クリーンディーゼルエンジン
Mazda SKYACTIV-D の開発
― 社会を変えたNEDOの技術 ―
マツダ（株）エンジン性能開発部
志茂 大輔
2015年2月12日NEDOフォーラム
【関連NEDOプロジェクト】 革新的次世代低公害車総合開発「超低エミッション高効率乗用車ディーゼルエンジンの研究開発 及びナノテクノロジーを応用した高性能排ガス浄化触媒の研究開発」（’2004 ~’2008）2
１．NEDOインサイド製品の事業化状況
報告内容２．NEDOプロジェクトで得た成果
３．NEDOプロジェクトに対する見解
• クリーンディーゼルエンジン製品の概要
• 市場競合力
• 市場創出成果
• 研究の背景と目的、研究開発体制
• 研究開発内容（NEDO期間中）
• 研究開発内容（NEDO期間後の自社開発）
• 学会発表／受賞歴
• 成功要因、有効性
• 人材育成
3
クリーンディーゼルエンジン製品の概要：
１．NEDOインサイド製品の事業化状況 • 走り： 常用域の大トルクと 高回転まで回り切るスムーズな加速 • 燃費： クラストップレベルの低燃費、ハイブリッド車に負けない経済合理性 • 環境： 高価なNOx触媒無しで国内ポスト新長期／欧州EU6排気規制 に適合するクリーン燃焼 Mazda SKYACTIV-D の特徴CX-5 AtENZA AXELA DEMIO
4 １．NEDOインサイド製品の事業化状況 エッグシェイプ 燃焼室 ‘2012 Skyactiv-d 2.2L ‘2014 Skyactiv-d 1.5L
製品
多噴孔ノズル 高性能インジェクタ モデルベース 着火時期制御 LP/HP併用 EGRシステム ITIC-PCI 予混合型燃焼 群噴孔ノズル インジェクタ CX-5 AtENZA AXELA DEMIONEDO期間
自社開発
搭載車種： 搭載車種： （’2004～’2008）クリーンディーゼルエンジン製品の概要：
NEDOインサイド革新的クリーン燃焼技術（低排気エミッション）
5 １．NEDOインサイド製品の事業化状況
トルクカーブ比較 クリーンディーゼル vs 大排気量ガソリンエンジン
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed (rpm) T orqu e (Nm ) ガソリン V6 3.7L 40% SKYACTIV-D (2.2) 100km/h走行時の回転速度（ｷﾞﾔ段） （６速） （５速） （４速） ・クリーンディーゼル2.2Lの低中速トルクは ガソリン3.7Lを大幅に上回る ・実用域で４Lガソリンエンジン並みの走りを実現市場競合力（走行性能）：
6 １．NEDOインサイド製品の事業化状況 国内クリーンディーゼル乗用車（2.0～2.5Lクラス）カタログ燃費比較 D社セダン ガソリンハイブリッド 2.5L Mazda SKYACTIV-D ・他社クリーンディーゼル車に対して優位な燃費競合力を実現 ・他社ガソリンハイブリッド車に対しても燃料価格を考慮すると優位に
市場競合力（燃費性能）：
C社セダン 2.0L_2WD/AT C社SUV 2.0L_2WD/AT B社ミニバン 2.3L_4WD/AT A社SUV 2.0L 2WD/AT 4WD/AT C社SUV 2.0L_4WD/AT レギュラー ガソリン 約130 円/L 軽油 約110 円/L 燃料小売価格 (2015年1月時点)7
マツダ 国産A社 国産B社 輸入C社 マツダ マツダ 輸入C社
CX-5（SUV) SUV ミニバン SUV デミオ(HB) ｱﾃﾝｻﾞ(SDN) セダン
2.2L 2.0L 2.3L 2.0L 1.5L 2.2L 2.0L 過給機 2stage ﾀｰﾎﾞ VG ﾀｰﾎﾞ VG ﾀｰﾎﾞ VG ﾀｰﾎﾞ VG ﾀｰﾎﾞ 2stage ﾀｰﾎﾞ VG ﾀｰﾎﾞ EGR HP loop ｸｰﾙﾄﾞ/ﾎｯﾄ HP loop ｸｰﾙﾄﾞ/ﾎｯﾄ HP loop ｸｰﾙﾄﾞ/ﾎｯﾄ HP loop ｸｰﾙﾄﾞ/ﾎｯﾄ LPｸｰﾙﾄﾞ /HPﾎｯﾄ HP loop ｸｰﾙﾄﾞ/ﾎｯﾄ HP loop ｸｰﾙﾄﾞ/ﾎｯﾄ 圧縮比 14.0 15.6 14.9 16.5 14.8 14.0 16.5 NOｘ 無し NOx吸蔵 （NSC） NOx吸蔵 （NSC） NOx吸蔵 （NSC） 無し 無し NOx吸蔵 （NSC） PM ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ 粒子ﾌｨﾙﾀ （DPF） ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ 粒子ﾌｨﾙﾀ （DPF） ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ 粒子ﾌｨﾙﾀ （DPF） ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ 粒子ﾌｨﾙﾀ （DPF） ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ 粒子ﾌｨﾙﾀ （DPF） ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ 粒子ﾌｨﾙﾀ （DPF） ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ 粒子ﾌｨﾙﾀ （DPF） 129 kw 127 kw 109 kw 82 kW 77kW 129 kw 135 kw 420 N・m 360 N・m 360 N・m 270 N・m 250N・M 420 N・m 380 N・m 18 km/L (2WD: 18.6) 13.8 km/L （MT: 14.2） 13.6 km/L 15.6 km/L (2WD: 16.4) 26.4 km/L （MT: 30） 20 km/L （MT: 22.4） 19.4 km/L 後処理 最高出力
SUV&ミニバン （AT/4WD） セダン&ハッチバック （AT/2WD）
排気量 車種 メーカー 最大トルク JC08ﾓｰﾄﾞ 燃費 排気低減技術 性能 燃焼改善
市場競合力（環境性能）：
１．NEDOインサイド製品の事業化状況 国内クリーンディーゼル乗用車比較（主要なポスト新長期排気規制適合車） クリーン燃焼による、高価なNOx触媒無しでの規制適合は Mazda SKYACTIV-D だけ (2015年1月時点、マツダ調べ) A社 B社 C社 C社8 次世代自動車普及の政府目標（新車販売台数に占める割合） １．NEDOインサイド製品の事業化状況
市場創出成果：
燃費（CO2削減効果）に優れるクリーンディーゼル乗用車の普及は、 政府目標にも掲げられている 出展： 次世代自動車戦略2010（経済産業省HP）9 １．NEDOインサイド製品の事業化状況
日本でのクリーンディーゼル乗用車市場を創出した．
CX-5 ｱﾃﾝｻﾞ ｱｸｾﾗ ディーゼル乗用車 Total 乗用車Total ディーゼル乗用車Total ディーゼル車シェア率 ﾃﾞﾐｵ クリーンディーゼル乗用車 国内販売台数 国内販売シェア 国内販売台数 （台 / 月） （台 / 月）市場創出成果：
国内販売台数 （台 / 月） ディー ゼル車のシ ェア 率 「次世代自動車戦略2010」での2020年政府目標【5%】に到達！10
背景：
■高い熱効率が得られるディーゼルエンジンは、乗用車のCO2
削減技術として期待されている。
■しかし、厳しい排気規制に適合するためには、排ガス中の
NOxの浄化に、高価な触媒の装着が必要とされていた。
２．NEDOプロジェクトで得た成果目的：
■高い熱効率を維持し、NOx触媒装置が不要な革新的クリー
ン燃焼技術を開発する。
NOx PM 燃費 走行モード 0.07g/km （NOｘ後処理なし） 0.005g/km 2015 年ガソリン乗用車基準比 20％改善 JC08目標：
【NEDOプロジェクト】（’2004 ~’2008） 革新的次世代低公害車総合開発「超低エミッション高効率乗用車ディーゼルエンジンの研究 開発及びナノテクノロジーを応用した高性能排ガス浄化触媒の研究開発」11
研究開発体制：
研究開発責任者 マツダ株式会社 広島大学 低温希薄予混合型燃焼 低温希薄拡散型燃焼 高過給多量EGRシステム ・噴霧/混合気形成の解析 ・新燃焼方式の開発 ・実車システムの開発 燃焼制御技術 実車検証 LAS法噴霧計測 着火・燃焼過程解析 可視化エンジン燃焼計測 新コンセプトノズル ２．NEDOプロジェクトで得た成果 【NEDOプロジェクト】（’2004 ~’2008） 革新的次世代低公害車総合開発「超低エミッション高効率乗用車ディーゼルエンジンの研究 開発及びナノテクノロジーを応用した高性能排ガス浄化触媒の研究開発」12 エッグシェイプ 燃焼室 ‘2012 Skyactiv-d 2.2L ‘2014 Skyactiv-d 1.5L
製品
多噴孔ノズル 高性能インジェクタ モデルベース 着火時期制御 LP/HP併用 EGRシステム ITIC-PCI 予混合型燃焼 群噴孔ノズル インジェクタ CX-5 AtENZA AXELA DEMIONEDO期間
（’2004～8）自社開発
搭載車種： 搭載車種： ２．NEDOプロジェクトで得た成果研究開発内容（NEDO期間中）：
革新的クリーン燃焼技術（低排気エミッション）
13 ２．NEDOプロジェクトで得た成果
研究開発内容（NEDO期間中）：
従来燃焼のイメージ 局所高温 →NOx 酸素不足 →すす 酸素 燃料 すす 目標燃焼を実現するためには・・革新的クリーン燃焼技術
混合気当量比 Φ 局所燃焼温度 T Mixture frequency → Ric h Le a n ← 【CAE解析結果】 低温で燃える →NOx減少 酸素が充足 →スス減少 目標燃焼のイメージ LP/HP併用-EGRシステム ITIC-PCI 予混合燃焼 群噴孔ノズル インジェクタ 混合気の希薄化 燃焼の低温化 ・多量EGR ・高過給/高吸気密度 ・予混合化 ・噴霧微粒化 （軽負荷） （中・高負荷）14 ITIC-PCI 予混合燃焼 ATDC10 High Low Light Intensity ITIC-PCI 予混合型燃焼 従来燃焼 吸気冷却、低圧縮比化、EGRを制御因子にして、低温燃焼化でNOxを低減、 予混合化と余剰空気による混合気希薄化でSootを低減 ２．NEDOプロジェクトで得た成果 【エンジン燃焼可視化計測】 リッチ混合気
研究開発内容（NEDO期間中）：
余剰空気 吸気冷却 低圧縮比 EGR 予混合化 【CAE解析】 Mixture frequency 従来燃焼 ITIC-PCI In-Gas Temp. NOｘ Smoke （Soot） HC CO 正味燃費率 BSFC 0.5 g/kWhr 0.2 FSN 2.0 g/kWhr 20 g/kWhr 5 g/kWhr 40 ℃ 低負荷：1500rpm – BMEP300kPa エンジン性能試験結果 混合気当量比 Φ → Ric h L e a n ← 局所燃焼温度 T 局所燃焼温度 T 混合気当量比 Φ → Ric h L e a n ←15 ２．NEDOプロジェクトで得た成果 群噴孔ノズルインジェクタ 従来のノズル NEDOで取り組んだ群噴孔ノズル
研究開発内容（NEDO期間中）：
中負荷：2000rpm – BMEP600kPa エンジン性能試験結果 NOx 群噴孔ノズル（6×2holes） Smok e （Soo t） 1FSN 従来ノズル（6holes） 1g/kWh 2つの噴孔を近接配置 【噴霧計測】 【CAE解析】 （正面） （側面） ピストン 燃焼室 噴霧 群噴孔ノズル エンジンへの適用イメージ 群噴孔ノズルによって噴霧混合気を希薄化し、NOｘとSootを低減 Lean Rich 楕円状 真円状 縦渦流動 （上面） 【CAE解析】 【CAE解析】16 LP/HP併用-EGRシステム LP/HP-EGR併用比率の最適化結果 120 80 40 0 Int ake gas Tem p.[de g]
ITIC-PCI Conventional Comb.
Int ake ox yge n f ra ct io n[% ] 20 18 16 14 12 10 200 300 600 900 BMEP [kPa] EGR ra te [% ] 75 60 45 30 15 0 HP-EGR LP-EGR ） HC/CO低減 Soot限界改善 （ポンプ損失低減） NOｘ低減
研究開発内容（NEDO期間中）：
従来のシステム NEDOで取り組んだ併用システム 多量EGR（低温化）と新気（希薄化）の同時導入により、高負荷のNOｘとSootを低減 EGR量と吸気温度を独立に制御することにより、低負荷のNOxとHC・COを低減 ２．NEDOプロジェクトで得た成果17 【排気エミッション】 【燃費】 試作車 （MT） 2015年ガソリン車 燃費基準 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1470kgランク JC08モード ２５％ 燃費 , k m/L Target 0 0.025 0.02 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.015 0.01 0.005 0 参考：EU-Stage4（’2005） NOx（窒素酸化物） , g/km PM （ 粒 子 状 物 質 ） , g/km 新長期（’2005.10） 参考： EU-Stage5（’2009.9） 既存乗用ディーゼル車 （DPFフィルター付） 革新的 クリーン燃焼 ポスト新長期（’2009.10） Target （燃焼） 排気エミッション、燃費ともに開発目標を達成した
技術的成果
研究開発内容（NEDO期間中）：
２．NEDOプロジェクトで得た成果 研究用試作車での試験結果18 エッグシェイプ 燃焼室 ‘2012 Skyactiv-d 2.2L ‘2014 Skyactiv-d 1.5L
製品
多噴孔ノズル 高性能インジェクタ モデルベース 着火時期制御 LP/HP併用 EGRシステム ITIC-PCI 予混合型燃焼 群噴孔ノズル インジェクタ CX-5 AtENZA AXELA DEMIONEDO期間
（’2004～8）自社開発
搭載車種： 搭載車種： ２．NEDOプロジェクトで得た成果研究開発内容（NEDO期間後の自社開発）：
革新的クリーン燃焼技術（低排気エミッション）
19 多噴孔ノズル 高性能インジェクタ ITIC-PCI 予混合型燃焼 単段燃料噴射 近接3段燃料噴射 高性能インジェクタによる近接多段噴射により更なる燃費低減を達成 ２．NEDOプロジェクトで得た成果
研究開発内容（NEDO期間後の自社開発）：
Equivalence ratio rich lean 正 味 燃費率 [g /kW h ] HC [g /kW h ] CO [g /kW h ] 260 0 1.5 230 0 15 Good Good Good 低負荷： 1500rpm - BMEP300kPa エンジン性能試験結果 【CAE解析】20 モデルべース 着火時期制御 ITIC-PCI 予混合型燃焼 着火時期制御有り 𝝉 = 𝑨 𝝋𝑩 𝑷𝑪 𝐞𝐱𝐩 𝑫 𝑻 𝟏 𝝉 𝒕𝒊𝒈𝒏 𝒕𝒊𝒏𝒋 = 𝟏 着火遅れ予測モデル式 着火時期が安定するように、 燃料噴射時期を調整 エンジンコントロールユニット（ECU） 吸気O2濃度外乱 [vol %] 着火時期制御により、外乱に対する燃焼音抑制のロバスト性を確保 ２．NEDOプロジェクトで得た成果
研究開発内容（NEDO期間後の自社開発）：
燃焼騒音ば らつき 着火時期制御なし 着火時期が 不安定 安定 エンジン試験結果 低負荷： 1500rpm - BMEP300kPa21 エッグシェイプ燃焼室の効果 空気利用率向上の制御手段を、群噴孔ノズルからエッグシェイプ燃焼室に変更 エッグシェイプ燃焼室 群噴孔ノズル インジェクタ ２．NEDOプロジェクトで得た成果
研究開発内容（NEDO期間後の自社開発）：
群噴孔ノズル 群噴孔ノズル衝突噴霧の楕円効果 縦渦流動による空気利用率向上で、混合気を希薄化 エッグシェイプ (卵型)燃焼室 従来の流動 群噴孔ノズルの流動 従来の流動 エッグシェイプ燃焼室の流動 【CAE解析】 【CAE解析】 Lean Rich22
学会発表：
２．NEDOプロジェクトで得た成果 低圧縮比 エッグシェイプ燃焼室 モデルベース着火時期制御、多噴孔ノズル高性能インジェクタ LP/HP併用EGRシステム、研究車両総合テスト ITIC-PCI予混合型燃焼 群噴孔ノズルインジェクタ SKYACTIV-Dエンジン • Transactions of FISITA2006, F2006P372T（2007.9） • 自動車技術会論文集、 Vol.42 No.4 p.867～872（2011.7） • 第20回内燃機関シンポジウム 講演論文集, p.289-294（2009.9） • 自動車技術会学術講演前刷集、No.88-09 、p.19-24（2009.10） • 自動車技術会学術講演前刷集、No.24-09 、p.7-10（2009.５） • 自動車技術会論文集、 Vol.42 No.4 p.873～878 （2011.7） • Proceedings of 8th COMODIA, p.257～262 （2012.7） • 自動車技術会論文集、 Vol.44 No.6 p.1335～1340 （2013.11） • Proceedings of 8th COMODIA, p.218～225 （2012.7） • 第21回内燃機関シンポジウム 講演論文集, p.135-140（2010.10）• 20th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology （2011.10） • 自動車技術会論文集, Vol.44, No.1, p27-32（2013.1）
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受賞歴（SKYACTIV-D エンジンとして）：
・第45回 市村産業賞 功績賞 （2013.4.25） ・第11回新機械振興賞 機械振興協会会長賞 （2014.2.19） ・第64回自動車技術会賞 技術開発賞 （2014.5.22） ・平成24年度日本機械学会賞（技術） （2013.4.19） ・平成24年度日本燃焼学会表彰 技術賞 （2012.12.7） ・第42回日本産業技術大賞 審査委員会特別賞 （2013.4.10） ・2012～13日本自動車殿堂カーテクノロジーオブザイヤー（2012.11.1） ・2014年日経地球環境技術賞 優秀賞 (2014/11/6) ・第11回エコプロダクツ大賞 国土交通大臣賞＜エコプロダクツ部門＞ (2014/12/11) ２．NEDOプロジェクトで得た成果24 ３．NEDOプロジェクトに対する見解
長期的な視点に立って国をあげて強化する科学技術の領域を
示してサポートいただけることで、研究環境が素早く整えられる．
高い目標設定と決められた納期に向かって研究開発を進める能
力が身に付く．
実施研究領域の権威たる先生方から貴重な叱咤激励が受けら
れる．
産学連携がより強固になり、実用化までを視野に入れた研究サ
イクルを産学で回せるようになった．（事業終了後も産学連携
での共同研究を継続中）
人材が育つ
NEDOプロジェクトの成功要因、有効性：
25
NEDOプロジェクトによる人材育成：
NEDO事業期間中の技術委員会等で、エンジン研究の権
威たる先生方に、度々、叱咤激励いただいた．
期間前半には学会やシンポジウムに参加して最先端の研究
動向を勉強する機会を、後半には成果を学会発表する機会
を、数多くいただいた．
社内での通常の開発過程では得られない、これらの経験によ
って鍛えられることで、技術者の育成が進んだ．
CAE数値解析技術が飛躍的に進化し、エンジン等のモノで
の評価ありきから脱却して、CAEで開発できる技術者の育成
が進んだ．
３．NEDOプロジェクトに対する見解26
