ダウンサイジングターボと軽自動車

Question

いやあダウンサイジングターボっていいですね。二トン以上あるエクスプローラーを１５ｋｍ／ｌ以上走らせるん
ですから。すごい技術だと思います。クリーンディーゼルやDCTと相まって、これから二十年三十年と次世代までの
つなぎの技術として有望ですね。当面の間は電気でもなくハイブリッドでもなく内燃機関でしょう。

そこでひとつの疑問ができました。小排気量とターボだと我が国にも素晴らしい物があります。軽自動車ですよ。
あれでダウンサイジングターボって出来ないんですかねえ？現状では圧縮比も低く、ノッキング対策でガスを噴く
ダメターボですよ。直噴ターボって一時期スズキのセルボやワゴンRにもありましたが、低圧縮比で燃費も悪い
旧来のターボでしたね。軽だとハイブリッドやディーゼルは現実的じゃないですが、ダウンサイジングターボって
結構ありかなって思うんですが。

http://www.carview.co.jp/green/ecoword/1/114/

Answer 1

●過給ダウンサイジングの目的は？
過給機を使い，排気量を低減する目的は下記の3つです。

(1) ポンピングロス低減による燃費改善
(2) 排気量低減による摺動損失低減による燃費改善
(3) 過給量調整によるエンジン・バリエーション確保

●ポンピングロス低減による燃費改善
ガソリンエンジンはスロットルバルブの開度あるいは吸気弁のリフト量（連続可変）により，吸入空気量を調整できます。街乗りのような負荷の低い条件では，スロットルバルブはほぼ閉じた位置になり，スロットルバルブから燃焼室間は大きな負圧（＝真空に近い）になります。このため細い針の付いた注射器で空気を吸うのと同じ原理で吸入過程で大きな抵抗（＝ポンピングロス）になります。
一方，過給機を使うと，この「負圧」を正圧にできます。つまりポンピングロスを大幅に低減できます（あるいは「仕事」になる）。
ポンピングロスは最大で出力の30%くらいになりますので，この損失を低減することによる燃費改善効果は大きいわけです。

→ 日本のような部分負荷条件が多い走行条件に過給ダウンサイジングは向いています

●排気量低減による摺動損失低減による燃費改善
たとえばV6の3.5Lエンジンを過給機で直4の2.4Lエンジンに置換できます。これにより摺動部の圧力差（応力）は大きくなりますが，摺動部の長さは短くなります。これにより摺動抵抗を低減できます。
うまくやれば，エンジン体格や重量も低減できます。ただコストは，V6→直4くらいにしないとモトがとれません。

●過給量調整によるエンジン・バリエーション確保
日本ではエコエンジンがはやりですが，欧州では，1つのエンジン系列に対し，種々の過給量を設定することで，さまざなエンジンバリエーションを作っています。ひとつひとつの燃費改善効果は日本のエコエンジンより小さくても，ほぼ全数のエンジンに設定できれば，社会全体としてのCO2低減効果は大きくなります。欧州メーカは，このように少ないエンジン系列で，燃焼室形状や燃焼制御の最適化をおこない，それに対し，種々の過給量を設定することで，多くのエンジンの燃費改善に成功しています。この点をドイツメーカのエンジンのエンジニアに尋ねると，日本メーカのエンジンは特殊解ばかりと言って笑います。

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●軽自動車の燃費改善に最適な手法とは？
日本の軽自動車規格は，車重に対し，エンジン出力が小さく，これが燃費悪化に原因になっています。一方，現在あるターボチャージャ搭載エンジンは，いずれも10数年前のドッカンターボばかりで，欧州より10年も遅れています。この2つを考えると，下記の戦略が良いとおもいます。

・過給ダウンサイジング化 … 660ccに対し，小径タービン（35mm以下）で1500rpmから十分な過給
・ハイギアード化 … 1.0～1.3Lクラスに対して，NAではエンジン回転数が1.3倍くらい高いのを修正
・2気筒化 … 2気筒になると，ボッボッという排気音があり，非常に消音に苦労します。しかし冷却損失を20%くらい減らすには，この手法しかありません
・高EGR … せいぜい25～30%ですが。ポンピングロスが大幅に低減でき，さらにNOx低減により触媒担持コストを低減できます。なおEGRバルブを使うと高いので，排気系の動弁系を可変タイミングにする手法が比較的安価です。つまり外部EGR主体ではなく，内部EGR主体で。

●ふさわしくない手法とは？
軽自動車はコストがもっとも重要なので，下記の手法は使うべきではありません

・直噴 … インジェクタコスト，ポンプコストが高くなります
・スーパーチャージャー … 4000～5000rpm以上では，エンジン負荷が大きすぎ，かえって燃費悪化になります（欧州で最近採用されない理由）
・高圧縮比 … SKYACTIV-Gの圧縮比・膨張比14.0が有名ですが，初期火炎保護のためピストン頭部キャビティをつくる必要があり，膨張比改善効果より冷却損失が大きくなります。SKYエンジンが，直噴を使っているのに，プリウスのエンジン（2ZR-FXE）よりBSFC（燃費率）が低いのは，冷却損失が大きいからです。なおSKYエンジンとプリウスのエンジンはともにダウンスピーディングエンジンとして似た性格です（IVCは異なりますが）
・吸気弁連続リフト量可変化 … BMWのバルブトロニックのように吸気弁リフト量を連続可変にすれば，スロットルバルブはなくせます。しかし過給と効果が類似になり，コストが厳しい軽自動車では難しいとおもいます
・EGRクーラ … 直噴なしで圧縮比を12.0くらいにするためには，EGRクーラによる筒内温度低下が良い選択です。しかしコスト的に厳しくなります
・リーンバーン … 欧州ではすでに高級車で復活しています。しかし三元触媒＋リーンNOx触媒という後処理になり，このNOx触媒コストが問題になります

簡単ですが，ご参考になれば幸いです。

Answer 2

問題はコストでしょうね。
今の所最新のバルブ制御技術などを導入したダウンサイジングエンジンは
高価になります。
だから、欧州車でも排気量の小さい物の方が高級グレードとなってます。
まずはダウンサイズングエンジンが一般化して、安く作れるようにならないと
軽自動車への投入は難しいと思います。
それより軽規格最大の排気量のエンジンを使ったほうが安いでしょうから。

実際ダウンサイジングエンジンを普通に使おうという動きは出てきてますから
やがては商用車などにもダウンサイジングは波及するだろうと思われます。
とにかく多くの車で採用して数を作らないとコストダウンは図れないでしょうから。

軽自動車もやがては再び５００ｃｃとかにダウンサイジングされるかも？

Answer 3

hitachi_transport_systemさんへ

ダウンサイジングはこれからもっと本格化して行くだろうと思います。出力を基準にして考えて、自然吸気大排気量と過給小排気量を比べたら、摩擦損が小さい分過給付き小排気量の方が熱効率が良く成るのですから。
但し、ガソリンエンジンでは幾つかの関門が在ります。それを列記すると
・圧縮(膨張)比14の達成
・スロットル弁を廃止して、吸気弁閉じ時期連続可変構造による出力と過給圧の制御
・高効率機械式過給器の併用
の3つを同時に採用・実現する必要が在ります。

燃焼室内の高圧ガスを膨張させて仕事に変換する。と考えたら、如何に膨張させるか、膨張比を幾つにするのがベストか、だけで、ガソリンとディーゼルの区別は在りません。
ピストンとシリンダーの組み合わせでは、膨張比14がベスト。なのでこれを達成する。
と言う事を、遂にマツダが先陣を切りました。今後はそれに過給を加えて行く事が課題です。

ガソリンエンジンがディーゼルに負ける最大の理由は、部分負荷領域に置けるスロットルの絞り損。これを解消する為にスロットル弁を廃止。。。したいんですが、無くすと途中で失火する様に成るのでアイドル回転迄下げられなく成ります。これを詳しく見れば、
・圧縮上死点温度が下がり過ぎて困るミラーサイクル
と言う事に成ります。
解決策は?
じゃあ、
・圧縮上死点温度が上がり過ぎて自己不正着火を起こす過給
と組み合わせれば丁度相補の関係に成るではないか。
と言う事で、過給とノンスロットリング & 可変圧縮比エンジンを組み合わせるべきなのです。
過給はアイドル回転から高過給圧を発生させられるリショルムで。これでバッチリ排気量縮減を行います。
Turboを加えても良いのですが、先ずは機械式過給器を基本とする、と言う事です。
過給を施すに当たって、膨張比14としっかり膨張させれば、排気温もその分下がるので燃焼室壁の温度も下がり、燃料増量による冷却も必要無く成ります。

・ ・ ・

この様に、「三位一体」で採用する事が出来れば、ガソリンエンジンも新世代に生まれ変わる事が出来るのです。

尚、現状の"軽"エンジンそのままでは、コストコンシャスに過ぎてちょっと骨が細い感じがします。ので、大トルクに合わせて腰下をしっかり作り込んだエンジンにする事が、寿命や信頼性の点から肝心だと思います。

どうせついでですから、もう一点。
ディーゼルでもSKYACTIVE-Dで明らかに成った様に、
・低圧縮比14の達成
・吸気弁閉じ時期連続可変構造による過給圧制御法の確立
・高効率機械式過給器の併用
が待たれています。