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ダウンサイジングコンセプト

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ダウンサイジングコンセプト[1]とは、自動車においてターボチャージャースーパーチャージャーなどの過給機を使うことにより、従来エンジンと同等の動力性能を確保したまま排気量を小型化し、巡航時の燃費を向上させるエンジン設計コンセプトのことを指す。

和製英語であり、英語ではEngine downsizingという。

概要

メカニズム

「ドッカンターボ」なる表現に代表されるような、旧来の過給機付きガソリンエンジンは加速力や最高出力を追求する目的で設計されていた。過給圧の高い大型の過給機を組み込み、過大な爆発圧力と熱からエンジンを守るために低圧縮比化することで非常に高出力なエンジンを生み出したが、同等排気量や大排気量で同等出力の自然吸気エンジンと比べると運転性(ドライバビリティ、扱いやすさ)と燃費が大変悪かった。

一方でダウンサイジングコンセプトは大前提として省エネ(=燃費を向上させるため)の設計思想がある。燃費向上のためエンジンの小排気量化を行い、次いで動力性能を従来と同等レベルに維持することを基本に、目標とする動力性能を達成するための手段としてターボチャージャーやツインチャージャーを用いている。

エンジンの小型化が燃費改善に繋がる最大の理由としては、機械抵抗損失の低減が挙げられる。機械抵抗損失とは駆動損失(フリクション・ロス)と吸気損失(ポンピング・ロス)という2つのエネルギー損失の総和で、全ての走行条件を加味するとエンジンの仕事量のうち3~4割はこの損失に消えているとされる。この損失はエンジン排気量に比例しており、排気量が半分になるとおよそ2/3から1/2程度にまで減少するとされている[2]。また気筒あたりの排気量拡大に限度のあるガソリンエンジンにおいては、排気量低減は気筒数削減(レスシリンダー化)に繋がるため、さらなるフリクション・ロスの低減が可能となる。これにより、アイドリング状態や定常走行時といった、エンジン回転数の低い低負荷域での燃費を大きく改善することが可能となった。

また同コンセプトの誕生と同時期に実用に耐えうる技術となった筒内直接噴射(直噴)技術は、気化熱の冷却効果で高圧縮比を実現しやすいため[3]ターボとの相性が極めて良く、さらなる低燃費の実現が見込める。

エンジンの特性としては、コンパクトなターボチャージャーを用いたりターボチャージャーとスーパーチャージャーを組み合わせることによって、最高速度・最高出力の向上よりも実用域(低~中回転域)のトルクとレスポンスを向上させ、日常使用に適したエンジンに仕上げられている。NAエンジンに比べて圧倒的に向上した低速トルクは、わずか1000回転台で最大トルクを発生しつつ、フラットトルク化を低中速域で維持することにより、従来のNAエンジンではエンジンを回して加速していた状況から一変し、エンジンを極力回さずに加速することが可能となっている。それゆえターボラグもほぼ存在せず、坂道はトルクで苦もなく駆け上がり、市街地でもキビキビとした走りが可能となるため、燃費の良さを抜きに走りの味でダウンサイジングターボを選ぶ消費者もいる。

一方で過給が始まらないほどの低い回転域においては排気量の大きな自然吸気エンジンよりトルクで劣ってしまうため、同じ力を出すにしてもアクセルペダルをより踏み込んで、エンジン回転数を上げてしまいがちになる。また急加速が連続したり、速度が200km/hを超えるアウトバーンのように巡航があまりに高負荷域(≒高回転域)で続くような環境では燃料消費率が悪化するため、大排気量エンジンほどではないにせよ、狙ったような低燃費を実現できない場合もある[4]

好みの問題で言えば、実用領域重視のため高回転域での伸びは少なく、エンスーからは官能性に欠けるという意見もある[5]

歴史

過給機を用いる事により同等の出力を維持しつつ、排気量を減らすという概念自体は目新しいものではなく、欧米各国で古くからあった。日本でも過給器が乗用車[注釈 1]として1979年昭和54年)10月に初めて認可された当時、ターボは省燃費が主目的であり[注釈 2]1990年代初頭には兼坂弘によっても提案されていた。現代において再び注目を集め、各社がダウンサイジングターボを競って開発するようになったのは、フォルクスワーゲン2005年からTSIエンジンゴルフに搭載して以降である[6]

このコンセプトが環境意識の高まりとともに流行るようになり、今ではV12気筒エンジンをV8ターボへ、V8を直6・直4ターボへ、V6を直4ターボへ、直4を直3・直2へと全気筒において、ダウンサイジングコンセプトの実施例がある。また従来は過給に伴い増大する熱を処理するための補機類(インタークーラーなど)の強化・追加や、ブローオフやノッキング制御などの各種制御が増えることでコスト高になりやすい点がネックとなっていたが、普及によるコストダウンや、現在は自然吸気でも過給機つきエンジンと同等程度まで制御が高度になっており転用できる部分が多いため、克服されている。

先進諸国におけるCAFE(企業内平均燃費)規制の導入により、本来なら燃料代を気にしなくていいような富裕層向けの高級車でもダウンサイジング化が進んでいるが、独特の味わいがあるとされる自然吸気の大排気量エンジンを、ターボとはいえ大衆車と同じ直4・直3にすることには好事家から反発の声もある。

また近年実施されているWLTPモード(日本版はWLTCモード)の燃費計測法では頻繁に急加速を伴うため、低負荷域(≒低回転域)で燃費を稼ぐのを身上とするダウンサイジングターボは必ずしも有利でない状況にあるという指摘もあるが、全世界的にNAエンジンが復活する状況ではない。

特定メーカーに特化した事例

実質的な排気量を削減するミラーサイクルを大きめの排気量の自然吸気エンジンと掛け合わせる『ライトサイジングコンセプト』(排気量適正化)や『アップサイジングコンセプト』(排気量拡大)が、ダウンサイジングターボへのアンチテーゼとして頭角を表しつつある[7]。同様に気筒休止システムを用いることで状況に応じて実質排気量を増減する技術も確立されてきており、現在はダウンサイジング以外にも「排気量・気筒数を減らす」という目的に対しての手段が多様化しているという指摘もあるが、一部の特定メーカーにした呼称であり、全く一般的ではない。

WLTP/WLTC燃費面でのメリット

ダウンサイジングターボと燃費規格は欧州で生まれたものであり、アウトバーンをターゲットする欧州では燃費面でも有利である。 従来のダウンサイジング前の大排気量エンジンと比べて、燃費面で不利な結果となっていない。 ターボによる燃料消費増分より、排気量削減分のメリットが効率的に上回るからである。 よって、燃費規格のWLTC/WLTP規格における高速域において燃費面で不利とする一部自動車評論家もいるが誤りである[要出典]

燃費規格のWLTC/WLTP規格における高速域において燃費面で不利とする一部自動車評論家もいるが誤りである。 ダウンサイジングターボと燃費規格は欧州が主体であり、アウトバーンをターゲットする欧州で燃費面でも従来のダウンサイジング前の大排気量エンジンと比べて、燃費面で不利な結果となっていない。

日本車におけるダウンサイジングコンセプト

前出の通りもともとは欧州で始まった考え方であるが、現在は日本メーカーも追随しており、自動車業界においてはごく一般的な思想となっている。以前はハイブリッドやEVの開発が先行しており、日本メーカーはダウンサイジングコンセプトの導入には慎重との見方[8]があったが、2010年代前半から日産・ジュークを皮切りに続々と投入されるようになった。唯一マツダは、執行役員の人見光夫がダウンサイジングターボ車の導入に公式に否定的見解を示していた(2013年12月当時)[9]が、2016年にはネガが克服できたとして2.5 Lのダウンサイジングターボを投入している[10]

日本のように自動車税が排気量によって決まり、かつ過給器の有無が税額に影響しない地域においては、ダウンサイジングコンセプトは同程度の走行性能を割安な自動車税額で享受できるメリットがある。またアイドリングやパーシャル(半開)状態では小排気量化が生きやすいため、急加速の機会もあるもののストップ&ゴーの多い日本で必ずしも不利になるとはいえない。また多段ATやCVTの進歩、低回転域から中回転域までフラット化されたフラットトルクなどでドライバビリティの面でも日本に適していると思われる部分は多い。特にスカイラインクラウンのような大型車が日本で走行する場合は、低燃費化・高性能化の双方においてダウンサイジングターボの方が適していると言える。

日本市場で人気な1,000 cc自然吸気のコンパクトカーと同等以上の動力性能を持つ一部の660 ccターボ付き(あるいはスーパーチャージャー付き)軽自動車は、ベースからの出力アップが目的のためダウンサイジングコンセプトではないものの、登録車ユーザーからすれば実質的にはダウンサイジングコンセプトのいち選択肢であるという見方もできる。

ダウンサイジングコンセプトとされるエンジンを採用する国産車

2010年代に各社が競って投入し、全社にラインナップが完了している。※は他社からのエンジン供給モデル。

なおダウンサイジングターボは高圧縮比実現のために直噴化されるのが一般的であるが、ダイハツだけは例外でポート噴射を採用している[11]

ディーゼルエンジンへの適用

ディーゼルエンジンでは、過給圧をさらに上げることにより、より少ない気筒数・より小さいシリンダサイズのエンジンへ変更することが一般的である。気筒数削減・小型化により、メカニカルフリクション低減による巡行時の燃費低減・材料費低減・重量軽減が図られている。バスの例として1995年にはハイブリッド仕様日野・ブルーリボンで従来の大型車と共通のM10U型エンジンから、中型車用のJ08C型 (240 ps) に過給器を取り付けた例があり、非ハイブリッド車においてはKL-規制の頃(2000年頃)より大型車用エンジンにターボを装着する例が増え始め、PJ-規制の頃(2004年頃)から中型車用エンジンにターボを組み合わせるのが定着した。QxG-(QRG-/QPG-/QKG-/QDG-)規制の頃(2015年頃)より大型車に小型車用エンジンを組み合わせた例もみられるようになった。路線バス用のエンジンでは6気筒から4気筒が主流になりつつある[13]

ディーゼルエンジンは予混合燃焼ではない為プレイグニッションによるノッキングが発生しないことから過給器との相性がよく、また日本の自動車用ディーゼルエンジンは自動車NOx・PM法公布以後、排ガス性能と運動性能の両立の為に殆どが過給器付きとなり、同等の出力を確保した上でのダウンサイジングが図られている。

ディーゼルエンジンは(ガソリンエンジン比で)爆発圧力が強く、低回転域でのトルク特性に優れる為、過給機が作動する回転数に達するまで排気量相応の出力に限られ低回転トルクが不足する問題(ターボラグ)はガソリンエンジンに比べて少ないが[注釈 3]ツインターボ可変ノズルターボなどを用いることによってさらなる高効率化が図られている。他に高過給化による耐久性の問題や排気量の削減による排気ブレーキエンジンブレーキ力の低下[14]など克服すべき点が指摘されている。近年は過給を行えない回転域での出力不足を補うハイブリッド化も進みつつある。

ダウンサイジングの例(いすゞ自動車
車種 2000年頃 2010年頃
エンジン型式 シリンダ配列 排気量(cc) 過給 圧縮比 エンジン型式 シリンダ配列 排気量(cc) 過給 圧縮比
ギガ 6×4トラクタ 10TD1 V型10気筒 30,390 18.0 6WG1 直列6気筒 15,681 16.5
ギガ 10-15t車 6WF1 直列6気筒 14,256 16.0 6UZ1 直列6気筒 09,839 16.2
フォワード 4t車 6HL1 直列6気筒 07,166 18.5 4HK1 直列4気筒 05,193 16.5
エルフ 2t車 4HG1 直列4気筒 04,570 18.5 4JJ1 直列4気筒 02,999 17.5

またJR四国を除くJR各社では、国鉄型気動車エンジンの交換が行われており、交換後のエンジンはほとんどの場合排気量が下がっているため[注釈 4]、これもダウンサイジングの一種と言える。

その他

  • 同じターボエンジンでもダウンサイジングコンセプトかどうかはエンジン単体ではなく、車体との組合せで従来エンジンと比べ排気量を低減しているかによって評されるため、たとえダウンサイジングコンセプトを考慮して開発されたエンジンであっても、従来のエンジンと排気量があまり大差のない車体に搭載された場合はダウンサイジングとは見做されない場合がある。またMR16DDT(DIG-T)型エンジン[15]、のように海外では車格の大きい車種にも採用されたためダウンサイジングターボとして扱われたが、国内ではBセグメントSUVのジュークのみの採用であったため、ハイパワーターボとしてしか認識されなかったというパターンもある。
  • ダウンサイジングコンセプトのターボエンジンを「小排気量ターボ」と表現する自動車評論家や好事家は跡を絶たないが、V12をV8ターボ化したものを「小排気量ターボ」とは表現できないように、似て非なる概念である。

脚注

[脚注の使い方]

注釈

  1. ^ 日本での過給器付きエンジンはディーゼルエンジンの方が歴史が長く、ルーツブロワー付きは1955年(昭和30年)の民生UDエンジンシリーズ、ターボチャージャーも大型自動車鉄道車両DMF31系エンジンDML30系エンジン)、船舶用、産業用などで1960年代後半から1970年代にかけてすでに実用化されている。
  2. ^ 国産乗用車初のターボ車は430型系日産・セドリック/グロリアで、エンジンは共にL20ET型。巡航時の燃費(60 km/h定地燃費)を改善すべく、自然吸気仕様に比べて歯車比が小さく(ハイギヤード化)されていた。
  3. ^ 乗用車やSUVなどでは、特にターボ化の際に変速機の1速やデフの最終減速比を高めるなど、ギアリングが変更されることが多く、これがドライバビリティに大きく影響する
  4. ^ DML30からDMF13に交換した例(キハ183キハ66など)もあり、この場合気筒数は半分、排気量は半分以下になっている。ただし岡山県水島臨海鉄道キハ37は、JR東日本在籍時代にDMF13からDMF14へのエンジン交換が行われており、若干ながら排気量が上がっている例もある。

出典

  1. ^ 鈴木孝 『ディーゼルエンジンと自動車』 ISBN 978-4895225090 三樹書房、2008年、108頁
  2. ^ ダウンサイジング過給エンジン:なぜエンジンをダウンサイジングすると効率が良くなるのか?Motor Fan 2021年6月30日閲覧
  3. ^ 圧縮比を高くしすぎて気筒が高温になりすぎると、ノッキング(自然発火)が起きてしまう
  4. ^ 内燃機関超基礎講座 | ライトサイジングとは何か? ダウンサイジングの次にやってくる新潮流MotorFan 2021年6月30日閲覧
  5. ^ 夢のエンジンじゃない? 燃費とパワーを両立した「完璧」に思えるダウンサイジングターボの「限界」とは (2/2ページ)WEB CARTOP 2021年6月30日
  6. ^ TSI < Technologies & Concepts < Sustainable Mobility < フォルクスワーゲンについて < フォルクスワーゲン公式サイト”. 2015年8月31日時点のオリジナル[リンク切れ]よりアーカイブ。2015年8月24日閲覧。
  7. ^ 排気量拡大で新たな燃費測定モードに対応WEBCG 2021年6月26日閲覧
  8. ^ a b “自動車ライター注目のクルマ 24 スバル レヴォーグ - "日本車初"ダウンサイジングターボ、実力はいかに?”. マイナビニュース. (2014年8月16日). https://news.mynavi.jp/article/pickupcar-24/ 2015年1月14日閲覧。 
  9. ^ “マツダ人見執行役員、ダウンサイズせずにSKYACTIV-Gの燃費向上図る”. Response.. (2013年12月20日). http://response.jp/article/2013/12/20/213452.html 2015年1月14日閲覧。 
  10. ^ エコカー技術:マツダのSKYACTIVターボエンジンは“意味ある”過給ダウンサイジング (1/3) - MONOist(モノイスト)”. 2016年5月23日閲覧。
  11. ^ 「疑似直噴」で高圧縮比、ダイハツ1L自然吸気エンジン日経XTECH 2021年6月30日閲覧
  12. ^ ただし前出のジュークが初という見方もある
  13. ^ 【モンスターエンジンに昂ぶる】いすゞの大型路線バス、エルガはなんと直4搭載【第18回】”. 2018年12月30日閲覧。
  14. ^ 強まる流体式リターダの装着 小排気量で見直される制動対策 トラクタの安全対策”. 株式会社ニッポンリターダシステム. 2013年3月20日時点のオリジナル[リンク切れ]よりアーカイブ。2013年1月25日閲覧。
  15. ^ 松井 義典、谷下田 和則, 清水 雅之「ダウンサイジング直噴ガソリンターボエンジン(MR16DDT)の開発 (特集:ニッサン・グリーンプログラム2012を支えるパワートレイン技術)」『日産技報』第68号、2011年、 [要ページ番号]ISSN 038592662016年5月23日閲覧。

参考文献

関連項目

外部リンク