ディーゼルエンジンの排気処理問題を考える──内燃機関の未来とは？

ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べなぜ燃費がいいのか。答えは簡単で、圧縮比がガソリンエンジンより高く、熱効率に優れるからである。今日では、両者の差は縮まっており、ことにマツダの最新エンジン「SKYACTIV」では、ガソリンの圧縮比が14で、ディーゼルは14.5前後である。他社は、ガソリンもディーゼルもまだその域に行き着けていない。究極の内燃機関を目指し、開発を続けるマツダだからこそ実現出来た圧縮比だ。

さて、基本的に圧縮比の高いディーゼルエンジンは、ガソリンより揮発性の低い軽油を燃料とすることにより、点火プラグでの着火ではなく、圧縮を高めることによって高温になる空気の熱を利用して燃焼させている。ここで課題となるのが、煤（すす）に代表される粒子状物質（PM）と、ガソリンエンジンでも排出される窒素酸化物（NOx）の排ガス処理である。

PMとNOxの同時処理の難しさは、背反する燃焼が影響するからである。ＰＭは高温で軽油を燃やし尽くせば減るが、NOxは高温になるほど空気中の窒素と酸素が結合して発生しやすくなる。

燃料が十分に燃え尽きないことで発生するPMは、点火プラグではなく高圧縮による熱を利用したディーゼル特有の燃焼で生じやすい。燃料の燃え残りをなくすことができれば、つまり燃料を燃やし尽くせば、前述の通りPMは出ない。

そこで、多くのディーゼルエンジンが、燃料の軽油を一気に燃焼室内へ供給するのではなく、何度かに分けて噴射し、少しずつ燃焼させることでPMの発生を抑えている。同時に排気の後処理装置を装備することで、排気に残るPMを燃やし尽くすこともしている。

一方、軽油を燃やし尽くそうとすればするほど燃焼温度は高くなり、NOx発生量が増える。そこに登場したのが、尿素SCR（選択還元触媒）というNOx後処理装置だ。

NOxを含んだ排気に尿素水を吹きかけ、これをSCRに通すと、NOxを大幅に減らすことができる。ただし尿素水は消費される液体なので補給が必要だ。燃料補給ほど頻繁ではないが、１～２万キロメートル走行ごとに補給しなければならない。そして尿素水がないと排気浄化性能が落ちるため、エンジンが始動しない対策がとられている。

物流を支えるトラックや、観光業者などが使うバスであれば、事業者の管理で尿素水の補給ができるが、一般的な消費者向けには販売店やガソリンスタンドなどで尿素水を準備し、顧客の要望に応えられる体制を整えなければならない。また顧客自身も、尿素水が減ることについての意識を持ちにくいため、ある朝エンジンを始動しようとしたら尿素水切れで掛からないといった不便が起こることも考えられた。

そこで、EGR（排気再循環）を利用し、燃焼温度を高め過ぎないことでNOxの発生を抑え、なおかつ残るNOxを通常のNOx触媒で後処理しながら、PMはDPF（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）によって軽減させる方法が多くの乗用車メーカーで採用された。そこに、フォルクスワーゲンの排気不正問題が持ち上がった。

モード走行による測定装置上では後処理ができていても、市場での実際の走行では排気基準を満たせていなかったというのだ。対応策は、まず燃料を燃やし切るという原理原則に従った尿素SCRの採用である。そして今日、ほとんどのディーゼル乗用車が尿素SCRの導入に踏み切っている。ただし尿素SCRの採用ですべてが解決するわけではなく、EGRやDPFはどのディーゼル車も装備している。最近ではボルボも尿素SCRを採用するようになった。

ただし、マツダは従来通りで基準を満たしている。SKYACTIVの開発思想が、他社の動向と違った展開を可能にしているのだろう。そのうえで、今後尿素SCRを採用するかどうかはまだ見えていない。

また、いずれのディーゼルエンジンも、背反する排気処理問題を解決するため、圧縮比の調整や、運転状況に応じた燃料噴射回数の制御、そして各種の排気後処理装置を必要とすることにより原価が高くつくことになったのは否めない。

しかもこの課題は、燃焼室に直接燃料を噴射するガソリンエンジンでも関係ないとはいえない状況にある。直噴化により、ガソリンエンジンもPMを発生するようになったからである。

排気処理問題は実に多くの課題にぶつかる。これらを解決する方法のひとつにクルマの電動化が挙げられる。

現在、リチウムイオンバッテリーの原価が高いことから、EVの価格がなかなか下がらない状況にあるが、大量生産するギガファクトリーが世界で建設されはじめ、順次稼働していくとのこと。大量生産によりリチウムイオンバッテリーの原価が下がりEVが普及すると、原価の高騰傾向にあるディーゼル／ガソリンエンジンを存続する意味は薄れていくかもしれない。となると、排気処理問題は“内燃機関の終焉”といった形で解決するのだろう。

しかし、この解決方法はなんとも寂しい。内燃機関には、これまで積み上げてきた多くの技術や歴史があるし、魅力的なエンジン音や振動だってあるからだ。実は排気処理問題の行方は、未来のクルマのカタチを左右する重要な問題である。内燃機関の限界に挑むマツダをはじめ、各メーカーには頑張ってほしいと思うばかりだ。