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1 NEDO フォーラム 社会を変えた NEDO の技術 クリーンディーゼルエンジン Mazda SKYACTIV-D の開発 2015 年 2 月 12 日 マツダ ( 株 ) エンジン性能開発部 志茂大輔 関連 NEDO プロジェクト 革新的次世代低公害車総合開発 超低エミッション高効率乗用車ディーゼルエンジンの研究開発及びナノテクノロジーを応用した高性能排ガス浄化触媒の研究開発 ( 2004 ~ 2008)

2 報告内容 2 1.NEDOインサイド製品の事業化状況 クリーンディーゼルエンジン製品の概要 市場競合力 市場創出成果 2.NEDOプロジェクトで得た成果 研究の背景と目的 研究開発体制 研究開発内容 (NEDO 期間中 ) 研究開発内容 (NEDO 期間後の自社開発 ) 学会発表 / 受賞歴 3.NEDOプロジェクトに対する見解 成功要因 有効性 人材育成

3 1.NEDO インサイド製品の事業化状況 クリーンディーゼルエンジン製品の概要 : Mazda SKYACTIV-D の特徴 走り : 常用域の大トルクと高回転まで回り切るスムーズな加速 燃費 : クラストップレベルの低燃費 ハイブリッド車に負けない経済合理性 3 環境 : 高価なNOx 触媒無しで国内ポスト新長期 / 欧州 EU6 排気規制に適合するクリーン燃焼 NEDOインサイド CX-5 AtENZA AXELA DEMIO

4 1.NEDO インサイド製品の事業化状況 クリーンディーゼルエンジン製品の概要 : NEDO インサイド革新的クリーン燃焼技術 ( 低排気エミッション ) NEDO 期間 ( 2004~ 2008) ITIC-PCI 予混合型燃焼 自社開発 モデルベース 着火時期制御 4 製品 2012 Skyactiv-d 2.2L AXELA 搭載車種 : CX-5 AtENZA 群噴孔ノズルインジェクタ 多噴孔ノズル高性能インジェクタエッグシェイプ燃焼室 2014 Skyactiv-d 1.5L 搭載車種 : DEMIO LP/HP 併用 EGR システム

5 Torque (Nm) 1.NEDO インサイド製品の事業化状況 5 市場競合力 ( 走行性能 ): トルクカーブ比較クリーンディーゼル vs 大排気量ガソリンエンジン % SKYACTIV-D (2.2) ガソリン V6 3.7L km/h 走行時の回転速度 ( キ ヤ段 ) (6 速 ) (5 速 ) (4 速 ) Engine Speed (rpm) クリーンディーゼル 2.2L の低中速トルクはガソリン 3.7L を大幅に上回る 実用域で 4L ガソリンエンジン並みの走りを実現

6 1.NEDO インサイド製品の事業化状況 6 市場競合力 ( 燃費性能 ): 国内クリーンディーゼル乗用車 (2.0~2.5L クラス ) カタログ燃費比較 Mazda SKYACTIV-D A 社 SUV 2.0L 2WD/AT 4WD/AT D 社セダンガソリンハイブリッド 2.5L C 社セダン 2.0L_2WD/AT C 社 SUV 2.0L_2WD/AT C 社 SUV 2.0L_4WD/AT B 社ミニバン 2.3L_4WD/AT 燃料小売価格 (2015 年 1 月時点 ) レギュラーガソリン 約 130 円 /L 軽油 約 110 円 /L 他社クリーンディーゼル車に対して優位な燃費競合力を実現 他社ガソリンハイブリッド車に対しても燃料価格を考慮すると優位に

7 性能 後処理 排気低減技術 燃焼改善 1.NEDO インサイド製品の事業化状況 市場競合力 ( 環境性能 ): 7 国内クリーンディーゼル乗用車比較 ( 主要なポスト新長期排気規制適合車 ) メーカー 車種 排気量 マツダ 国産 A 社 A 社 国産 B 社 B 社 輸入 C 社 C 社 マツダ マツダ 輸入 C 社 C 社 CX-5(SUV) SUV ミニバン SUV デミオ (HB) アテンサ (SDN) セダン 2.2L 2.0L 2.3L 2.0L 1.5L 2.2L 2.0L 過給機 2stage ターホ VG ターホ VG ターホ VG ターホ VG ターホ 2stage ターホ VG ターホ EGR HP loop クールト / ホット HP loop クールト / ホット HP loop クールト / ホット HP loop クールト / ホット LP クールト /HP ホット HP loop クールト / ホット HP loop クールト / ホット 圧縮比 NOx PM 最高出力 無し テ ィーセ ル粒子フィルタ (DPF) SUV& ミニバン (AT/4WD) NOx 吸蔵 (NSC) テ ィーセ ル粒子フィルタ (DPF) NOx 吸蔵 (NSC) テ ィーセ ル粒子フィルタ (DPF) NOx 吸蔵 (NSC) テ ィーセ ル粒子フィルタ (DPF) 無し テ ィーセ ル粒子フィルタ (DPF) (2015 年 1 月時点 マツダ調べ ) セダン & ハッチバック (AT/2WD) 無し テ ィーセ ル粒子フィルタ (DPF) NOx 吸蔵 (NSC) テ ィーセ ル粒子フィルタ (DPF) 129 kw 127 kw 109 kw 82 kw 77kW 129 kw 135 kw 最大トルク JC08 モート 燃費 クリーン燃焼による 高価なNOx 触媒無しでの規制適合は Mazda SKYACTIV-D だけ 420 N m 360 N m 360 N m 270 N m 250N M 420 N m 380 N m 18 km/l (2WD: 18.6) 13.8 km/l (MT: 14.2) 13.6 km/l 15.6 km/l (2WD: 16.4) 26.4 km/l (MT: 30) 20 km/l (MT: 22.4) 19.4 km/l

8 1.NEDO インサイド製品の事業化状況 市場創出成果 : 8 次世代自動車普及の政府目標 ( 新車販売台数に占める割合 ) 出展 : 次世代自動車戦略 2010( 経済産業省 HP) 燃費 (CO2 削減効果 ) に優れるクリーンディーゼル乗用車の普及は 政府目標にも掲げられている

9 国内販売台数 ( 台 / 月 ) 国内販売台数 ( 台 / 月 ) ディーゼル車のシェア率 ( 台 / 月 ) 1.NEDO インサイド製品の事業化状況 市場創出成果 : クリーンディーゼル乗用車国内販売台数 9 国内販売シェア ディーゼル乗用車 Total 乗用車 Total アクセラ アテンサ テ ミオ ディーゼル車シェア率 CX-5 ディーゼル乗用車 Total 日本でのクリーンディーゼル乗用車市場を創出した. 次世代自動車戦略 2010 での 2020 年政府目標 5% に到達!

10 10 NEDO プロジェクト ( 2004 ~ 2008) 革新的次世代低公害車総合開発 超低エミッション高効率乗用車ディーゼルエンジンの研究開発及びナノテクノロジーを応用した高性能排ガス浄化触媒の研究開発 背景 : 高い熱効率が得られるディーゼルエンジンは 乗用車の CO2 削減技術として期待されている しかし 厳しい排気規制に適合するためには 排ガス中の NOx の浄化に 高価な触媒の装着が必要とされていた 目的 : 高い熱効率を維持し NOx 触媒装置が不要な革新的クリーン燃焼技術を開発する 目標 : NOx PM 燃費走行モード 0.07g/km (NOx 後処理なし ) 0.005g/km 2015 年ガソリン乗用車基準比 20% 改善 JC08

11 11 NEDO プロジェクト ( 2004 ~ 2008) 革新的次世代低公害車総合開発 超低エミッション高効率乗用車ディーゼルエンジンの研究開発及びナノテクノロジーを応用した高性能排ガス浄化触媒の研究開発 研究開発体制 : 研究開発責任者 マツダ株式会社 広島大学 新燃焼方式の開発 低温希薄予混合型燃焼低温希薄拡散型燃焼高過給多量 EGR システム 実車システムの開発 燃焼制御技術実車検証 噴霧 / 混合気形成の解析 LAS 法噴霧計測着火 燃焼過程解析可視化エンジン燃焼計測新コンセプトノズル

12 12 研究開発内容 (NEDO 期間中 ): 革新的クリーン燃焼技術 ( 低排気エミッション ) 製品 NEDO 期間 ( 2004~8) ITIC-PCI 予混合型燃焼 自社開発 モデルベース 着火時期制御 2012 Skyactiv-d 2.2L 搭載車種 : CX-5 AtENZA AXELA 群噴孔ノズルインジェクタ 多噴孔ノズル高性能インジェクタエッグシェイプ燃焼室 2014 Skyactiv-d 1.5L 搭載車種 : DEMIO LP/HP 併用 EGR システム

13 Lean 混合気当量比 Φ Rich 研究開発内容 (NEDO 期間中 ): 酸素燃料すす 従来燃焼のイメージ CAE 解析結果 Mixture frequency 局所高温 NOx 酸素不足 すす 革新的クリーン燃焼技術 13 目標燃焼を実現するためには 混合気の希薄化 高過給 / 高吸気密度 予混合化 ( 軽負荷 ) 噴霧微粒化 ( 中 高負荷 ) ITIC-PCI 予混合燃焼 群噴孔ノズルインジェクタ 局所燃焼温度 T 目標燃焼のイメージ 低温で燃える NOx 減少 燃焼の低温化 多量 EGR LP/HP 併用 -EGR システム 酸素が充足 スス減少

14 Lean Lean 混合気当量比 Φ 混合気当量比 Φ Rich Rich 研究開発内容 (NEDO 期間中 ): ITIC-PCI 予混合燃焼 従来燃焼 Mixture frequency CAE 解析 ITIC-PCI 予混合型燃焼 吸気冷却 予混合化 低圧縮比 EGR In-Gas Temp. NOx 14 エンジン性能試験結果 低負荷 :1500rpm BMEP300kPa g/kwhr リッチ混合気 余剰空気 Smoke (Soot) 0.2 FSN Light Intensity High 局所燃焼温度 T 局所燃焼温度 T エンジン燃焼可視化計測 ATDC10 HC CO 2.0 g/kwhr 20 g/kwhr Low 正味燃費率 BSFC 従来燃焼 ITIC-PCI 吸気冷却 低圧縮比化 EGR を制御因子にして 低温燃焼化で NOx を低減 予混合化と余剰空気による混合気希薄化で Soot を低減 5 g/kwhr

15 Smoke (Soot) 研究開発内容 (NEDO 期間中 ): 群噴孔ノズルインジェクタ 従来のノズル 噴霧計測 NEDO で取り組んだ群噴孔ノズル 2 つの噴孔を近接配置 ( 正面 ) ( 側面 ) 15 エンジン性能試験結果 中負荷 :2000rpm BMEP600kPa 1FSN 従来ノズル (6holes) CAE 解析 CAE 解析 1g/kWh ( 上面 ) エンジンへの適用イメージ群噴孔ノズル噴霧ピストン燃焼室 NOx 群噴孔ノズル (6 2holes) CAE 解析 真円状 楕円状 縦渦流動 Lean Rich 群噴孔ノズルによって噴霧混合気を希薄化し NOx と Soot を低減

16 EGR rate[%] Intake gas Temp.[deg] Intake oxygen fraction[%] 研究開発内容 (NEDO 期間中 ): 16 LP/HP 併用 -EGR システム NEDO で取り組んだ併用システム 従来のシステム LP/HP-EGR 併用比率の最適化結果 ITIC-PCI Soot 限界改善 ) ( ポンプ損失低減 ) Conventional Comb HC/CO 低減 HP-EGR LP-EGR NOx 低減 BMEP [kpa] 多量 EGR( 低温化 ) と新気 ( 希薄化 ) の同時導入により 高負荷の NOx と Soot を低減 EGR 量と吸気温度を独立に制御することにより 低負荷の NOx と HC CO を低減

17 PM( 粒子状物質 ), g/km 燃費, km/l 17 研究開発内容 (NEDO 期間中 ): 技術的成果 研究用試作車での試験結果 排気エミッション 新長期 ( ) ポスト新長期 ( ) 革新的クリーン燃焼 参考 :EU-Stage4( 2005) 参考 : EU-Stage5( ) Target ( 燃焼 ) NOx( 窒素酸化物 ), g/km 既存乗用ディーゼル車 (DPF フィルター付 ) 燃費 kg ランク JC08 モード 25% 年ガソリン車燃費基準 排気エミッション 燃費ともに開発目標を達成した 試作車 (MT) Target

18 18 研究開発内容 (NEDO 期間後の自社開発 ): 革新的クリーン燃焼技術 ( 低排気エミッション ) 製品 NEDO 期間 ( 2004~8) ITIC-PCI 予混合型燃焼 自社開発 モデルベース 着火時期制御 2012 Skyactiv-d 2.2L 搭載車種 : CX-5 AtENZA AXELA 群噴孔ノズルインジェクタ 多噴孔ノズル高性能インジェクタエッグシェイプ燃焼室 2014 Skyactiv-d 1.5L 搭載車種 : DEMIO LP/HP 併用 EGR システム

19 正味燃費率 [g/kwh] HC [g/kwh] Good Good Good CO [g/kwh] 19 研究開発内容 (NEDO 期間後の自社開発 ): ITIC-PCI 予混合型燃焼 多噴孔ノズル高性能インジェクタ CAE 解析 エンジン性能試験結果 低負荷 : 1500rpm - BMEP300kPa 単段燃料噴射近接 3 段燃料噴射 lean rich Equivalence ratio 高性能インジェクタによる近接多段噴射により更なる燃費低減を達成

20 燃焼騒音ばらつき 20 研究開発内容 (NEDO 期間後の自社開発 ): ITIC-PCI 予混合型燃焼 モデルべース着火時期制御 エンジン試験結果低負荷 : 1500rpm - BMEP300kPa エンジンコントロールユニット (ECU) 着火時期制御なし 吸気 O2 濃度外乱 [vol %] 着火時期制御有り 着火遅れ予測モデル式 τ = A φ B P C exp D T t ign 1 = 1 t τ inj 着火時期が不安定 安定 着火時期が安定するように 燃料噴射時期を調整 着火時期制御により 外乱に対する燃焼音抑制のロバスト性を確保

21 21 研究開発内容 (NEDO 期間後の自社開発 ): 群噴孔ノズルインジェクタ エッグシェイプ燃焼室 Lean CAE 解析 Rich 群噴孔ノズル 従来の流動 従来の流動 群噴孔ノズルの流動 群噴孔ノズル衝突噴霧の楕円効果 エッグシェイプ燃焼室の流動 エッグシェイプ燃焼室の効果 エッグシェイプ ( 卵型 ) 燃焼室 CAE 解析 縦渦流動による空気利用率向上で 混合気を希薄化 空気利用率向上の制御手段を 群噴孔ノズルからエッグシェイプ燃焼室に変更

22 22 学会発表 : ITIC-PCI 予混合型燃焼 Transactions of FISITA2006, F2006P372T(2007.9) 自動車技術会論文集 Vol.42 No.4 p.867~872(2011.7) 群噴孔ノズルインジェクタ 第 20 回内燃機関シンポジウム講演論文集, p (2009.9) 自動車技術会学術講演前刷集 No p.19-24( ) LP/HP 併用 EGRシステム 研究車両総合テスト 自動車技術会学術講演前刷集 No p.7-10(2009.5) 自動車技術会論文集 Vol.42 No.4 p.873~878 (2011.7) モデルベース着火時期制御 多噴孔ノズル高性能インジェクタ Proceedings of 8th COMODIA, p.257~262 (2012.7) 自動車技術会論文集 Vol.44 No.6 p.1335~1340 ( ) 低圧縮比エッグシェイプ燃焼室 Proceedings of 8th COMODIA, p.218~225 (2012.7) 第 21 回内燃機関シンポジウム講演論文集, p ( ) SKYACTIV-Dエンジン 20th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology ( ) 自動車技術会論文集, Vol.44, No.1, p27-32(2013.1) ほか

23 23 受賞歴 (SKYACTIV-D エンジンとして ): 第 45 回市村産業賞功績賞 ( ) 第 11 回新機械振興賞機械振興協会会長賞 ( ) 第 64 回自動車技術会賞技術開発賞 ( ) 平成 24 年度日本機械学会賞 ( 技術 ) ( ) 平成 24 年度日本燃焼学会表彰技術賞 ( ) 第 42 回日本産業技術大賞審査委員会特別賞 ( ) 2012~13 日本自動車殿堂カーテクノロジーオブザイヤー ( ) 2014 年日経地球環境技術賞優秀賞 (2014/11/6) 第 11 回エコプロダクツ大賞国土交通大臣賞 < エコプロダクツ部門 > (2014/12/11)

24 3.NEDO プロジェクトに対する見解 24 NEDO プロジェクトの成功要因 有効性 : 長期的な視点に立って国をあげて強化する科学技術の領域を示してサポートいただけることで 研究環境が素早く整えられる. 高い目標設定と決められた納期に向かって研究開発を進める能力が身に付く. 実施研究領域の権威たる先生方から貴重な叱咤激励が受けられる. 産学連携がより強固になり 実用化までを視野に入れた研究サイクルを産学で回せるようになった.( 事業終了後も産学連携での共同研究を継続中 ) 人材が育つ

25 3.NEDO プロジェクトに対する見解 25 NEDO プロジェクトによる人材育成 : NEDO 事業期間中の技術委員会等で エンジン研究の権威たる先生方に 度々 叱咤激励いただいた. 期間前半には学会やシンポジウムに参加して最先端の研究動向を勉強する機会を 後半には成果を学会発表する機会を 数多くいただいた. 社内での通常の開発過程では得られない これらの経験によって鍛えられることで 技術者の育成が進んだ. CAE 数値解析技術が飛躍的に進化し エンジン等のモノでの評価ありきから脱却して CAE で開発できる技術者の育成が進んだ.

26 ご清聴ありがとうございました 26

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