トヨタのエンジン開発まとめ

4/20に北京モーターショーでレクサスNXがワールドプレミアされました。

気になっていた全幅は1845mmと妥当な数値になっていました。

詳細は後日掲載します。

本日はトヨタが発表した高熱効率・低燃費エンジン開発のまとめです。

これまでに、トヨタが発表した高熱効率・低燃費エンジン開発の概要を素人目線でレビューしてきました。

トヨタはこの2年間で14機種のエンジン開発を行い、2016年以降には30%の車種で高熱効率・低燃費エンジンを投入すると言っています。

この中には5Lエンジンも含まれているようです。

5Lエンジンといえば、レクサスLS600hか、レクサスISFのエンジンが思い浮かびます。

これまでレクサスのエンジンは大幅な変更なくFMCやMCを実施してきました。

レクサスLSもフルモデルチェンジを控えていると思います。

レクサスLSのフルモデルチェンジのタイミングで新型5Lエンジンが投入されるのでしょうか？

また、今回発表された1.3Lエンジンは最大熱効率38%、1.0Lエンジンの最大熱効率は37%となっています。

正直驚きました。

知らない間にガソリンエンジンの熱効率はここまで向上していたのかという思いです。

さらに開発者は40%以上も可能だと言っています。

最大熱効率とはいえ、負荷変動のあるガソリンエンジンで、これほどの高熱効率を達成できるということは、ハイブリッドエンジン用の負荷変動の小さなエンジンであれば、さらなる熱効率向上が可能と思われます。

自動車用動力として、当分の間は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ハイブリッド車が主力になるのだろうと思いました。

プラグインハイブリッド（PHV）、電気自動車（EV）は、高性能で安全なバッテリーの開発が待たれますが、先は長いように感じます。

燃料電池自動車（FCV）は、有機膜であれ、セラミックスであれ、コストと信頼性の向上が必要ですが、まだ実用化は難しいのではないかと、個人的には感じています。

ハイブリッドカーの急激な普及で、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンが急速に減少していくかと思われましたが、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの性能改善により、これらのエンジンはまだまだなくならないなと感じました。

今後もエンジン開発から目が離せません。

トヨタのエンジン開発4

本日もトヨタの高熱効率・低燃費エンジン開発についてです。

低燃費化を図る方法として損失の低減があります。

トヨタの発表では、今回開発しているエンジンでも各種損失を低減しているようです。

その一つがポンプ損失（ポンピングロス）の低減です。

ポンプ損失にもいろいろありますが、代表的なものがスロットルバルブ、吸気バルブ、排気バルブなどの狭いところを通る際に起きる損失があります。

特にスロットルバルブを通る際は、出力が高い時はバルブが大きく開いているので、損失は小さいのですが、部分負荷の場合は、スロットルバルブが少ししか開いていないため、損失が大きくなります。

この部分負荷の時の損失低減方法としてEGRがあります。

EGRとはExhaust Gas Recirculationの略で排気再循環という意味です。

つまり、排ガスの一部を吸気ガスに混合するということです。

EGRは排ガス対策にも利用されますが、ポンプ損失を低減する手法としても利用されます。

理論燃焼した排ガス中には酸素は残っていません。

残っていても酸素は僅かです。

この排気ガスを吸気ガスに混合すると酸素濃度の低い混合気になります。

EGRしない吸気混合気を同量の酸素を供給するためにはスロットルバルブを開けて大量の吸気ガスを供給する必要があります。

EGRを利用すると、この様に同じ出力を得る際にスロットルバルブを開くため、ポンプ損失を低減することが出来ます。

その他の損失低減策には、ピストンスカートの表面改質などがあります。

ピストンは往復運動をしていますが、厳密に言うと往復運動から軸がずれています。

これは、回転運動を往復運動に変換するために起こるものです。

つまり、ピストンは往復運動時に傾いてピストンスカートがシリンダーに当たることが有ります。

この時の摩擦抵抗を下げるために表面処理を行い、表面改質を行います。

こうしてみると、効果の大きな対策に加え、小さな対策を積み上げて、高熱効率・低燃費エンジンを開発していることがわかります。

今回トヨタが発表した1.3Lエンジンは熱効率38%もあるそうです。

この様な小排気量でのエンジンで、こんなに熱効率が高いのは驚きです。

続きは次回！

トヨタのエンジン開発3

本日はエンジンの高圧縮比化についてです。

高圧縮比化はシリンダーを細長くしてあげればできると思います。

同じ容積でも、径を大きくしてストロークを小さく（ショートストローク化）すれば、低圧縮ですが、高回転型のエンジンができます。

レーシングカーのエンジンなどはこのタイプで、トルクが小さくても回転数を上げることで高出力が得られます。

一方のロングストローク型のエンジンではトルクは得やすいですが、回転数を上げることが困難になります。

また、高圧縮比化するとノッキングが起きやすくなるという問題が出てきます。

ここでいうノッキングとは主に異常燃焼のことをいいます。

ガソリンや軽油などの燃料は高温高圧になると発火します。

蛇足ですがディーゼルエンジンは、基本的には点火プラグは無く、この自然発火で燃焼します。

一方のガソリンエンジンは、点火プラグで燃料に引火します。

瞬時のことではありますが、理想的には点火プラグで引火した燃焼熱で燃焼が伝播していくことになります。

しかし、高圧縮比化すると部分的に自然発火するような高温高圧の状態になる場合があります。

この様な異常燃焼があるとノッキングをおこしてしまいます。

これはエンジンにとって好ましくないので、対策を取る必要があります。

その対策の一つが急速燃焼になります。

つまり、先日書いた燃焼改善になります。

急速燃焼の考え方は、異常燃焼が起きる前に通常の燃焼を素早く行おうという考え方です。

急速燃焼を行うために、主として行ったのが、吸気ポートの改善のようです。

吸気ポートから空気と気化した燃料が入ってくるわけですが、この混合気がシリンダー内に燃焼しやすい状態で入ってくるようにしているようです。

さらに、燃焼後異常燃焼を起こすような未燃のガスなどが残らないように排気ポートを負圧にして排気ガスを効率よく排気するようにしているようです。

おそらく、排気ポートを負圧にするのは、脈動する排気ガスのタイミングを制御して行っているのだろうと思います。

もちろん、その他多くの改善がありますが、私の調べた範囲内では、上記の様なことをメインに行って、アトキンソンサイクル化で低下したトルクを補っているようです。

次回も、もう少しトヨタの高熱効率・低燃費エンジンについて書きたいと思います。

トヨタのエンジン開発2

本日はトヨタの新エンジン開発についても続きです。

今回の新エンジン開発については、いくつかのポイントがあります。

それぞれについて、出来るだけ分けて考えていきたいとおもいます。

まず、今回のエンジン開発の低燃費化については、ハイブリッドエンジン開発の手法が活かされているようです。

その一つがアトキンソンサイクルの採用です。

蛇足ですが、通常の4サイクルエンジンは、吸気バルブを開きながらピストンが下がることで、空気と燃料をシリンダー内に入れます。（吸気工程）

吸気バルブを閉めてピストンを上げることで混合気を圧縮します。（圧縮工程）

圧縮した混合気に点火プラグで点火し、燃焼させることでピストンを押し下げます。（膨張行程）

この時、仕事をすることになります。

排気バルブを開けながら、ピストンを上げることで排気ガスを押し出します。（排気工程）

従来のエンジンのほとんどは、この圧縮、爆発、膨張、排気・吸気の工程をオットーサイクルと呼ばれるサイクルに従って行っていました。

オットーサイクルでは、圧縮比と膨張比は同じですが、このサイクルでは燃料の熱エネルギーを使い切れないので、膨張比だけを大きくすることでねつ効率を上げる方法が提案されました。

これがアトキンソンサイクルです。

素人には、どうやって圧縮比を変えずに、膨張比だけを上げるのだろうという疑問が湧きます。

ここは素人の私の推測ですが、カムの形状を変えることで、吸気バルブを開閉するタイミングと排気バルブを開閉するタイミングを変えると実現できるのだろうと思います。

例えば、同じエンジンでも吸気工程で吸気バルブを開けるタイミングを遅くするだけで、圧縮比は小さくなると思います。

詳細は専門家に任せます。

このアトキンソンサイクルは熱効率を向上させるには良いようですが、従来エンジンと比較するとトルクが小さくなるようです。

これは、同じ容積のエンジンに比べ、圧縮比が小さければ、1サイクルあたりの燃料量が少なくなるため、ピストンを押し下げる力が小さくなるためだろうと思います。

ハイブリッドカーではこのトルクの低下分をモーターで補えるので問題ありませんが、エンジン車では問題になります。

この問題を解決するために、燃焼改善と高圧縮比化が図られているようです。

続きは次回書きたいと思います。

トヨタのエンジン開発

私はエンジンの専門家でもなし、今日は個人的妄想の入った内容なので軽く読み飛ばして下さい。

最近トヨタが低燃費のエンジンを開発し、今後2015年までに14機種の新エンジンを開発するという記事を目にしました。

しかも新エンジンは通常のエンジン、ターボエンジン、ハイブリッド用エンジンなど多岐に渡るようです。

新エンジンは高熱効率・低燃費エンジンがコンセプトのようです。

御存知の方もいらっしゃると思いますが、熱効率とは、燃料を燃焼して得られる熱エネルギー（燃焼熱）の内、どの程度仕事（運動エネルギー）に変換出来たかの指標です。

つまり、少ない燃料で高出力が得られれば高熱効率といえます。

さらに高熱効率を実現するためには、各種損失を減らす必要があります。

損失には、排気損失、冷却損失、ポンプ損失、摩擦損失などがあります。

熱効率を向上させ、損失を低減できれば低燃費エンジンができます。

今回のトヨタの発表では、高熱効率を達成するために、アトキンソンサイクルの採用と高圧縮比化を損失低減にはポンプ損失に対してはアトキンソンサイクルやEGR、まさつ損失には部品の改良などで対応しているようです。

この内容を見て、今回のエンジン開発にはマツダの影響があったのではないかと感じました。

個人の偏見かもしれませんが、最近の自動車業界は、トヨタ、ホンダはハイブリッドカー（HV）、日産、三菱は電気自動車（EV）、そして、マツダは従来エンジンの改良というイメージがあります。

トヨタ、ホンダはハイブリッドカーの開発競争で、低燃費化を争い、次々に低燃費の記録を更新しています。

一方の日産、三菱は電気自動車の普及を進めるために努力していますが、結果がついてきていない状況です。

そして、異端的存在がマツダです。

ガソリンエンジンの改良とディーゼルエンジンの改良で、他社とは全く異なる路線で勝負してきました。

その結果は、日産、三菱より良い結果が得られている様に感じます。

マツダのSKYACTIV-GやSKYACTIV-Dはガソリンエンジン車、ディーゼルエンジン車の可能性がまだまだあることを再認識させてくれたような気がします。

このマツダの成功がトヨタの開発戦略を見直させたような気がします。

トヨタがHVに軸足を置いて開発を進めていくのは間違いないと思いますが、ガソリンエンジン、EVにも、もう少し力を入れてくるものと思われます。

高熱効率・低燃費エンジンの開発やEV用、PHV用電気スタンドの設置推進などがその象徴と思われます。

また高熱効率・低燃費エンジンの開発はHVの更なる低燃費化にもつながる動きになります。

次回からは、トヨタの示した高熱効率・低燃費エンジンについて、もう少し詳しく見ていきたいと思います。