電動車の拡大とICE(内燃機関車)の改善状況(その1)

2030年の内燃機関は更に革新が進み熱効率45%以上へ

2017/06/21

要約

 2017年5月、創立70周年を迎えた自動車技術会主催の「人とくるまのテクノロジー展横浜」にて各種フォーラムが開催された。そのうち 『2030年の乗用車用パワートレインの世界』というテーマでガソリンエンジンの革新状況が議論された。2015年の同フォーラムから2年が経過した現在、内燃機関の開発進捗状況について議論が産官学で行われた。

 講演はトヨタ自動車、本田技術研究所、日産自動車、マツダ、Robert Bosch、AVL List、早稲田大学、科学技術振興機構(講演順)からなされ、 講演後パネルディスカッションが開催された。正味熱効率45%の実現は間近にせまっており、「その次の技術」は何かという観点からパネルディスカッションが進められた。

 トヨタはプリウス、C-HR、カムリなどで、すでに熱効率41%以上を実現したガソリンエンジンをHEVに投入し、TNGA世界展開に合わせて新規パワートレインのラインアップを拡充している。ホンダはi-CVCCと命名した副室急速燃焼システムにより単気筒ではあるが、45.2%の正味熱効率を実現したという。日産自動車はVC-ターボを採用することで高圧縮比18.0の実現とロングストローク化を無理なく実現することができるという。マツダからはSKYACTIVの3rd stepとして遮熱による冷却損失の低減研究状況が紹介された。早稲田大学からは2020年度にはJC08モードで企業平均燃費目標20.3 km/Lが実現目標として国交省から定められているが、ガソリン内燃機関は正味熱効率50.35%まで上がる目途があり、まだ改善の余地ありと報告されている。本レポートではトヨタ、ホンダ、日産、マツダの内燃機関の革新状況を紹介する。

新型Prius PHVのカットボディ、左側が車両前部、中央の床に置いてあるものが、世界初のソーラー充電システム・ソーラーパネル。最大6.1km/日、平均2.9km/日のEV走行が可能な電力を供給する。
トランスアクスル、ジェネレータを駆動用にも使用するため、エンジンの逆回転を防止するワンウェイクラッチを装備した(動力分割機構の仕組みから必要になる。写真中央部に表示されているが、実際にはフライホイールの内側に配置されている。)。他の部分は、Priusハイブリッド車と同じとのこと。
「2030年の乗用車用パワートレインの世界」パネリスト NSX 用66Hzの固有振動数を実現したアルミ接合フレーム
 (人とくるまのテクノロジー展からMarkLines撮影)

関連レポート:
「革新的燃焼技術」(その2):どこまで革新進むか?内燃機関エンジン(2016年12月)
「革新的燃焼技術」の研究:どこまで革新進むか?内燃機関エンジン(2016年11月)
2050年に向けた自動車技術の方向性(2016年10月)
次世代エンジン開発(2016年2月)
人とくるまのテクノロジー展2015:Post2025年の乗用車用パワートレーンの主流は?(日本メーカー編)(2015年6月)
人とくるまのテクノロジー展2015:Post2025年の乗用車用パワートレーンの主流は?(欧州動向編)(2015年6月)



電動化時代を迎えたパワートレイン開発の方向性:(トヨタ自動車 友田氏)

 トヨタはプリウス、C-HR、カムリなどで、熱効率41%以上を実現したガソリンエンジンをHEVに投入し、TNGA世界展開に合わせて新規パワートレインを拡大して いる。Well-to-Wheelで評価すると2030年頃までの短中期の間はHEVでエンジン熱効率やパワートレイン効率を向上させる方針とのことである。その理由は日本、米国、欧州などの先進国での電気発電時に発生するCO2レベルにHEVとパワートレイン効率向上によりほぼ近づくことができるからという。 方策は①エンジン熱効率を50%まで向上(SIP革新的燃焼技術の取組)②バイオ燃料使用など、燃料製造時にCO2ゼロの燃料を使用とのことである。

  • 下図左をみると、PHEV、EVは発電所の電源構成(石炭火力、水力、原子力など)によりWell-to-Wheelで評価するとCO2発生量の影響を受ける。先進国ではPHEV、EVがCO2発生量は低いが新興国ではHEV(燃費40km/L)の方がCO2発生量はむしろ低くなる。
  • 下図右をみると、短期中期(~2030年頃)では①パワートレイン効率の向上②HEVの改良を進めれば、先進国ではEVと同じレベルのCO2性能と出来る。また長期的にはバイオ燃料等を使用すればEV以上のCO2性能が実現可能となる。
(トヨタ資料からMarkLines作成) (トヨタ資料からMarkLines作成)
(トヨタ資料からMarkLines作成) (トヨタ資料からMarkLines作成)


ホンダの電動化時代に向けたエンジン技術:(本田技術研究所 新里氏)

 ホンダはCO2削減へ向けて電動車投入を加速する。2030年にはターゲットとして電動車を全販売量の2/3とすることを目標に開発中。ただ、 電動車も85%はエンジン搭載車となる。つまりHEV用のエンジンが増加していく。電動車のエンジン動作点は実際の車の走行モードでは想像以上に広い。

    HEV用のエンジンは
  1. 冷却水温上昇が遅い(高効率燃焼モード移行点:205秒)
  2. 再始動回数が多い(低水温再始動時のエミッション対策が課題)
  3. NV(騒音振動)要求から低負荷域での効率最良点を使えず燃費損失が生じる
  4.                                              等 
    通常の内燃機関車用エンジンと異なり、電動車用のエンジンとして特別なチューニングが必要になるという。



i-CVCCエンジンの研究

 ホンダが本命として取り組んでいるのがi-CVCCエンジンの研究である。1970年代にホンダが初めて取り組んだCVCCの現代版で、 副室燃焼室で着火させた火炎を高速で主燃焼室に吹き込む。従来のリーンバーンと比較すると40%も燃焼が早くなるという。

 空燃比もA/F で35まで燃焼し、正味最大熱効率は47%(!!!)を達成したと報告された。

(トヨタ資料からMarkLines作成) (トヨタ資料からMarkLines作成)
(ホンダ資料からMarkLines作成) (ホンダ資料からMarkLines作成)


内燃機関の次の進化に向けた第1歩:(日産自動車 平工氏)

 日産は2018年に世界で初めて可変圧縮比エンジンVC-ターボを量産し北米向けInfiniti車に採用する。VC-ターボエンジンはそのクランクのリンク機構により、圧縮比を連続で8.5から14までオンデマンドで可変することができる。(既報「革新的燃焼技術の研究」

 熱効率は図示で40%弱となるという。また、燃費向上の為のロングストローク化をエンジン全高を増やさずにできるというメリットがある。

 また日産ノートに採用したe-POWERユニットでは内燃機関エンジンの運転条件(燃費最良点を多用し、定常運転を多くしている)の為に、熱効率は5%程度向上するという。

 将来VC-ターボエンジンとe-Powerは熱効率改善の重要なユニットとなる。

日産自動車 VC-ターボエンジン
(出典:Infiniti広報資料より)
日産自動車 e-POWER
  日産 e-Power (参考)BMW i3
エンジン   1.2L 3気筒ガソリン(HR12DE)
愛知機械製
0.65L 2気筒ガソリン(W20K06A)
BMWスクーター用エンジン
圧縮比12.0   ミラーサイクル出力58kW 圧縮比10.6   出力28kW
モーター定格出力 70kW 75kW
バッテリー リチウムイオン 1.47kWh リチウムイオン 33kWh
燃料タンク 41 L (無鉛レギュラー) 9L (無鉛プレミアム)
ハイブリッドシステム HEV PHEV
燃費 37.2km/L(Sタイプ)JC08モード 24.7km/L JC08モード
車両総重量 1445~1505kg 乗車定員5人 1640kg 乗車定員4人
販価帯 200~300万円 500万円以上
(日産、BMW広報資料よりMarkLines作成)


まだまだ頑張る内燃機関:(マツダ 山本氏)

 電動化に触れなかったのはマツダのみであった。Well-to-Wheelで評価するとトヨタの友田氏の説明の通り、発電所の電源構成のうち、石炭などの火力発電をなくすことが有効であり、その上で自動車の排出するCO2はSKYACTIV 3rd stepでほぼ電気自動車のWell-to-Wheelレベルに近づくようになるという。
あくまで内燃機関にこだわるマツダの方針である。

 SKYACTIV 3rd stepでは冷却損失を極限まで低減し、1st stepから70%冷却損失を低減(上右の図)した結果、図示熱効率はグロスで40数%から 56%(上図右の赤部)まで改善するという。

(マツダ資料からMarkLines作成)

 BSFC(Break Specific Fuel Consumption=正味燃料消費率)は1500rpmでみるとG1(1st step 2.0LガソリンSKYACTIV)からG3 (3rd step 2.0LガソリンSKYACTIV)でエンジン負荷により、53%から34%の改善が確認されているという。



エンジンシステムの高効率化の可能性と到達点:(早稲田大学研究院 大聖教授)

 早稲田大学からは、日本の現在までの自動車燃費改善技術の歴史から判断し、「2030年までにCO2をさらに30%低減できるか」という観点から講演がなされた。

  • ガソリンエンジン熱効率:35-40%⇒45-50%(ディーゼルは35-45%⇒50-55%)に向上
  • 部分負荷燃費の改善
  • 排熱利用
  • SIP「革新的燃焼技術」からの成果刈取り

(注記):SIP=内閣府が主導する戦略的イノベーション創造プログラム
(Strategic Innovation Promotion Program)

などが今後10年間に進み2030年代も世界販売の90%は高効率エンジンが占め、重要な役割を果たす。

(出展:大聖先生講演資料)
(IEA/ETPの乗用車販売予測(2012):大聖教授資料からMarkLines作成)
注記)IEA/ETP=International Energy Agency/Energy Technology Perspectives

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キーワード

IC、ICE、内燃機関、熱効率、e-Power、VC-ターボ 電動化、電動車、PHEV、HEV、FCV、BEV、EV、トヨタ、ホンダ、日産、マツダ

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