内燃機関の将来展望 日中省エネルギー・環境総合フォーラム 2015年11月29日 人見光夫 マツダ株式会社 熱効率改善 内燃機関の効率改善 内燃機関の各種損失 Heat Energy Balance vs Load Heat Energy Balance(%) 100 輻射、未燃損失 排気損失 80 60 冷却損失 40 機械抵抗損失 20 ポンプ損失 有効仕事 0 0 20 40 60 Load(%) 80 100 内燃機関の効率改善＝排気損失、冷却損失、ポンプ損失、機械抵抗損失低減 2 熱効率改善 エンジンの効率改善 エンジン 熱効率改善 図示熱効率 低減すべき損失 排気損失 制御因子 圧縮比 リーンバーン 可変圧縮比 比熱比 Heavy EGR 燃焼期間 冷却損失 燃焼時期 壁面熱伝達 ポンプ損失 機械効率 機械抵抗損失 吸排気行程 圧力差 機械抵抗 ミラーサイクル アトキンソン 過給ダウンサ イジング 気筒休止 リフト可変動 弁系 効率改善＝制御可能な因子を理想に近づけていく取り組み 3 熱効率改善 制御因子 圧縮比 遠い ガソリンエンジン 燃焼期間 一層の高 圧縮比 燃焼時期 断熱 壁面熱伝達 吸排気行程 圧力差 機械抵抗 遅閉じミラーサ イクル 抵抗 低減 リーン ＨＣ ＣＩ 抵抗 半減 現行 状態 リーン ＨＣ ＣＩ 比熱比 近い ディーゼルエンジン 理想 現行 世界一の 高圧縮比 理想からの距離 Final Step=Goal 内燃機関進化Raodmap 世界一の 低圧縮比 噴霧、 乱流 相対的期 間縮小 上死点 燃焼 断熱 抵抗 半減 抵抗 低減 ガソリンもディーゼルも同じ方向へ向かう 4 熱効率改善 1st Step ガソリン 燃費性能 出力性能 SKYACTIV-G 2.0L 圧縮比＝１４ 95RON 50g/kWh 欧州B車 2.0L 現行2.0L GE 競合エンジン分布 現行エンジン比で ほぼ全域15%向上 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Engine Speed (rpm) 1500rpm D社 2L C社 Downsizing B社2L DI リーン バーン 燃費率（g/kWh) Torque (Nm) 20Nm A社 2.0L DI T/C E社 2L DI SKYACTIV-G 2.0L 圧縮比＝１４ 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 BMEP （kPa) 世間の賞賛ポイント； 高圧縮比で低中速トルク大幅向上 燃費も大きく改善 5 内燃機関の目標 ＝電気自動車並みのCO2 6 熱効率改善Next Step 内燃機関車の実用燃費改善ターゲット 7 30 *Source : ADAC EcoTest NEU ab März 2012 28 26 6 30% 22 C car average 20 21.2kWh/100km 18 16 B car A car 2.0L 1.6L A 1.8L 1.2L 1.4L NoteI3I30.9L1.2L 5 15% 1.6L 1.2L 1.6L 1.6L 1.6L 1.4L I3 1.0L1.4L 1.2L 1.4L 1.6L 1.4LI3 1.0L I2 0.9L 1.4L1.2L 45% 24 1.4L I.2L I3 I.0L Mazda3 0% 2.0L SKYACTIV-G 15% 4 0% A car 14 B car 12 1010 C car 12 14 16 18 3 20 Specific electricity consumption at NEDC (kWh/100km) 3 4 5 6 7 F/E at NEDC (L/100km) モード燃費で比較すると実態とかけ離れる CカーＥＶの実用電力消費: 21.2kWh/100km. CカーSKYACTIV搭載車の実用燃費： 5.2L/100km 7 熱効率改善Next Step 内燃機関車の実用燃費改善ターゲット CカーＥＶの実用電力消費: 21.2kWh/100km. CO2換算；世界平均の発電CO2原単位 0.5kgCO2/kwhだから 0.5×21.2=10.6kg-CO2/100km Li-ion電池のＬＣＡを考慮すると10.6+1=11.6kg-CO2/100km CカーSKYACTIV搭載車の実用燃費： 5.2L/100km CO2にすると 14.8kg-CO2/100km 内燃機関の14.8kgを10.6～11.6kgにすれば電気自動車にＣＯ２で並べる （10.6～11.6）/14.8=22-28% 内燃機関で実用燃費を25%程度改善すれば今の発電方法なら CO2はあまり変わらない 8 熱効率改善Next Step 正味熱効率 競合エンジン群 100g/kwh SKYACTIV 1st gen 32% 40% 20% 12% 34% 0 200 400 30% 600 λ=1 努力中 Boosted lean-burn 800 Target for 2nd gen Target for 3rd gen 1000 BMEP (kPa) 実用域で２５％の燃料消費低減でEVレベルのCO2という目標は達成可能 9 排気量はどうあるべきか 10 排気量はどうあるべきか 燃料消費量分布 2L SKYACTIV とダウンサイジングとの対比 SKYACTIV 2L 1L D/S 1.4L D/S w/ cyl. Deact. BSFC (g/kwh) 0 1500rpm 95RON 160 Torque (Nm) 燃料率比較 200 NEDC 120 80 40 0 SKYACTIV current 200 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Torque (Nm) FTP 160 Torque [Nm] SKYACTI V planned imp. 120 80 40 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 engine speed [rpm] 3気筒１Ｌや4気筒1.4Ｌ過給ダウンサイジングは軽負荷燃費のみ良い 欧州におけるNEDCモードは軽負荷多用 過給ダウンサイジングに都合が良い 排気量はどうあるべきか 実用燃費 7 *Source : ADAC EcoTest NEU ab März 2012 Boosted D/S 1.6L 1.4L 2.0L 1.6L A 1.8L 1.2L 1.4L 1.2L 1.6L 2 or 3 cyl or cyl. deactivation 1.6L 1.4L CX-5 2.0L 1.0L 1.2L 1.4L SKYACTIV-G 1.4L 1.4L 1.6L 1.0L 0.9L 1.4L 1.2L 1.2L I.2L Mazda6 2.0L 0.9L 6 5 SKYACTIV-G Mazda3 2.0L I.0L SKYACTIV-G Mazda3 2.0L 4 SKYACTIV-G 3 3 4 5 6 7 F/E at NEDC (L/100km) SKYACTIV エンジンは過給ダウンサイジングよりモード燃費は不利でも実 用燃費は優れている 排気量はどうあるべきか 2&2.5L SKYACTIV と 1L 、1.4L 過給ダウンサイジングとの対比 1500rpm 95RON 1L D/S Cylinder. Deact. 1.0L 1L D/S D/S BSFC (g/kwh) 1.4L D/S w/ cyl. Deact. Cylinder. Deact. SKYACTIV current SKYACTIV 2L 0 20 40 60 1.4L D/S w/ cyl. Deact. SKYACTIV 2.5L 80 100 120 140 160 180 200 Torque (Nm) 2L SKYACTIV で3気筒１Ｌや4気筒1.4Ｌ過給ダウンサイジングに全運 転領域で勝てる 2.5Lでも勝てる 排気量はどうあるべきか コスト Turbocharger Base engine （Direct Injection） Intercooler & piping Boosted D/S Strengthened piston ,con-rod, crankshaft, block, head SKYACTIV-G Electric VCT 4-2-1 exhaust 過給機インタークーラ等の必要な過給エンジンはＮＡより高コスト 排気量はどうあるべきか 排気量と今後の熱効率改善ポテンシャル BSFC (g/kWh) 3 2 1 0 -1 50 40 30 20 10 0 400 2000rpm Noxほぼゼロ領域 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 1L turbo CR=10 1L turbo CR=10 2.5L NA CR=13 2.5L NA CR=13 Λ=1 EGR λ=2.2 λ=1 lean λ=1 lean Λ=1 EGR 0 20 40 60 80 100 120 Torque (Nm) 140 160 180 200 220 240 大排気量NAの方が過給ダウンサイジングより低燃費リーンバーンエリアが広い 排気量はコストフリーの過給器 排気量はどうあるべきか BSFC [g/kWh] ディーゼルエンジンと排気量 100g/kwh 1.5L 2.2L 2.2L w/ same torque as 1.5L 1.5L 2.2L 大排気量低比トルク →低抵抗、低ＮＯｘ、高レスポンス、排気後処理の低コスト化 大排気量はコストフリーの高レスポンス過給器、エミッションデバイス 電気自動車に対する考察 17 電気自動車に対する考察 等価エネルギー比較 (欧州Ｃカーでの実用燃費比較から) 5.5L(ガソリン)=5L(軽油)＝21.2kwh(電力) 化石燃料CO2排出量 H25年度消費量 試算 （万ｋL/年） （億t/年） ガソリン 5,680 1.32 軽油 2,435 0.64 1.96 EV化した時の電力換算 2190億kwh 1032億kwh 3222億kwh 送電、充電で１割ロス；必要発電量は3222÷0.9=3580億kwh 2011年の日本の発電CO2原単位 0.47 CO2-kg/kwh CO2換算 2015年現状 CO2換算 3580(億kwh)×0.47(kgCO2/kwh)=1.68億t 0.57CO2-kg/kwh 3580(億kwh)×0.57(kgCO2/kwh)=2.04億t 今のままの発電方法なら電気自動車にする意味はない 震災前でも15%程度の改善代 内燃機関改善で軽く追いつける ケーススタディー 今運輸で使用されている燃料の半分を再生可能エネルギーで発電され た電気を使う電気自動車で肩代わり 3580億kwhの半分の1790億kwhは再生可能エネルギー発電 太陽光と 風力の現状比率；太陽光85%, 風力15％→太陽光 1520億kwh, 風力270億kwh 太陽光の現状稼働率13％、風力20％、 太陽光の必要発電力 1520÷365÷24÷0.13=1億3000万kw 風力の必要発電能力 270÷365÷24÷0.2=1500万kw の発電能力増強が必要 19 電気自動車に対する考察 約1億トン/年のCO2低減効果 どちらを選ぶべきか？ 内燃機関効率 30%改善 4千万台以上のＥＶ 何万か所かの急速充電器 家庭用充電器数千万台 太陽光、 風力発電 Backup 石炭発電所の半分 を天然ガス発電へ または石炭、石油 発電を天然ガスへ 火力発電 発 電 設 備 容 量 現在発電だけで年4.3億トン のＣＯ２発生 自動車は約２億トン 順番がおかしい！！！ 現状と同じ発電力 まとめ 内燃機関の改善余地はまだ30％以上あり、実用燃費＆電費でwell to wheel のCO2を見れば、電気自動車並みにすることは可能 ここを重視する政策を推進 して持続可能エネルギーの本命を見つける時間を稼ぐべき 提言 • 排気量が大きいと税金が高くなる税制は低コストでの燃費改善やNoｘ低減に 対して大きな障害になる • 新しい環境技術が出たらモード燃費などで効果を算定するのではなく、環境改 善効果が出たときの状態を想定して現実的かどうかを検証すべき 今運輸で使っている燃料を○割減らすには電気自動車、水素自動車は何台い るのか。 発電能力、水素製造能力はどの程度増強しないといけないか? 現 実的か？ • ドイツなどはまだEVが普及していない状態で実用走行時のランニングコストは 電気の方がガソリンより3割弱良い程度 普及して電気から税金をとれば，ま た高価な発電設備を増強すれば差はなくなる そうなるとPHEVで充電しなく なるかもしれない、そこの対策を考えるべき（勿論CO2の出ない発電手段で大 量のEVを賄うシナリオを作るのが先決） ご清聴ありがとうございました！
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