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Chapter 写真：小平 寛1
Chapterマツダ
（株）
小型
Ｓ
Ｋ
Ｙ
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Ｖ︲
Ｄ
の
理想
の
燃焼
は
マツダは 新 しい 燃焼理論 に 基 づく ＳＫＹＡＣＴＩＶ ‐ Ｄ を 小型車 に 展開 しようとしていた ︒ 実用燃費 で 同 クラスのガソリンハイブリッド 車 と 同等 の 燃費性能 を 目標 とする 野心的 な 試 みだった ︒ しかし 開発 に 立 ちふさがったのは 小排気量化 によって 相対的 に 増 える 冷却損失 の 問題 だった ︒ 物理現象 の 定石 を 踏 んで 解決 するしかないとしたマツダは ︑ 理想 の 噴霧 を 求 めて 新 しいインジェクタの 採用 に 踏 み 切 った ︒ すでに 新型車 は 量産開発 に 移 っていたころだった ︒Development of the New Small Clean Diesel Engine
pr oviding New V alue
新
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マツダは、ＳＫＹＡＣＴＩＶ（スカイアクティブ）の Ｇ（ガソリン） と、 ＳＫＹＡＣＴＩＶ ︲ Ｄ（ディーゼル） ︲ Ｄについては、２０１２年のＣＸ ︲ 標、２０２０年に５％を、５年前倒しする実績づくりに 貢献している。 今回の開発は、排気量 2.2Ｌで市場導入したＳＫＹＡＣ ＴＩＶ ︲ Ｄに次いで、 1.5Ｌへ小排気量化したエンジンの 実現へ向けた取り組みである。 小 排 気 量 化 へ 向 け た 技 術 課 題 に つ い て、 マ ツ ダ の パ ワートレイン開発本部エンジン性能開発部第１エンジン 性能開発グループで主幹エンジニアを務める森永真一は、 「開発の目標としては、超低圧縮と高過給で実現した 2.2 ＬのＳＫＹＡＣＴＩＶ ︲ Ｄでお客様に提供した価値 ︱︱ すなわち高回転まで滑らかに加速する／クラストップ水 準の燃費を実現する／クリーンな排ガスのディーゼルで あることを、 1.5Ｌの排気量でも同じように実現すること です。 しかし一方で、排気量が小さくなることにより、エン ジン燃焼室の表面積に比べ容量が小さくなることによる 冷却損失の増大、小型車に搭載するため寸法的に小さく すること、また同じように、小型車に搭載するため原価 を見合うように仕立てるという課題を突破することが使 命でした」と説明する。 そ の 実 現 の た め に 投 入 し た 技 術 が、 着 火 の 改 善 ／ ディーゼル特有のノック音を低減するナチュラルサウン ドスムーザーと段付きピストンの採用（ 図１ ）／冷却損 失 改 善 ／ 機 械 抵 抗 の 改 善 ／ 冷 却 水 を 早 く 暖 め る ウ ォ ー タージャケットスペーサーと水流制御バルブの採用（ 図 ２ ）／シングルターボチャージャによる小型化（ 図３ ） ／水冷インタークーラ（ 図４ ）の採用などである。 マツダは 新 しい 燃焼理論 に 基 づく ＳＫＹＡＣＴＩＶ ‐ Ｄ を 小型車 に 展開 しようとしていた ︒ 実用燃費 で 同 クラスのガソリンハイブリッド 車 と 同等 の 燃費性能 を 目標 とする 野心的 な 試 みだった ︒ しかし 開発 に 立 ちふさがったのは 小排気量化 によって 相対的 に 増 える 冷却損失 の 問題 だった ︒ 物理現象 の 定石 を 踏 んで 解決 するしかないとしたマツダは ︑ 理想 の 噴霧 を 求 めて 新 しいインジェクタの 採用 に 踏 み 切 った ︒ すでに 新型車 は 量産開発 に 移 っていたころだった ︒ 図 1 ノック音を低減するナチュラルサウンドスムーザーと燃焼室 図 2 冷却水を早く暖めるウォータージャケットスペーサーと水流制御バルブ 図 3 小型シングルターボチャージャ 図 4 小型水冷インタークーラ1
Chapter2.2Ｌ
エ
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ジ
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技術を持
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で
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目標
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達
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な
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なかでも、小排気量化で重要なのは燃焼の改善と冷却 損 失 の 低 減 と 言 え る だ ろ う（ 図 ５ ）。 先 行 開 発 を 担 っ た パワートレイン開発本部エンジン性能開発部第１エンジ ン 性 能 開 発 グ ル ー プ 主 幹 エ ン ジ ニ ア で あ り 工 学 博 士 の 志茂大輔は、 「２０１２年に 2.2ＬのＳＫＹＡＣＴＩＶ ︲ Ｄを世に出し、 その技術をそのまま 1.5Ｌに移植しても、目標性能に達し なかったところに苦労がありました。また、 2.2Ｌは６年 の歳月をかけて開発しましたが、 1.5Ｌは４年しか開発の 猶予がなく、開発時間の短さも苦労と言えました。それ から原価を常に考えながらどう解決するかが、悩みどこ ろでした。 小排気量化における冷却損失の課題は重く、しかし、 解決は物理現象の定石を踏んでいくしかありません。解 決策は、噴霧した燃料が燃焼室の壁にあたる面積を小さ くすることと、壁面に当たる燃料によって起こる空気の 流れを小さくすることです。その実現には、ふわっとし た噴霧と、燃焼室に段差を設けスキッシュの強さを抑え ることが、 原理原則に従った答えになります」 と解説する。 理路整然とした話ではあるが、ものづくりの難しさは、 それを現実の形として成立させるところにある。設計を 担当したパワートレイン開発本部エンジン設計部第１エ ンジン設計グループのアシスタントマネージャーである 平林千典は、 「これまでは物理の原則を形にできなかったから、実現 できていなかったわけで、そこをいかに形にするかにつ い て、 志 茂 と、 〝 2.2Ｌ エ ン ジ ン の こ ろ か ら 理 想 の 噴 霧 と は〟をずっと語ってきた経緯があります。そして 1.5Ｌの 開発で、ふわっとした噴霧に志茂が飛びついたわけです が、すでに量産開発が始まっている途中で燃焼室と噴霧 を変更しようというのですから、並大抵ではありません。 開発全体を管理する高松や、量産開発をする森永に、本 当に今から新たな技術を開発していいのかと聞いて回り ました。その答えは、いずれも理想を追求するためにや ろうということでした」と、経緯を語る。 志 茂 も、 「 最 終 的 に は 役 員 の 人 見 が や れ と 言 っ て く れ ました」と振り返る。 しかしこのことは、マツダ社内はもちろん、部品供給 メーカーにとっても寝耳に水であった。 パ ワ ー ト レ イ ン 開 発 本 部 で 当 時 は 第 １ エ ン ジ ン 性 能 開発グループ所属で、現在はエンジン性能開発部の部長 である高松宏志は、次のように話す。 「当然ながら、量産へ向けた成功のシナリオを描いた上 で、部品メーカーの量産ラインの設計をもマツダが一緒 に考えながら了解してもらいました」冷却損失低減
の
ため
の
噴霧方式を
量産開発後
に
採用
し
た
ふわっとした噴射とは、どのような燃料噴射のさせ方 なのか。低負荷領域において、インジェクタから勢いよ く燃料が噴き出すのではなく、より広範囲に、まさに霧 状に広がるような噴射のさせ方である。一方、高負荷領 域では、力強い噴射を実現する。 森永は、 「ふわっとした噴射は、インジェクタの燃料が通る孔の 距離が短く、座ぐりの形状、噴射回数で実現します」と 説明する（ 図６ ）。 設計の平林は、 「ただし、その部分については理論的な解明はまだなく、 世界中の大学の先生がそれを研究課題にしているくらい の内容です。したがって、実現するためには試行錯誤を していくしかありません」と言う。 そして、志茂は、 「先行開発の段階では、ある一つの運転条件で実証がで きていましたが、量産開発ではお客様が実際に自動車を お使いになる走行条件で、いつでもふわっとした噴射を 実現しなければならないところに苦労があったと思いま す。なおかつ、量産開発が始まってからの追加性能でし たので、作り込みの時間が圧縮され、大変だったと思い ます」と、量産開発の労をねぎらう。 Heat balance Exhaust loss Cooling loss Pumping loss Mechanical loss Effective work Control factors Compression ratio Specific heat ratio Combustion period Combustion timing Heat transfer to wall Pressure diff. Btw IN. & EX. Mechanicalfriction
Far Distance to ideal Close
Gasoline engine Diesel engine
previous current future future current previous
World highest CR Miller cycle Friction reduction 1
st step SKYACTIV-G st1 step SKYACTIV-D
Higher CR Lean HCCI Lean HCCI Heat insulation Further
reduction reductionFurther
2 nd step nd2 step 3 rd step = Goal More homo-geneous Heat insulation 1.5L 2.2L 14.8 World lowest CR14 2 Stage TC HP EGR Partially PCI TDC combustion Low temperature combustion Low Pmax VG TC w/ rev. sensor Coolant control system Short Length Hole nozzle Stepped Egg bowl
─ ─
それを実際に担ったのが、パワートレイン開発本部エ 市 場 で の エ ン ジ ン の 実 用 範 囲 は 実 に 広 く、 外 気 温 で え ば 零 下 か ら 高 温 ま で、 標 高 で い え ば １ ０ ０ ０ 〜 かつて、マツダのディーゼルエンジンは欧州を中心と その開発の様子を、高松は、 ︲ Ｄの 1.5Ｌエンジン開発におい 人員が限られ、 開発期間も短かったので、 インジェ ズ・ バ イ ブ レ ー シ ョ ン・ ハ ー シ ュ ネ ス ）、 ド ラ イ バ ビ 1.5Ｌとなって冷却損失が ︲ Ｄ（ドゥ） Ｃ（チェック）を早く回す必要がありましたから、開 各 設 計 お よ び 機 能 開 発 の 担 当 が One Mazda で 開 発 す ぐ集まれる状態で、その場で即決し、シナリオを描き、 台上や実車での試験に回すといったことができました。 目指すゴールは、走る歓びと優れた環境性能を実現す る、いいクルマを作るためのいいエンジンシステムとな るような開発の取り組み方です」と説明する。
性能を出す
燃料噴射制御
モ
デ
ル
い い エ ン ジ ン シ ス テ ム と し て 完 成 さ せ る た め に は、 ハードウェアだけでなくソフトウェアも重要な位置づけ にある。志茂は、 「 イ ン ジ ェ ク タ と、 頭 頂 部 に 段 差 を 設 け た ピ ス ト ン の ハードウェアが決まっても、それを使って性能を出すの は森永らが行う燃料噴射制御モデルです」と語る。 高松も、 「クルマとしての燃費や排ガス浄化、ノック音の低減な ど、ありたい燃焼コンセプトを具現化し、作り込むのは 燃料噴射制御モデルで、最も時間と労力を掛けた技術で す」と言葉を添える。 そして森永は、 「ディーゼルエンジンを決めるのは、燃焼です。多段噴 射によってどのように燃やすかを定義し、そのためにど のように噴射するかに取り組みました。究極は、燃費、 LP EGR Cooler LP EGR Valve Exhaust Shutter Valve Stepped Egg-Shaped PistonShort Hole Length Nozzle
Coolant Control Valve Water Jacket Spacer
Natural Sound Smoother
Hexagonal Cell DOC Variable Geometry Turbocharger w/ speed sensor Aspirator System HP EGR Valve Water-Cooled Intercooler ハイブリッド車を持たなかったマツダは、内燃機関で燃費を追求し、気候変動をもたらす温室効 果ガスの削減にWell to Wheelで取り組んでいる。内燃機関の効率を高めるため、原理原則に従っ た開発のロードマップを策定し、それに沿ってディーゼルエンジンの開発を行うことで SKYACTIV‐ D2.2を市場導入した。その次の段階として、排気量を 1.5Lとする小型車用ディーゼルエンジン の開発に着手した。小排気量化で大きな課題の一つとなる冷却損失を改善するため、燃料噴射と ピストンの改良により、壁面へ逃げる熱損失を抑えたのが今回の技術である。それに際しては、小 型車に搭載するうえでの原価低減を視野に入れながら、顧客への提供価値は 2.2L エンジンと同等 とする開発努力が必要であった。ハードウェアとソフトウェアの両面からの開発は、短期間で行われ たが、部品メーカーと一体となった開発により、さらに次へつながる冷却損失の低減を実現した。
SKYACTIV技術による小型ディーゼルの課題解決
図 6 ふわっとした噴射を可能にした新開発インジェクタ1
Chapter 騒音、煙の背反がある中で、適合の幅が狭いところをい かにうまくすり抜けるかにかかっています。そこでカギ を握るのが、噴射量の精度を高める技術です。何段噴射 でも、狙い通りにきちんと燃料を噴けるかです。その正 確性はマツダがもっとも厳しい要求を部品メーカーに求 めているところで、部品メーカーも苦労をしたと思いま す。部品メーカーと一緒に会議で調整していき、噴射を 乱す機構的要因を探り、改善するには何をすべきかをマ ツダからも提案しました」と、その多難さを語る。 平林は、より具体的に現場の様子を話す。 「 2.2Ｌエンジンには、ピエゾインジェクタを使っていま す。ピエゾインジェクタは正確ですが、価格が高くなり ます。 1.5Ｌエンジンには、 ソレノイドインジェクタを使っ ています。こちらは、原価を下げられる一方で、噴射精 度が我々の求める水準になかなか達しません。 ふわっとした噴射を行うには、多段で燃料を噴く際の １段当たり１〜２㎣ ／ str（キュービック／ストローク） の燃料を噴射したいのですが、実走行における使用条件 の違いによって、噴射量が多かったり少なかったりバラ ツキます。そこで、インジェクタの機構を自分でも勉強 し、森永や大西と一緒に機構と制御の両面から、こうす ればいいのではないかという提案を、１〜２㎣／ strの燃 料噴射の必要性の説明と合わせて、部品メーカーへ提案 しました」 志茂は、 「多段で３〜４回燃料を噴射する際、最初に噴射すると ころで噴射量が安定すると、燃焼も安定するようになり ます。また、ターボチャージャによる過給や、ＥＧＲ導 入による酸素量の違いに対しても、燃え方から逆算して 噴射量を決める技術を作り、燃費、騒音、煙の三つを良 くしてすべてを成り立たせるように自動計算し、ソレノ イドインジェクタの能力を最大に活かす工夫をしました。 モデルベース開発を使い、制御ソフトウェアをＥＣＵ に入れていったのです」と開発手順を紹介する。 モデルベース開発とは、マツダがＳＫＹＡＣＴＩＶに 取り組む際に行った、コンピュータ制御の改革である。 コモンアーキテクチャー（基本骨格の共通化）を制御に も当てはめ、追加プログラムの導入を容易にした。小型デ
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こうして、開発の狙いである、高回転まで滑らかに加 出典：各社カタログ 40 35 30 25 20 15 40 35 30 25 20 15 SKYACTIV-D 1.5L SKYACTIV-D 1.5L SKYACTIV-D 1.5L マツダ・デミオ 1.5Lディーゼル 6MT マツダ・デミオ 1.5Lディーゼル 6AT 他社 A 1.5Lガソリン HEV 他社 B 1.5Lガソリン HEV マツダ・デミオ 1.5Lディーゼル 6MT マツダ・デミオ 1.5Lディーゼル 6AT 他社 A 1.5Lガソリン HEV 他社 B 1.5Lガソリン HEV マツダ・デミオ 1.5Lディーゼル 6MT マツダ・デミオ 1.5Lディーゼル 6AT 他社 A 1.5Lガソリン HEV 他社 B 1.5Lガソリン HEV グレード違い グレード違い 0.30 0.25 0.20 0.15 軽油 100 円 /L ガソリン 120 円 /L で換算 出典：株式会社イード・e 燃費 「車種別実用燃費データ」 （2016.9 時点年間平均） Ｊ Ｃ Ｏ ８ カ タ ロ グ 燃費 ︹ ㎞ ╱ Ｌ ︺ 実用燃費 ︹ ㎞ ╱ Ｌ ︺ 単位価格当たり実用燃費 ︹ ㎞ ╱ 円 ︺ 図 7 SKYACTIV-D 1.5L 搭載車と競合車のカタログ燃費および実用燃費の比較速する／クラストップ水準の燃費を実現する／クリーン な排ガスを実現したＳＫＹＡＣＴＩＶ ︲ Ｄ 1.5は、実用燃 費において同クラスのガソリンハイブリッド車と同等の 燃費性能を実現した（ 図７ ）。 今回の開発がもたらす将来への期待はどこにあるのだ ろうか。 高松は、 「実走行の使用状況に応じて、システムの装置を上手に 機能させることができるようになったという点で、 1.5Ｌ エンジンは先端にあると思います」と評価する。 また、志茂は、 「 1.5Ｌの小排気量でも、ふわっと燃料を噴射する技術と、 頂部に段差のあるピストンを用いた燃焼室によって、 2.2 Ｌエンジンがお客様に提供した価値に近づけたと思いま す。そして 1.5Ｌエンジンで使った技術を 2.2Ｌエンジンへ 応用していくことにより、 2.2Ｌエンジンの冷却損失をさ らに改善し、燃費向上につなげていくことができると思 います。その改善は既にＣＸ ︲ ８に織り込んでいます」 と、停滞することのないディーゼルエンジン開発の継続 性、連続性を語るのである。 その背景にあるのは、ガソリンエンジンとディーゼル エンジンの両面から同じ理想の燃焼の実現を目指したＳ ＫＹＡＣＴＩＶのロードマップである。
