国産ダウンサイジングターボ いつもお世話になっております。

Question

国産メーカーから日本市場へもいくつかダウンサイジングターボ車が出てきましたが、走りはともかく燃費ではそれほど思わしくない話を伺います。

ベストカー誌面上において国沢氏が、日本のガソリンの質がボトルネックとなっている可能性があるようなことを書かれていました。例えばホンダステップワゴンの馬力、トルク、実用燃費、これら全てがノアやセレナの２リッターNA車に及んでいないという例も持ち出されています。それならば2リッターNAでもよいのでは?というニュアンスでした。ホンダは自ら１．５ターボエンジンにはまだ問題があったと認識しているという話しも・・・

個人的には期待していた技術だけにこうしたお話しを伺うと少々残念なのですが、実際のところはどうなのでしょうか?。もし現状の国産メーカー日本市場リリースされているダウンサイジングターボ車の技術的問題点というか改善点などがあるのでしたらそういったお話しも伺いたいと思っております。

お忙しい中恐れ入りますがよろしくお願い致します。

Answer 1

★国沢さまのご見解について
いつも興味深く，内容のあるオピニオンが多く，本当にためになります。さて今回のご質問ですが，国沢さまのご見解にすこし誤解があるようです。

●日本と欧州のガソリン事情
日本は，オクタン価91（実勢値）と100のふたつですが，欧州は95と98です。以前，欧州は，91というオクタン価ガソリンもあったのですが，あまり売られなくなりました。
欧州車の多くがオクタン価95以上を推奨しています。このため日本で，欧州車に乗るには，レギュラーガソリンとプレミアムガソリン（ハイオク）をミックスするか，ハイオクを使う必要があります。

●日本でもオクタン価をあげては？
日本でのオクタン価（レギュラーガソリンの場合）が低いことが，ダウンサイジングターボを活かしていないというご意見であるとすれば，すこし違います。もし日本のレギュラーガソリンのオクタン価が95に上がったすれば，過給機付エンジン車（ターボ車）もNA（自然吸気）車ともに圧縮比を上げられますので，差は変わりません。
日本で，レギュラーガソリンのオクタン価を90から95にあげると，どのようになるでしょうか？

・圧縮比＝0.35 くらいあげられます
・燃費＝3.6% くらい良くなります

一方，オクタン価をあげるためには，製油所での排出CO2量が増えます。

・製油所でのCO2排出量＝6～11% くらい増えます

燃費効果と製油所での効果をあわせると，

トータルのCO2排出量＝0.9～1.0% くらい増えます

つまりオクタン価をあげることは，燃費改善につながるのですが，社会全体のCO2量の低減にはならないのです。このため，日本では，オクタン価をあげようという動きは，現時点，ありません。

●ホンダのステップワゴンの場合は？
まずデータを示しましょう。ともに2WDの比較です。

トヨタ ノア：ホンダ ステップワゴン
排気量 2.0L：1.5L
過給機 なし：あり
馬力 152馬力/6100rpm：150馬力/5500rpm
トルク 193Nm/3800rm：203Nm/1600～5000rpm
燃費 16.0km/L：15.4～17.0km/L

ここだけから判断すると，低速トルクがあるステップワゴンの方が，走りが良いことになります。しかし問題は次です。

重量 1570～1600kg：1670～1700kg

おとな一人分，ステップワゴンの方が重いのです。これが燃費悪化の要因のひとつで，ノアとあまり変わらないのかもしれません。

なお，ノアのエンジンは，バルブマチックという名称の可変動弁で，連続可変バルブリフト制御ができます。つまりスロットルバルブを使うことなく，吸入空気量の制御ができます。これにより低負荷領域でのポンプ損失を減らせますので，これも燃費改善に貢献しています。

ステップワゴンでは，可変バルブタイミング制御の可変動弁が使われています。これは多くのガソリンエンジンに使われている技術です。ただ吸排気の両方に使っている点は評価できます。バルブマチックは，このバルブタイミング制御機能ももっていますので，可変動弁技術については，トヨタの方が優れています。

では，ステップワゴンはポンプ損失低減技術はないのかというと，過給機を使っているため，吸気時，筒内圧が高い状態になりますので，ポンプ損失も低減しています。なおステップワゴンでは，過給機付のため，実質的な圧縮比が高い状態になります。これによりノックしやすい状態になりますので，直噴（筒内噴射）を使うことで，圧縮前の筒内温度（40～50Kケルビン）を下げて，ノックを回避しています。

●技術的な課題は？
過給機には，電動のウェイストゲートバルブ付きの小径タービンを使っています。一般にターボ・チャージャは，VG（バリアブル・ジオメトリ）方式の方が，ウェイストゲート方式より優れていますが，ピーク特性は，ウェイストゲート方式の方が優れています。このため過給機の最良効率点近くを使うようにできれば，VG方式と大差ありません。
もしお金を使えるなら，過給機をVG方式にする方法があるでしょう。またインタクーラ（CAC:チャージエアクーラ）には空冷を使っていますが，これもお金を使えるなら，水冷方式にすれば，吸気温安定性と応答性が大幅に改善します。

●ホンダの次の戦略は？
トヨタのオーリスもそうですが，最初の過給機付きエンジンは，あまり無理をしないものです。近い将来，出力，燃費とも改善してくるでしょう。もっともそれより先に，ハイブリッド化してくる可能性が高いです。i-MMD方式は，基本がシリーズ・ハイブリッドなので，非常にコストが高いのが欠点です。
ヒュンダイのアイオニックでは，パラレル方式でプリウス以上の良燃費になりましたので，ホンダも，このクルマを研究しているでしょう。いずれにせよ，大型のモータを使うのは，良い選択ではありません。

●マツダのエンジンは？
マツダはガソリンエンジンもディーゼルエンジンも圧縮比14にして話題になりました。ガソリンエンジンでは，上死点付近の低温酸化反応を利用して高圧縮比を実現しました。一方，ディーゼルエンジンでは，自着火までの時間を長くすることで，擬似的な予混合を実現し，燃焼時の局所高温部位を減らすことで，エンジンアウトのNOx量を低減しています。
しかしマツダは16年の初頭，ガソリンエンジンもディーゼルエンジンも，ともに圧縮比20～30にすると宣言しています。そうなると，ガソリンエンジンではノック防止，ディーゼルエンジンでは予混合化が課題になるのですが，チャレンジするようです。つまり「圧縮比＝14」は最良ではなく，途中の目標です。実際，マツダのエンジン屋さんと話すと，14が最良ではないといいます。

●機械式過給機（スーパチャージャ）は？
リショルム型は内部圧縮があるので，過給機として好ましい特性をもっています。しかし冷凍サイクル用圧縮機と異なり，圧縮室でオイルをつかったシールができません。このため，ルーツ式にくらべると，内部漏れが多く，インタクーラ入口ガス温が高くなり，吸気温が高くて，体積効率が低くなります。このため最近は，多葉のルール式を使うのが一般的です。

●ミラーサイクルは？
日本車の多くが吸気弁の遅閉じ方式を選んでいますが，三菱自動車は早閉じを選んでいます。遅閉じ方式では，吸気管での再加熱があり，40K（ケルビン）くらいあり，これを低減する方式がいろいろ考えられています。たとえば吸気管内に樹脂管をインサートし，断熱化する方式です。すでに自動車技術会の講演会で発表されているので，ご存知の方もおられるでしょう。
さてミラーサイクルの主目的は，ポンプ損失の低減ですので，一般的に遅閉じ方式を使います。早閉じでは，かなりの過給圧でIVC（吸気弁の閉じ角）での筒内圧をあげておかないと，遅閉じのようなポンプ損失の低減になりません。ただ予混合時間が長いので，暖機などには有効です。

●ポンプ損失とは？
スロットルバルブや吸気弁孔を通過するときの縮流による渦発生は，ポンプ損失のごく一部です。大半は，ピストンの筒内側とクランク室側（つまり外側）の圧力差に起因する力です。渦発生による乱流エネルギは，筒内での予混合促進効果があり，無意味ではありません。

簡単ですが，ご参考になれば幸いです。

質問者からのお礼コメント

ご回答有り難うございます。この度も大変参考になるご見解を頂けました。
ガソリン精製時のCO2排出量はずいぶん違うのですね。
国産ダウンサイジングターボには今後も期待したいと思います。

デミオのスカイアクティブＧ1300の圧縮比についてはまたご意見を伺えればと思いますので、その際はよろしくお願いいたします。

Answer 2

指定以外の部外者で、物理学とは程遠い全くの素人ですが、雑談と言う感じでも宜しいでしょうか？

エンジンが好きで、個人的に開発と製作をしています。
製作に当たり色々と考えると、スロットル・バルブレスとか、ミラーサイクルとかは普通に出て来る考え方なんですょね♪

ミラーサイクルて何？？調べて行くと、自分が自然に考えている事と同じで、もう人の名前が付いている状態
ダウンサイジング・ターボも普通誰でも考えますょね？で、私も独自発想のエンジンを製作しています。

オットーサイクルの最大の欠点は、完全密閉された行き止まりの燃焼室を、無理やり押し縮めて行くポンピング・ロスだと思います。
之を、スプリット・サイクル（カルメロ・スクデリ・・エンジンが有る）で、吸入＆圧縮OR燃焼＆排気行程を別々のシリンダーでやると、圧縮時には隣シリンダーのピストン頭部を押す事に成るので、マイナス・トルクでは無い駆動輪作動トルクに変換出来るのです。

例えば軽の６６０ccですと、スプリット・サイクルでは、一回転で１燃焼をするので、１，３２０cc同等の出力が得られので、之を３気筒の休筒サイクルで作動させ、他の２気筒を空気サイクルで作動させると、低速時に於いてもターボ自体のブースト圧は高いので、作動シリンダーの圧縮圧は上がり、６６０ccX１/３＝２２０cc→スプリット・サイクルのX・・２＝４４０cc＋ブースト圧（上死点後点火なので１５：１以上の圧縮でもOK)ですと、６００cc～２，０００cc位の出力が得られます。

私のエンジンはカルメロ氏とは違い V型で、オフセット・コンロッドを使用しているので、燃焼時のみクランクピン・アームが伸びてトルク増大と、逆に排気行程はピンアームが縮むので、タービンのブースト圧は更に上がります。

これぞ、ダウンサイジング・ターボ・エンジンと思っていますが♪如何でしょうかね？？

http://photozou.jp/photo/show/3062269/245622853
http://photozou.jp/photo/show/3062269/245622902

Answer 3

私はダウンサイジングターボがなぜ燃費が良くなるのかわかりません。
多分気筒休止エンジンの応用だと思いますが、だとすると、一定速度で走らないと燃費は良くならないので、信号の多いい日本には向いていないと思います。
ターボは可変排気量エンジンですが、ターボが効いていない領域でいかに長く走れるかで燃費は違ってくると思います。

Answer 4

レヴォーグの1.6ターボはレギュラー仕様ですが圧縮比を高めて2.4Ｌ並の出力を確保してますよ。

Answer 5

ダウンサイジングターボと、レギュラーガソリンとの相性が最悪なのです。

ダウンサイジングターボの燃費が良いのは、排気量が小さい事と、圧縮比が高い事に寄ります。

排気量が小さいので、高速を低負荷で定速走行する時の燃費が改善出来ます。

圧縮比が高いので、膨張比が大きく、燃焼圧の膨張が大きくて、熱エネルギーが回転エネルギーへ変換される熱効率が良くなります。

レギュラーガソリンだと、圧縮比を上げられないのです。
高圧縮ではノッキングし易いので、圧縮比を下げますが、熱効率が悪くなり燃費が悪化します。

日本ではハイオクは敬遠されるので、レギュラー対応で販売した結果、燃費が悪く魅力が無くなっているのが現状です。


日本車で、レギュラーガソリン対応のダウンサイジングターボで最も成功出来ているのは、スバルの１．６ターボ位ですかね、、独自のタンブルジェネレーションＴＧＶで、ノッキングを抑え、高圧縮比１１を実現出来ています。
http://www.subaru.jp/brand/technology/story/dit.html

Answer 6

みんカラやＥ燃費ではノアやセレナより２ｋｍくらいいいです。
セレナのハイブリッドと同等以上で、ノアやヴォクシーのハイブリッドには劣っています。

Answer 7

軽自動車という日本人に合わせたダウンサイジングターボ車は、市場で大成功しましたけどね。

Answer 8

siderstolfさんへ

ご指名が付いてますが、

>ダウンサイジングターボ車の技術的問題点というか
>改善点などがあるのでしたら
>そういったお話しも伺いたい
の所だけ。f(^^;)

先ず、一つの究極と言う物を考えてみましょうか。
エンジンは、燃焼で得た高圧を膨張させて、仕事に変換して取り出す物。
であるならば、幾ら位膨張させるのが良いのか、という点を考えてみる必要があります。よね?

ディーゼルの優位点を語る時に、高圧縮比だから、と未だに言われたりします。が、副室式から筒内直噴に進化するに当たって、21〜23も有った圧縮比が、16.5〜17.6と大幅に下がった。
この実例をどう考えましょうか?
単に下がったのみならず、圧力的に楽に成った分を過給圧Upに振り向ける事で、ガソリンに比べたら低出力に泣く存在だったディーゼルに、一躍脚光を浴びさせる迄に躍進させた。。。のみならず、空気過剰な燃焼にする事で、黒煙対策、拝賀し対策の第一歩が始まった。
と、圧縮比を下げる事で得られたメリットは非常に大きいのです。
じゃあ、一体幾つ位迄下げたら良いのか?

既に解は出ていますね。
理想とされる膨張比は、車載可能な規模の、ピストンとコンロッドが直結してる構造なら、大体14近辺である事が判って来ています。
しかし圧縮比が14では、
・圧縮上死点温度が高過ぎて自己不正着火で壊れちゃうガソリン
・圧縮上死点温度が低過ぎて冷間始動性獲得や低回転低負荷で綺麗な燃焼が得られないディーゼル
という事で、どちらも永らく実現出来ないままの日々が続いて来たのでした。
そんな中から、吸気弁閉じ時期を充填効率が最高に成るタイミングから敢えてズラすミラーシステムで、高膨張比なまま圧縮比だけを下げるアトキンソンサイクルが徐々に増えて来たのがガソリンです。
じゃあ、ディーゼルは?
過給圧 × 圧縮比で考える事にし、過給器がTurboなので過給圧を得られない領域では、スロットルバルブと排気弁閉じ時期可変機構による自己EGRで、アイドル回転でもDPF連続再生可能な排気昇温を実現したSKYACTIV-D、という事に成りました。
でも、出来るだけ幅広い領域で過給圧を得るべくシーケンシャルTurbo、しかも最新の直列式をもってしても、低回転低負荷では過給圧が得られず、Turboラグは不可避。
という事で、アイドル回転から高効率で高過給圧が得られる機械式過給器の実用化、採用可能なコストダウンが熱望されているのです。
これはディーゼル・ガソリンの別無く、です。し、出来たら、機械式と排ガスエネルギー回生のTurboを両用するハイブリッド過給が望ましいです。
で、そんな高過給圧をアイドル回転から掛ける為には、吸気弁閉じ時期連続可変機構によるノンスロットリング化が待ち望まれています。
過給圧上昇に伴って吸気弁閉じ時期を早めて行く。と、実質的な吸気行程長の短縮に成るので、吸気量の制御が可能に成ります。
スロットルバルブでの絞り損が消え失せる。と言う事は、低回転低負荷でディーゼルに負けるとされる主因が消え失せる事に成ります。d(^^)
吸気行程長を短くすると言う事は、実質的な可変圧縮比の実現に成る事。過給圧が上がれば上がる程、無駄無くそれを使い切れる様に成る為に、とっても嬉しい事に成ります。
一方、膨張比は14と高いままにしておけば、十分に膨張させて排気温が下がるので、高過給圧でも燃料冷却が不要に成ります。
ここで、過給すればする程に燃費悪化、と根付いてしまった定評を覆す事に成る訳です。

既に特許化されているこれらの話から考えると、、、
・膨張比が未だ低い
→DITやマツダで10、BMWやFiatツインエアで圧縮比12ですから、未だ未だ上げられる筈。
・過給がTurboだけとチンケ d(^^;)
→内部圧縮を持つ事で高効率な機械式過給器の実用化が待たれる(ルーツ「送風器」は低効率過ぎてお呼びじゃ無い)
・ノンスロットリング化と過給を一緒にした物が未だ少ない。それも吸気弁が早閉じなのはFiatツインエアだけだが、閉じ時期可変に油圧を使ってしまっている。
→VVELの様に純機械系で実現したい。で無いと補機駆動損失で効率Upに繋がらない
と言った様に、未だ未だ開発すべき課題が多い訳です。

アイドル回転から大気圧の2倍という高過給圧を。
それで、排気量半分と言った大胆なダウンサイジングを。
その上で、Turbo「も」使ったハイブリッド過給へ。
更には、
本格的なダウンサイジングエンジン + ハイブリッド(電気で回生)
へと進化して行って欲しいなと思う、今日この頃なのです。

中々難しい話ですから、何なりと補足なさって下さいな。


尚、私的には、ハイオクは要らないんじゃないか、と思ってます、上記の方式なら。d(^^;)
そして、ミラーシステムに拠るアトキンソンサイクルは、過給と併用するなら早閉じが本命です。が、日本車だと未だ遅閉じ式ばかりじゃないでしょうか。
これじゃ、高膨張比にしたくても、吐き戻す新気の量が増えると昇温 → ノッキングしてしまうので、過給との併用で旨味が出ません。
思い切って高回転域は捨てて、実用エンジンに徹する。なら、遅閉じとサヨナラして早閉じ式に進化する道が拓けて来るのです。(吸気管で慣性過給せず、全てを過給器に委ねるつもりで)

Answer 9

ダウンサイジングターボエンジンの主目的は、欧州の地球温暖化防止政策に伴うCO2排出規制と炭素税課税への対策としての小排気量化であって、省燃費は二の次と思うのですが。日本ではエコカー減税といえば省燃費なのでそこに目が行きがちですが、ミスマッチを起こしているような気がします。ステップワゴンのような日本でしか売れない車種に対して、なぜホンダ式ハイブリッドではなくターボエンジンを選択したのか疑問です。
と思っていたら、2017年内にビッグマイナーチェンジでハイブリッド車追加のウワサがありますね。
https://car.kurumagt.com/2016-rphv.html

Answer 10

難しいですね

ステップワゴンの件を話すと、ダウンサイジングよりもハイブリッドのほうが、財布を握るママにわかりやすいですよね

2000と並べれば、1500は格下と思われるし、残念ながら見た目も大してかっこよくないし

わかりやすい価値観がなければ買わないよ

ダウンサイジング云々の前に、マーケットリサーチができていないんですよ

ダウンサイジングやるなら、アコードを1500で走らせなきゃ

敢えてアコードを買う層にはアピールできると思います

Answer 11

国沢さんの言っていたのはガソリンの質では無くレギュラーガソリン仕様にしたのがまずかったという事でしょう。
ターボは圧縮比を高くして効率を良くします。
欧州車はのきなみハイオク仕様です。
日本ではとにかくハイオク仕様は嫌われるので無理やりレギュラー仕様にしたところダウンサイジングターボの良い所を活かしきれないという事じゃなかったでしょうか。