかとも考えたが、これを立証するにはガス流動や火炎流動も見なければならず、手が付けられなかった。当時、オットーサイクルでセラミックをやっていたラボもあったが、トータルでの熱損失に明確な結論を出せないまま終わってしまった」

 こういう話を聞くと、現在の計測技術を使ったらどうだろうという思いを抱くが、冷損低減にセラミックを使おうという研究は聞いたことがない。

「一度温まると冷めにくい。コーヒーカップと同じだ。しかし別の面で考えるとセラミックの熱伝導率はステンレス綱と変わらず、アルミブロックとの間にあるエアギャップが断熱に効いていた。冷損対策として素材の研究はやるべきだ」と、当時を知る人が言うのは、ひとつ大きなヒントではないだろうか。それともうひとつ、シリンダー内の温度境界層についてだ。

「セラミックDEは境界層が破壊されやすく、そのためシリンダー壁面への熱流入が大きかった。冷損は減らない。火炎が壁面近くに行かない状態を作り出せばいいのだが、スワールを使うと壁面近傍での流速が上がってしまい、これも温度境界層を破壊する要素になる。タンブルを使うという発想は、当時はなかった」

「結局、セラミックエンジンについては、これは熱効率向上には寄与しないという証拠の一部を、当時の計測技術と知見がおよぶ範囲で得るにとどまった。しかし、研究に参加した我われは、極端な世界を知ることによって実験レベルでもいろいろな知見を得ることができた。特異な世界を覗くことはできた。当時はセラミックが自動車部品にどんどん使われるようになるといった風潮だったが、DEのプレチャンバー燃焼室はセラミックになりセラミックのグロープラグとセットで使われた。しかしその後、副室式燃焼室そのものが不要になった」

「セラミックのような極端な素材ではなく、どこか遮熱するだけという発想のほうが良かったのか。ピストンがBDCに来るまで断熱してくれて、次のサイクルまでに瞬時に冷えるような、熱を引きずらない遮熱なら成立するだろう。それが可能になる素材があるかはわからない」

「日本のセラミックエンジンは、冷却水に回った熱分はすべて回収できるくらいの加工精度と性能を持っていた。この部分はすぐに燃費効果に現れた。ただし、これをやっても高温部からもらった熱をそのまま表面に蓄えて次のサイクルの新気に渡しているだけなのでPV線図としては得をしていない。吸気行程で吸い込んでいるうちに新気はどんどん加熱される。ピストンが下がっているのに、シリンダー壁面から熱をもらった新気は膨張してしまう。だから体積効率が悪くなる」

「その先で温度が高いところから断熱圧縮して着火するから、ガソリンエンジンならすぐにノッキング、DEだと着火遅れが短く火炎温度が上がるからNOxが増える」

 という回顧録だった。当時知る研究者諸氏がめっきり減るなかでの貴重な話だった。

著者プロフィール

牧野 茂雄 近影

牧野 茂雄

1958年東京生まれ。新聞記者、雑誌編集長を経てフリーに。技術解説から企業経営、行政まで幅広く自動車産…