ディーゼルエンジンは高回転までまわるエンジンにすることはできないのですか？

Question

大型トラックやバスなどに搭載される大排気量エンジンは無理にも思えますが、小排気量の乗用車用ディーゼルエンジンではどうでしょうか？

Answer 1

banganbonさんへ

>ディーゼルエンジン
>高回転までまわるエンジンにすることはできないのですか？
>小排気量の乗用車用ディーゼルエンジンではどうでしょうか？
banganbonさんとしては、どの位回ったら「高回転迄回った」と言う事にして頂けるでしょうか? そこが大事ですネ。d(^o^;)

今は大型車向けでも低回転化が進んで来ていまして、以前だったら2500rpm回ってたクラスが2000rpmと、回転域を下げるのが時流に成っています。
例えばですが、A地点からB地点へ移動する時。
同じ距離を走るのでも、同じ出力をより低回転で発揮出来るなら、トータルで「回った」数は少なく出来ますよね。
少なく出来た分は、擦る回数が少ない、摩擦が少ない。イコール、燃費が良く成る、、、のです。d(^^)

で、その昔のいすゞジェミニのディーゼルでも5500rpmは回りましたから、ディーゼルとしてはここら辺が限界でしょう。
まあ、大型車規模の〜2000rpmであっても、遥かに(熱)効率良くて、地球上で「熱効率最高」の座を競い続けている
http://www.khi.co.jp/knews/backnumber/bn_2006/pdf/news141_02.pdf
の、回っても 〜200rpm程度の世界と比べたら、十二分に高速回転していると思うのですけどもね。(苦笑)

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ディーゼルでは、ガソリンの様な、高回転化で高出力化を狙う事は出来ないのか?
論より証拠、先ずはル・マン挑戦車を視てみるのが良いでしょう。
又、マツダもSKYACTIVE-Dのレース仕様を作ってみてますが、何れも6000rpmは回っていません。
何故か?

http://www.isuzu.co.jp/technology/d_databook/technology.html
を参照する通りで、最大出力時は、噴射時間 or 期間が長く延びるので、余り長期間(時間)噴射し続けるとピストンが下がって来て温度も下がり、黒煙モクモクに成ってしまうのです。(それと同時にNOx急増が知られている)
つまり、昔から今に至る迄、吸い込んだ空気 or それに含まれる酸素を使い尽くす程の量は噴射出来るに至っていないのがディーゼルの技術、なのです。(λ=1.3)
一方で、ガソリンは混合気を燃やす為に、酸素を使い尽くす理論空燃比を常用しますし、ガス体に火花点火なので瞬時に燃え切ってしまいます。

ピストンが下がって来る程、噴射を遅いタイミング迄引っ張るからいけない。
ノズルをもっと多孔化し、その孔径も小さくし、もっと高圧で噴射したら、短時間の噴射で済みゃしないか?

それを研究していたのが、筑波の ACE、改め「新エーシーイー」で、コモンモードの影も形も無い頃に、2500barにも及ぶ高圧噴射の実験をし、その火炎伝搬の様子を高速度撮影したカラー写真帳を、業界向けに販売したのでした。
目論見通り、黒煙対策には成った物の、エンジンが壊れそうな位に高まったディーゼルノック音と、激増したNOx生成排出量に、「このままでは使えない」として、一度はお蔵入りに成った技術だったのでした。
上記でご紹介したいすゞの資料にも、主たる「高圧噴射」の最初の所で「初期噴射率制御」なる事をやってますよね。
精密に、多段に噴射出来る事を活かして、ここでパッパッパッと何段にも分けて噴射する事で、圧と温度の急上昇を抑えているのです。
そして、SKYACTIVE-Dに成っても尚、この噴射率制御を無くせていない、とマツダのエンジニアはインタビューに答えています。

神が作りたもうたエンジン。
それは、時間が掛からない方が良い所は零。強度等、強い方が良い所は無限大、、、とイメージする訳ですが、高速燃焼を誇り、競技用では2万rpm超を達成しているオットーサイクルガソリンでも、火焔伝搬速度は高々100m/sに迫ろうか、という「遅さ」を記録しているに過ぎません。(とても「爆発」とは表現出来ない (苦笑)
速ければ速い程、圧上昇が早い程、ピストンの行程位置、つまりクランク軸角度と燃焼室内圧力で描かれる「指圧線図」上の、仕事の面積が増えます。
逆に言うと、圧上昇が遅くて、グラフに出る三角形の欠損を、Proは時間損と呼びます。
神のエンジンは零。
人間がやったら、遅い上に、NOxと衝撃がバリバリに出ちゃう。。。

と言う所から、各種の限界は来ているのだ、と思って下さいな。d(^^;)

ガソリンの高出力化は、高回転で高トルクを出す様にする事でも可能だが、ディーゼルでは高回転化は望めず、専ら過給圧Upに頼る事と成っている。
よって、ディーゼルの限界は、昔から燃焼室内最高圧200kg/cm^2が限界とされて来ているのでした。

ディーゼルでもっと高出力化したいのなら?
吸気弁閉じ時期連続可変機構を実用化して、過給圧上昇に連れて弁閉じ時期を早め、吸気行程長を短くする事で吸気制限します。
これは結果的に可変圧縮比が実現した事に成り、ピストンとシリンダーでの圧縮を過給器に肩代わりさせる事によって、高出力化を実現出来る、と解ります。d(^^;)
膨張比は摩擦損との兼ね合いで理想に。(現状では14程度)
圧縮比は可変にして、過給圧Upに伴ってどんどん下げる、と言うのが"肝"です。

噴射も、単に「吹き込む」のでは、生温い。高圧の空気を別に作って、これで吹き飛ばす位の事をしなければいけない。(これが高コストなので市販例皆無)
のですが、それでも全てを気化・ガス化するのは無理でしょう。
と言う事は、微細に成っても、燃料液滴の1粒1粒が燃える。幾ら揮発性の良い軽油であっても、です。
もしそれが燃え残って互いに手を繋ぎ合って巨大化すれば、黒煙の素である煤に成長するのだし、液滴の局部 or 局所的に超高温が生じるのだから、NOxの生成 & 排出は抑えられない、と言う事に成ります。
着火後も燃料の供給が続く「拡散燃焼」を行うからこそディーゼル。なのですが、それが故に、ディーゼルの難しさが有るのです。

中々難しい話ですよね。疑問が有りましたら補足なさって下さいな。

質問者からのお礼コメント

非常に詳しく解説していただきながらのご回答ありがとうございました。
また、他の皆様もありがとうございました。どれも参考になりました。

Answer 2

高回転に出来る可能性は有りますが、各社の開発方向では無いのが現状です。

高回転化を目指す可能性が一番高いのはマツダの次世代ディーゼルエンジンです。

高回転化するには、高回転での機械損失（摩擦損）対策し、高回転での燃焼遅れによる出力低下を抑える必要が有ります。
機械損失を減らすには、低圧縮比よる低燃焼圧が効果的で、低圧縮比だと燃焼が緩やかなので早めに燃料噴射して燃焼遅れ防止も可能となります。

既にマツダのＳＫＹ－Ｄエンジンは、５５００回転まで回りますが、更に高回転な６５００回転程度までは高回転化出来る可能性はあると思います。

Answer 3

ガソリン車の回転の上がらない理由を言っておきながら、ガソリン車を上回るディーゼルが呈示出来てませんね
ディーゼルを理解して無いから論理矛盾している事にも気づかないのでしょうね

ディーゼルは燃料噴射時間（噴射量）によって回転数を変えます
噴射時間が短ければ燃焼時間が早いのです
燃焼速度と燃焼時間を一色単にしてますね

また、圧縮比と燃焼室圧力も、違います
自然吸気なら同じと言って構いませんがターボの場合は
圧縮比×ブースト圧＝燃焼室圧力
となりスカイアクティブは１４×２＝２８
が燃焼室圧力となります
ターボが無ければトルクは半分って事にもなります
http://aonikike.blogspot.jp/2014/11/blog-post_7.html?m=1

構造上、燃焼に時間が掛かる為に回転数を上げられないのです

Answer 4

★ディーゼルエンジンの燃焼について
オットーサイクル（ガソリンエンジンの理論サイクル）では，瞬間的な燃焼時間なので，完全な等容燃焼です。しかし実際は，点火してから，スワール（燃焼室内の気流）の乗って，火炎が広がっていくため，燃焼時間がかかり，一般的な乗用車エンジンで，6000rpm程度の回転数を得るためには，ボア径が100mm以下になります。それ以上になると，回転数を低く抑えないと，未燃分が多く出てしまいます。
一方，現在の乗用車用ディーゼルエンジンは，擬似的な予混合過程をへて拡散燃焼をします（これをPCCIといいます）。予混合では低温燃焼が主としておこなわれ，この熱エネルギを使い，燃料の主噴射による拡散燃焼がおこなわれます。この拡散燃焼は，こうした燃料の分割噴射が適切であれば，非常に短い時間でおこなわれます。たとえば早稲田の大聖泰弘先生の講演（2010年5月：品川プリンスでのJARI主催の講演会）：下記URLのp.25

http://www.jari.or.jp/Portals/0/resource/uploads/439cf6c62cddf5931b923d65b1a896d8.pdf

をご覧ください。
なお燃料を噴きながら，だらだら燃やすようなことは，現在の乗用車用ディーゼルエンジンではやっていません。コモンレールによる多分割燃料噴射の目的は，燃料噴射した燃料が短時間で燃焼できるよう，燃焼雰囲気をつくっているのです。詳しくは，下記URL（デンソー･レビュー）をご覧ください。

http://www.denso.co.jp/ja/aboutdenso/technology/dtr/v07_1/files/dissertation3-i.pdf

この文献から，燃焼時間（最高圧力の半値幅）は下記のことがわかります。

ガソリンエンジン … 約30度 （一般的な教科書）
ディーゼルエンジン … 約15度 （このレビュー）

つまりディーゼルエンジンの方が，短時間で燃焼がおこなわれます。これにより時間あたりの圧力上昇値が大きいため，燃焼時，ディーゼル特有の騒音発生の原因になっています。なおエンジン負荷が低いと燃料噴射時間がより短くなるので，燃焼時間も短くなります。ガソリンエンジンでは，負荷にかかわらず，燃焼室形状が同じなら，同じような燃焼時間になります（もちろん筒内気流により変わりますが）。

この騒音を抑えるため，上死点のあとに燃料噴射し，ゆっくり燃焼させる方式（日産のM-FIire＝MK燃焼）という方式もありますが，等容度が低く，燃費が悪くなるため，現在は使われていません。

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下記2つの理由のためです。

(1) 燃焼室内の圧力
(2) 慣性質量

●燃焼室内の圧力
最高圧力は，ガソリンエンジンにくらべて2～3倍になります。たとえばトルクに変換される平均的な圧力（BMEP＝正味平均有効圧）で見ると，下記のようになります。

★ガソリンエンジン
NA ホンダS2000（前期型）＝ 125.2馬力/L，BMEP＝13.7bar
NA カローラ・アクシオ（1.5L）＝ 72.9馬力/L，BMEP＝11.4bar
TC 日産GT-R（最新型）＝ 144.8馬力/L，BMEP＝20.9bar

★ディーゼルエンジン
TC BMW 750d Xdrive ＝ 129.6馬力/L，BMEP＝31.1bar
TC 日産X-Trail ＝ 86.7馬力/L，BMEP＝22.7bar

（説明）
NA＝Natually Aspiration 自然吸気
TC=Turbo Charger
BMEP=Brake Mean Effective Pressure 正味平均有効圧
bar＝バール 圧力の単位で，ほぼ1気圧

→ 乗用車用ガソリンエンジンでも過給機を使うと，あまり高回転ができなくなります（だいたい6000～6500rpmくらいまで）。これは燃焼室内の圧力が高いためです。

●慣性質量
この燃焼圧力に対応するため，ピストンやシリンダに対して高い強度が必要になります。材料強度そのものをあげるのがむずかしいので，材料の肉厚を増やすことになります。そうなると重量が重くなります。そのままで回転物につかうと，遠心力が大きくなります。そうなると，それをうける軸受荷重が増えてしまいます。遠心力は回転数の2乗に比例しますので，重量が増えた分，回転数を低下させる必要があります。

●どうやってCX-5のSKYACTIV-Dエンジンは高回転対応なのか？
SKYACTIV-Dエンジンのレブリミットは，一般的に5200rpmといわれていますが，実際に運転すると，5500rpmまで使えます。これは，一般的なディーゼルエンジンの最高回転数，4200～4500rpmを大幅に超えています。ディーゼルエンジンでも5000rpm超までつかえると，本当に気持ちの良い加速が楽しめます。
さてSKYACTIV-Dエンジンの高回転対応は，低圧縮比から来ています。燃焼室内の圧力は次のように決まります。

燃焼室内の圧力 ＝ モータリング圧力 ＋ 燃焼圧力

モータリング圧力とは，燃焼をともなわない機械的な圧縮による圧力変化です。圧縮比が低いほど，モータリング圧力が小さくなり，結局，燃焼室内の圧力が，従来のディーゼルエンジンより低いため，エンジンのブロック強度，ピストン強度をさげることができました。実際，ブロックやピストンをみると，まるでガソリンエンジンのような薄肉です。CX-5が発売される前，マツダのご厚意により，あるシンポジウムで実物を見ましたが，本当に驚きました。

なおマツダのディーゼルエンジンは，高回転側でトルクを落とすことで，燃焼圧力を低下させています。一方，回転数の増加により遠心力は増えます。つまり摺動部分への負荷をなるべく一定にするため，回転数が増えるほど，燃焼圧力を下げる，つまりトルクを下げています。

ただ低圧縮比にすると，いろいろな条件で自発火にするのがむずかしくなり，冷却損失低減や排ガスの内部環流などいろいろな方策をこらしています。この圧縮比14というのは，おそらく低温始動時の白煙限界で決めていると思います。

●高回転エンジンの定義とは？
高回転エンジンの厳密な定義はありません。わたくしは，平均ピストン速度が高いエンジンのことを高回転エンジンと考えています（私見です）。以下，おもなエンジンの平均ピストン速度を示しましょう。

前型カローラ 1.5L = 16.9m/s
S2000前記型 = 23.2m/s
舶用（大形）の例 ＝ 8.7m/s
F1（例）＝ 25.2m/s
前型M5 ＝ 21.3m/s
大型トラックの例 ＝ 8.7m/s
パジェロ 3.2Lディーゼル ＝ 12.3m/s
マツダ 2.2Lディーゼル ＝ 14.1m/s
マツダ 2.5Lガソリン＝ 19.0m/s

これからマツダのディーゼルエンジンは，従来のディーゼルより高回転エンジンといえますが，ガソリンエンジンよりかなり低いといえます。

●大型トラックやバスのエンジンでは？
圧縮比を下げると，熱効率が低下して燃費が悪化します。摺動損失の低下により，多少回復しますが，それでも熱効率悪化は取り戻せません。このため筒内流動を抑えて，冷却損失を減らす必要があります。つまり筒内流動を減らした状態で，擬似的予混合をおこなう必要があるのです。これが非常に難しいため，当面，圧縮比の低下は難しいでしょう（欧州の一部では，より高圧縮比にする動きがあります）。つまり高回転化は，今後も難しいといえます。

●ダウンスピーディングは？
現在のエンジンは，BMEP（正味平均有効圧力）をあげて，トルクを稼ぎ，低回転域の加速性を確保しながら，高回転側をカットする方向です。つまりより低回転で使う方向です。これをダウンスピーディングといいます。

簡単ですが，ご参考になれば幸いです。

Answer 5

構造上自己着火のディーゼルは
高回転には向きません。

Answer 6

間違いばかりだな。

ディーゼルは燃焼に時間がかかる。
圧縮空気に噴射された燃料は燃えながら体積を増やしピストンを押し下げるが、燃焼が遅い=広がりが遅い=体積が増える速度が遅い=
ピストンを押す速度が遅い=
ピストンが下がり続ける間中押しているからトルクが大きくなる

ガソリンは燃焼が速い。
ピストンを押し下げるのは下がり始めだけ=トルクは小さい
燃焼が速い=ピストンを押し下げる速度が速い=高回転可能=20000rpmでも動く

燃焼でも火炎伝搬速度が大きく違うためディーゼルは10000rpmなどと言う高速回転は物理的に不可能、逆にガソリンは燃焼が速くトルクが小さいのでディーゼルより高回転まで回す必要があると言うことです。

Answer 7

すでに高回転型のディーゼルエンジンがあるのに知らないのですね。
SKYACTIV-D、MAZDAのエンジンです。
自動車用のエンジンとしては世界に類を見ない低圧縮エンジンです。
ディーゼルの圧縮率が高い理由は、圧縮率が高くないと自然燃焼しないからなんですね。これを低圧縮率で自然燃焼するレベルまで持ってきたのが特徴です。
おかげでエンジンの強度をそれほど、気にする必要がなくなったんです。
そのために高回転型のエンジンを作りやすくなってます。

Answer 8

ディーゼルエンジンはガソリンエンジンの燃焼と違って爆発です。
それによって高いトルクが出せますよね。

その代わり衝撃が強いので当然部品の一つ一つ、そして全体的に重く頑丈なエンジンとなります。
すると高回転がどうしても苦手になってしまいます。
やってやれないことはないのですが、振動も音もさらに大きくなりそれに合わせてさらに頑丈に作る必要が出てきますし、また無理に重い部品を高回転まで回すことはロスが大きくなることでもあります。

ですので一番効率よく使えるのが低回転域で高トルクを出すようなセッティングということになります。

Answer 9

ガソリンエンジンに比べて圧縮比が高いので、高回転には不適なエンジンがディーゼルです。