高圧縮比高効率ガソリンエンジン

◆第９回新機械振興賞受賞者業績概要
高圧縮比高効率ガソリンエンジン
マツダ株式会社
代表取締役社長山内孝
パワートレイン技術開発部
山川正尚
パワートレイン技術開発部
西田正美
エンジン性能開発部
増田幸男
パワートレインシステム開発部江角圭太郎
燃料の持っている熱量を100%
100 輻射、未燃損失
Heat Energy Balance(%)
はじめに
近年ハイブリッド車や電気自動車の開発が活
発化し、電気デバイスによる燃費改善技術の採
用が進んでいるが、2020年時点でも自動車の多
排気損失
80
60
冷却損失
40
機械抵抗損失
損失
ポンプ
20
有効仕事
くは内燃機関を動力源として搭載していると考
0
えられている。さらに、今後、アイドリングス
0
20
40 60
Load(%)
80
100
図１ガソリンエンジンの効率の現状
トップや減速エネルギー回生等の電気デバイス
が量産効果によるコスト低減で普及していくと
思われるが、その効果を十分発揮させるために
は、ベースとなる内燃機関の効率向上が重要で
ある。そこで、理想の燃焼を追求した高圧縮比
の新燃焼コンセプトを中心に、吸排気システム
や機械抵抗損失を徹底的に見直すことで、高効
率なエンジンを開発した。その結果、コンパク
トカークラス(1.3Lエンジン)では10-15モードで
30km/Lという他社のハイブリッド車と同等の燃
費を実現した。今後は、次世代ガソリンエンジ
ンとして、主力車種に広く展開していく予定で
に伴って圧縮し、火花で点火し燃焼させる。そ
のとき圧力が上がるのでピストンを押し下げる
ことで仕事を取り出す。そしてまたピストンが
上がるときに排気ガスを外に出す。これを繰り
返して動力を連続的に取り出している。図１で
は、横軸に負荷（アクセル開度0がアイドル、
100が全負荷）、縦軸に燃料の持っているエネル
ギーを100％として、仕事としてどの程度取り出
せているかの割合を示している。これから分か
るように燃料のエネルギーの内、仕事として取
り出しているのはわずか30%程度である。つま
ある。
り、内燃機関の燃費を改善するには、排気損失
開発のねらい
（排気ガスの熱）、冷却損失（冷却水などへの
内燃機関の仕組みは、ピストンが下がるとき
に空気を吸って燃料と混ぜ、次にピストン上昇
放熱）、ポンプ損失（吸入・吐出の抵抗）、機
械抵抗の4つを低減する必要がある。図２はこれ
－1 －
低減すべき損失
制御可能な因子
冷却損失
圧縮比
燃費改善率 (%)
高圧縮比高効率ガソリンエンジン
20
2 0 0 0 r pm 2 0 0 kPa
λ = 1 , 燃焼期間3 5 C A
15
10
5
現行
0
図示熱効率
燃焼期間
空燃比/EGR
空燃比/EGR
排気損失
燃費改善率 (%)
8
エンジン
熱効率改善
10
12
14
16
圧縮比 (-)
10
18
20
2 0 0 0 r pm 2 0 0 kPa
λ = 1 , 圧縮比1 5
5
現行
0
0
-5
20
40
60
80
100
-10
燃焼タイミング
燃焼技術領域
ポンプ損失
ポンピング損失
燃費改善率 (%)
燃焼期間 (CA)
40
2 0 0 0 r pm 2 0 0 kPa
圧縮比1 5
燃焼期間3 5 C A
30
20
10
0
機械抵抗損失
燃費改善率 (%)
0
機械効率
機械抵抗
燃焼限界(圧縮着火)
限界
現行
2
4
6
空気過剰率 (λ )
20
8
10
2 0 0 0 r pm 2 0 0 kPa
λ = 1 , 圧縮比1 5
燃焼期間3 5 C A
10
現行
0
0
20
40
60
80
100
-10
ポンプ損失 (kPa)
図２ガソリンエンジンの燃費改善の可能性
燃料の化学反応利用
ら４つの損失を低減するため、燃焼領域で制御
可能な因子を理想に近づけるアプローチでシ
排気系
Cooled EGR
直噴マルチホールインジェクター
プリイグニッション
センシング
ミュレーションしたものである。その結果、燃
焼領域だけでも50％以上の改善の可能性がある
ことが分かった。そこで、その中で燃費改善効
果の比較的大きな高圧縮比化に取り組んだ。
電動可変
バルブタイミング
圧縮比14
キャビティー付きピストン
機械抵抗低減
・コンロッド軽量化
・ローラフォロア
・チェーン油膜
・ウォーターポンプ
・電子制御オイルポンプ
・補機ベルト張力低減
図３高圧縮比ガソリンエンジンの概要
装置の概要
図３に開発した高圧縮比ガソリンエンジンの
火炎伝播を待たずに自己着火するノッキングが
主な採用技術を示す。以下では、その技術につ
発生し、激しい音やピストン溶損をもたらす。
いて説明する。
ノッキング防止のためには点火時期を遅らせる
必要が生じる。そうすると、トルクが低下する
技術上の特徴
ため、圧縮比は10～11程度に留まっているのが
高圧縮比化によって効率向上を図る場合、全
現状である。そこで、本開発では、高圧縮比化
負荷付近において温度・圧力が高くなり過ぎて
に伴い現れる点火前の化学反応を発見したこと
燃料と空気の混合気が通常の点火プラグからの
により、その活用と従来からのノッキング改善
－2 －
◆第９回新機械振興賞受賞者業績概要
手法である急速燃焼と混合気冷却に新技術を導
入し、高圧縮比を実現する燃焼技術を開発し
た。
１. 燃料の化学反応
図４にノッキングの発生しやすい低速全負荷
における、圧縮比とノッキング限界点火時期で
の正味平均有効圧力(∝トルク)の関係を示す。
圧縮比11.2から13では正味平均有効圧力の低下
図４圧縮比とノッキングによる出力低下
はあったが、それ以上の圧縮比では低下しな
点火前のプラスの仕事*
（燃料の化学反応の発見)
かった。これは、圧縮比を13より高めると図５
燃焼圧力
に示すようにピストンが最も上昇する上死点
(TDC)付近で、燃料の化学反応による熱が点火前
に発生し、それによる温度上昇で急速燃焼化で
きたためである。一般に、圧縮比11.2と15の低
点火
速全負荷では、トルクが30%以上低下すると予測
クランク角
TDC
されるが、この作用により12%程度の低下に留
*分子内部の結合が切れることによる発熱
図５燃料の化学反応による出力向上
まった。そして、この現象の発見こそが高圧縮
比エンジンを開発する大きなきっかけとなっ
TDC
Air Motion
た。
ATDC20°
Turbulence
２．燃焼室形状によるノッキング改善
TDC
Air Motion
高圧縮比化でノッキングが発生しやすくなる
ATDC20°
Turbulence
のは、圧縮比の向上に伴って燃焼室形状が扁平
Calculation
になり火炎伝播に障害を及ぼし燃焼速度が低下
Transparent engine
図６キャビティー付ピストンの燃焼速度向上効果
することにもある。そこで、筒内流動を減衰さ
スワールインジェクター
マルチホールインジェクター
せないことと、点火プラグ直下の初期火炎面を
ピストンに接触し難くして初期火炎をスムーズ
に成長できるよう図６のように圧縮比を14.5に
してピストン頂部のキャビティーを考案し、燃
焼速度の向上を図ってノッキングを改善した。
図７
噴霧による混合気冷却
３．噴霧によるノッキング改善
燃料と空気の混合気を噴霧の気化潜熱によって
ジェクターを新たに採用し、ピストンからでは
効果的に冷却して温度を下げるため、図７に示
なく混合気から熱を多く奪える噴霧配置にし
すように、従来のスワールインジェクターか
た。その結果、シミュレーションでは筒内平均
ら、噴射方向に自由度のあるマルチホールイン
温度が10K以上低下し、ノッキングが改善した。
－3 －
高圧縮比高効率ガソリンエンジン
吸気管
４．排気系によるノッキング改善
低コストでハイブリッド車同等の燃費を得る
EGR Valve
ため、図８に示すようなCooled EGR（冷却-排気
再循環）システムを開発した。EGRクーラで冷却
EGR Cooler
された排気ガスを吸気に還流させ、自己着火発
生までの時間を長くすることでノッキングの抑
排気管
制を図った。
図８
５．性能改善効果
200
図９に高圧縮比エンジンのトルク改善効果を
WOT
190
Torque
トルク [Nm]
示す。量産型の圧縮比11.2、ピストン改良前の
圧縮比15、そして、これまで述べてきた各技術
を導入した圧縮比14.5のトルクを示す。このよ
うに圧縮比14.5でも11.2とほぼ同等のトルクを
180
170
1000
図９
点を加重平均した燃費指標は、理論熱効率の改
燃費改善率 [%]
Improvement
of Fuel Comsumption　[%]
どの大型電気デバイスなしで実現することがで
3000
4000
5000
6000
7000
高圧縮比エンジンのトルク改善効果
12%
善率に近いレベルにまで高めることができた。
社のハイブリッド車と同等の燃費をモーターな
2000
Engine Speed [rpm]
エンジン回転数
なり、図１０に示すように、車走行燃費の代表
トカークラスでは10-15モードで30km/Lという他
圧縮比 15
CR15.0
圧縮比 14.5
CR14.5
(improved)
140
キャビティー付ピストンによって燃焼が良好と
エンジン本体の燃費を約15%改善し、コンパク
圧縮比
CR11.211.2
160
150
得ることができた。また、燃費改善についても
実用上の効果
Cooled EGR排気系
きる。そのため、燃費面のみならずコスト面・
10%
Theoretical Thermal Efficiency
8%
Cavity Piston
CR=11.2
6%
CR=13.0
CR=11.2
S/V=0.430
S/V=0.356
[1/mm]
[1/mm]
S/V=0.356
[1/mm]
CR=13.0
CR=11.2
CR=11.2
CR=13.0
S/V=0.356
[1/mm]
CR=15.0
CR=14.0
S/V=0.508
[1/mm]
S/V=0.430
[1/mm]
CR=14.0
S/V=0.430
[1/mm]
S/V=0.356
[1/mm]
4%
CR=14.0
CR=13.0
S/V=0.470
CR=14.0
S/V=0.430
[1/mm]
S/V=0.470
[1/mm]
CR=15.0
[1/mm]
S/V=0.470
[1/mm]
CR=15.0
S/V=0.470
[1/mm]
S/V=0.508
[1/mm]
S/V=0.508
[1/mm]
CR=15.0
S/V=0.508
[1/mm]
2%
0%
10
重量面からも合理的な車づくりに貢献できる。
11
12
13
14
15
16
Compression
Ratio　[-]
圧縮比
知的財産権の状況
図１０
高圧縮比化による燃費改善効果
本開発品の主要特許登録は下記の通りであ
むすび
る。
① 日本国特許第４７９３２９５号
名称：火花点火式ガソリンエンジン
② 日本国特許第４５８２２１７号
名称：火花点火式直噴エンジン
③ 日本国特許第４７０２４０８号
名称：火花点火式内燃機関の製造方法
全ての車種に展開可能なエンジン本体の効率
をあげる技術の開発により、現在は車種が限定
されているハイブリッド車を含めて、多様なガ
ソリンエンジン搭載車でより広く地球環境保全
への貢献ができるものと考えている。
－4 －

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