最近、国産のコンパクトカーでガソリン直噴エンジンが増えてきたように思います。 フィットの1.5リッター、デミオの1.3リッター、ノートの1.2リッター。

Question

またツインインジェクターも日産・スズキと採用があります。

しかしトヨタは最新エンジンの1NR-FKEでは、
直噴もツインインジェクターも利用せず
熱効率38%を達成したとあります。

直噴・ツインインジェクターを併用すれば、
38%以上が達成可能のように思えるのですが、
難しいのでしょうか？

Answer 1

トヨタの新しいエンジンは、従来のエンジンとは異なったコンセプトで開発されています。
直噴や、ツインインジェクターを採用すると、コストアップや、信頼性で不利になります。他社より安くて、信頼性の高い商品を作ることがトヨタの物作りの姿勢です。

トヨタのエンジンは、プリウス等に採用されているアトキンソンサイクルエンジンです。アトキンソンサイクルエンジンは、熱効率には優れているのですが、トルクが不足しやすい欠点があります。
トルクの不足解消が、このエンジンの開発目標でした。
解決方法として用いられたのは、

急速燃焼技術
エンジン気筒内に吸い込む吸気によって発生するタンブル流（縦渦）の強さが従来比で約2倍になる新形状の吸気ポートを採用し、燃焼効率を大幅に高めた。新形状の吸気ポートを採用し、タンブル流の強さと流量係数の両方を高めることに成功した。

高圧縮比
これはマツダのスカイアクティブでも行われた手法ですが、直接シリンダー内部に燃焼を噴射し、ガソリンの気化熱でノッキングを防止する方法とは異なる方法を採用しています。
圧縮比を高めて、高い出力や大きなトルクを引き出す際に発生しやすいとされるノッキングの回避を目指す方法はおなじですが、直噴無しで解決しています。まず、先述した急速燃焼によって、ノッキングが起こる前に素早く燃料を燃焼させる。次に、インテークマニホールドの負圧によって行う燃焼室内掃気の効率を、新たに採用した4-2-1排気管で大幅に改善し、燃焼室の残留ガス割合をできる限り減らせるようにする。そして、ノッキングの原因となる燃焼室内の温度上昇を抑えるために、気筒の壁温を制御するウォータージャケットスペーサーを採用しています。

開発者、足立氏は、「燃費向上の貢献度は、急速燃焼や高圧縮比化による燃焼改良が50％程度、損失低減が20～30％で、残りはエンジン全体の協調制御によるものだ」とおっしゃっています。

かつて９０年代トヨタが、大衆車まで全てのエンジンをDOHC化した時代がありましたが、ホンダはSOHCでトヨタと同等か、それ以上の性能のエンジンを送り出していました。トヨタのDOHCの性能を、ホンダはSOHCで開発していました。
当時ホンダのエンジン技術は、他社より優れたものがありました。
しかし、現在トヨタのエンジン技術は、他社が直噴やツインインジェクターを必要とする技術を、アトキンソンサイクルでそれ以上の熱効率を生み出すまでに成長しています。プリウスのノウハウが役立っているのだと思います。

質問者からのお礼コメント

ご回答ありがとうございます。
トヨタの開発の姿勢によるものなのですね。

２リッターターボの次の新型エンジンが何になるのか、
楽しみにしたいと思います。

Answer 2

熱効率は，エンジンのBMEP（正味平均有効圧力）を下げれば簡単にあげられます。つまり排気量やコストあたりのトルク／出力を上げながら，熱効率をあげる必要があります。

●ガソリンエンジンの熱効率は？
ガソリンエンジンの基本はオットーサイクルですから，圧縮比と比熱比から熱効率が決まります。

比熱比を増やすには，EGRをつかう方法があります。EGRには比熱比の低いCO2（二酸化炭素）やH2O（水）を含むため，EGR増加は比熱比低下をもたらします。しかしEGRによる比熱増加（比熱比ではなく）燃焼温度が低減するため，EGR増加によりわずかですが，比熱比は増加します。EGR増加は燃焼速度が低下し，トルク変動の原因になるので，限界があります。

圧縮比を増やすには，耐ノック性や耐プレイグ性を改善すれば良いので，等容度をあげたり，筒内壁面の冷却や筒内NOx低減が有効です。

等容度を上げるには，燃焼時間を短くすれば良いので，スワールやタンブルなどの気流をつかう方法があります。ただ気流強化のためは，吸入抵抗が増えるので注意が必要です。タンブル強化のためピストン頭頂部をいじると，燃焼室表面積が増えるので冷却損失が増えます。

筒内冷却には，筒内上部だけを部分冷却し，筒内下部は冷やさない（冷却損失低減）のが良いので，冷却水ギャラリに部分的な流路調整をいれるのが簡単です。

筒内NOx低減には，EGR増加による燃焼温度低下（＜ 2000K ケルビン）が有効です。

なおEGR増加は耐ノック改善にも有効です。

●直噴は？
直噴を使うことで，正確な燃料計量および筒内の気化熱冷却により，筒内温度を低減できます。つまり未燃分による損失と耐ノックの改善が可能です。しかしコストが高くなり，インジェクタ動力が増え，暖機時の霧化が悪化します。

●ツインインジェクタは？
インジェクタを分割することで，噴孔径の微細化により燃料粒径を30%くらい小さくできます。これにより霧化が促進し，燃焼速度が向上します。さらに筒内へ直接入る量が増えますので，筒内温度が低減できます。とはいえ，直噴ほど完全に入りませんので，筒内温度低減代は小さくなります。ちなみにスズキのK12B DJEエンジンの場合，ポート付着率は約60%です。

直噴のような高圧インジェクタ系は不要ですので，直噴にくらべると，コストアップ代は非常に小さくなります。

●トヨタの1NR-FKEは？
ハイブリッド用ではないエンジンで熱効率38%を出したのは素晴らしいことですが，スズキのK12B DJE（デュアルジェット）エンジンの方が優れていると思います。

排気量あたりのトルク と BMEP：
1NR-FKE ＝ 91.05Nm/L → 11.44bar
K12B DJE ＝ 95.01Nm/L → 11.94bar（1NR-FKEより4%超）

搭載車両の燃費（JC08）：
ヴィッツ 1.3L ＝ 25.0km/L
スイフト 1.2L ＝ 26.4km/L （ヴィッツより5%超）

デュアルジェットはインジェクタ増加になりますが，比トルクが大きく燃費も良いエンジンをつくったスズキの方が優れていると思います。ちなみにK12B DJEの熱効率は37.2%です。あるシンポジウムでおっしゃっていましたが，もし直噴が使えれば，簡単に38%を超えます。

●ミラーサイクル
ミラーサイクル（アトキンソンサイクルの具現化手法）はプリウスのエンジン（先代：1NZ-FXE や 現行：2ZR-FXE）に限らず，いろいろなエンジンで使われています。可変動弁でIVC（吸気弁の閉じ角）を変更できるようになったため，多くのエンジンで低負荷側はミラーサイクルあるいはミラーサイクルもどきになっています

●DOHC
1986年頃からトヨタが「ハイメカ・ツインカム」と称して，DOHC化したのは，他社との差別化のためでした。当時は，ホンダも日産もSOHCが主体でした。このハイメカというのは，吸気弁駆動軸から分割して排気弁を駆動するという方式でした。つまり「なんちゃって」でした。同じ頃から可変動弁が出現し，排気とは別に吸気弁ののタイミングを変えられるDOHCが有利になり，現在に続いています。ホンダが何度かSOHCエンジンを出していますが，いずれも失敗し，結局，DOHCになっています。日産も3弁エンジンを出しましたが，結局，商品性がなく，現在のDOHC4弁になっています

●熱効率
日本では，プリウス，クラウンの38.5%。そしてアコードの38.9%が話題になっていますが，海外からは無駄な競争と捉えられています。特にドイツのOEM（自動車メーカ）は，できるだけ普遍的に使える技術で，燃費と出力を満足できるエンジンを目指しています。これがストイキ直噴＋小径ターボ＋小排気量化（＝ダウンサイジング・ターボ）です。日本は直噴もターボの普及化も早かったのですが，結局，世界市場では負けてしまい，ドイツOEMには，5～10年遅れているというのが，日本のエンジン技術の共通認識です（内燃機関シンポジウムなど）。直噴もターボも高いのですが，ほとんどのクルマに採用することで低コスト化に成功しています

簡単ですが，ご参考になれば幸いです。

Answer 3

トヨタにとって直噴は過去の技術。