新 型 デミオのエンジン 技 術 No.29(2011) 特 集 : 新 型 マツダデミオ 2 新 型 デミオのエンジン 技 術 Engine Technology for New Demio *1 富 澤 和 廣 *2 松 尾 佳 朋 大 槻 Kazuhiro Tomizawa Yoshitomo Matsuo Ken Ohtsuki *4 室 谷 満 幸 後 藤 *5 剛 *3 健 *6 上 月 正 志 Mitsuyuki Murotani Tsuyoshi Goto Masashi Kouzuki 要 約 SKYACTIV-Gは, 内 燃 機 関 の 効 率 を 徹 底 的 に 追 及 し, 相 反 する 関 係 にあった 燃 費 と 出 力 の 両 方 をブレークス ルー 技 術 で 飛 躍 的 に 向 上 させている その 中 で 新 型 デミオに 搭 載 のSKYACTIV-G 1.3Lエンジンは, 特 に 燃 費 性 能 を 重 視 し, 走 りを 犠 牲 にすることなく, 世 界 一 の 高 圧 縮 比 14.0とハイブリッド 車 並 の30km/lという 低 燃 費 を 実 現 した 本 稿 では,このエンジンの 諸 性 能 と 採 用 技 術 について 紹 介 する Summary For the SKYACTIV-G engines, the efficiency of internal combustion has been pursued thoroughly, and both fuel consumption and torque, which conflict with each other, are being improved drastically by the use of breakthrough technologies. Among the SKYACTIV-G engines, fuel efficiency performance was especially valued for the SKYACTIV-G 1.3-liter engine mounted on New Demio. As a result, the world s highest compression ratio of 14.0 and the fuel consumption of 30 km per liter, which is as low as that of hybrid vehicles, were achieved without sacrificing driving performance. This article introduces the engine s performances and adopted technologies. 1.はじめに 近 年 ハイブリッド 車 や 電 気 自 動 車 の 市 場 導 入 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 くは 内 燃 機 関 を 搭 載 していると 考 えられている ⑴ ハイブリッド 等 の 電 気 デバイスの 効 果 を 十 分 発 揮 させるには,そのベースとなる 内 燃 機 関 の 効 率 が 高 いことが 重 要 である それを 具 現 化 するSKYACTIVエンジ ンの 第 1 弾 として 新 型 デミオに 搭 載 され, 世 界 一 の 圧 縮 比 14.0とハイブリッド 並 みの30km/lという 低 燃 費 を 実 現 した 新 開 発 1.3Lエンジンの 諸 性 能 と 織 り 込 み 技 術 を 紹 介 する 大 きなステップとして, 圧 縮 比 やポンプ 損 失 改 善 にメスを 入 れ, 更 にディーゼル 比 優 れている 機 械 抵 抗 の 一 層 の 低 減 をね らいとした 本 エンジンはその 第 1 弾 として, 既 存 プラットフォームの デミオに 搭 載 され,ハイブリッド 並 みの 低 燃 費 を 実 現 したもの 2. 開 発 のねらい SKYACTIV-Gは,マツダのブランドメッセージである, サステイナブルZoom-Zoomを 具 現 化 するエンジンとして, 優 れた 環 境 性 能 と 走 る 喜 びを 高 次 元 で 両 立 することを 目 指 し た ガソリンエンジンを 内 燃 機 関 の 理 想 へと 近 づけるための Fig.1 SKYACTIV-G Engine *1,4,5 エンジン 設 計 部 *2,3 エンジン 性 能 開 発 部 *1,4,5 Engine Design Engineering Dept. * 2,3 Engine Performance Development Dept. *6 パワートレイン 企 画 部 *6 Powertrain Planning Dept. 8
No.29(2011) マ ツ ダ 技 報 である SKYACTIV-Gは, 排 気 量 や 搭 載 車 種 によらず 同 体 質 の 特 性 を 持 ったコモンアーキテクチャとするが, 本 エンジ ンは,その 中 でも 特 に 燃 費 性 能 を 重 視 したものである (Fig.2) 上 記 ねらいの 実 現 のため, 世 界 一 の 高 圧 縮 比 14.0と しながら, 燃 焼 期 間 を 維 持 できる 燃 焼 技 術 の 確 立 と,ポンプ 損 失 20% 低 減 および, 機 械 抵 抗 30% 低 減 により,エンジン の 燃 費 率 を 現 行 エンジン 比 12% 低 減 することを 目 標 とした 3.エンジン 諸 元 SKYACTIV-Gは, 高 圧 縮 比 での 燃 焼 を 実 現 する 燃 焼 技 術, ポンプ 損 失 低 減 技 術, 機 械 抵 抗 低 減 技 術 を 排 気 量 や 搭 載 車 種 によらず 同 体 質 で 展 開 するコモンアーキテクチャとしている が, 本 エンジンでは 更 なる 燃 費 改 善 技 術 として,Cooled EGRによる 燃 焼 改 善 や,カムジャーナル 鏡 面 加 工 などの 機 械 抵 抗 低 減 技 術 を 採 用 した(Table 1) Fig.2 SKYACTIV-G Engine Development Table 1 Principal Specification 4. 燃 費 改 善 技 術 4.1 高 圧 縮 比 化 高 圧 縮 比 化 による 弊 害 は, 高 負 荷 時 の 耐 ノック 性 悪 化 によ る 点 火 タイミングの 遅 角 化 に 伴 うトルク 低 下 や, 高 外 気 温 環 境 下 および 燃 料 オクタン 価 バラツキなどによるプリイグニッ ションの 発 生 などである これらの 課 題 をブレークスルー し, 高 圧 縮 比 燃 焼 を 実 現 した 技 術 を 以 下 に 示 す ⑴ ノックによる 出 力 低 下 対 応 ノックによる 出 力 低 下 は, 圧 縮 比 上 昇 により, 圧 縮 上 死 点 での1 筒 内 ガスの 温 度 や 圧 力 が 上 昇 することでノックしやす くなり,ノック 回 避 のため 点 火 タイミングを 遅 角 化 して 着 火 することで 実 質 膨 張 比 が 低 下 するのに 加 え,2 燃 焼 期 間 が 長 くなって 熱 効 率 が 低 下 することが 主 な 原 因 である 1 筒 内 ガス 温 度 低 減 技 術 燃 料 粒 子 の 微 粒 化 と 筒 内 への 均 等 噴 射 により, 燃 料 の 気 化 潜 熱 による 効 果 的 な 筒 内 ガス 温 度 低 減 を 狙 い,6 噴 口 マルチ ホールインジェクタ(MHI)を 採 用 した(Fig.3) 更 に, 燃 料 のミキシング, 気 化 を 促 進 させるために, 燃 料 噴 射 時 期 を 吸 気 行 程 中 2 段 階 に 分 割 した 噴 射 制 御 とした 筒 内 温 度 分 布 の 解 析 を 実 施 し, 分 割 噴 射 とすることで 温 度 分 布 が 改 善 し, 混 合 気 高 温 部 のガス 温 度 が6 低 減 することを 確 認 した こ の 温 度 低 減 は 圧 縮 比 0.5 低 減 と 同 等 の 効 果 と 考 えられ,この 効 果 により 耐 ノック 性 が 改 善 し,1,500rpmの 全 開 トルクは 5.5% 向 上 した また,Cooled EGRシステム(Fig.4)を 採 用 し,EGRクーラで 冷 却 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 くすることでノックを 抑 制 し, 高 負 荷 領 域 のトルクを 向 上 させた 2 燃 焼 期 間 短 縮 技 術 高 圧 縮 比 化 のためにピストン 頭 部 形 状 を 盛 り 上 げる 際, Fig.5(a)に 示 すフラットピストンを 用 いると, 燃 焼 速 度 が 低 下 し 熱 効 率 は 悪 化 する これは, 初 期 火 炎 面 がピストンに 干 渉 し,そこで 火 炎 が 冷 却 されて 伝 播 が 阻 害 されたためと 考 Fig.3 Multi Hole Injector Fig.4 Cooled EGR 9
新 型 デミオのエンジン 技 術 No.29(2011) えられる そこで 初 期 火 炎 の 伝 播 を 妨 げないピストン 形 状 を 狙 って,Fig.5(b)のようにピストン 頂 部 に 球 形 キャビティ を 設 けることで 燃 焼 速 度 の 低 下 を 抑 制 した ⑵ これにより 1,500rpm 全 開 トルクは 約 4% 向 上 した 更 に, 筒 内 流 動 を 強 めるために 吸 気 ポート 入 射 角,バルブ 傘 角 などを 最 適 化 する ことでタンブル 比 (Tr):2.25という 高 い 値 を 実 現 した (Fig.6) また, 現 行 1.3Lエンジンに 比 べ,スモールボア 化 することで 火 炎 伝 播 距 離 を 短 くし 燃 焼 期 間 短 縮 を 図 った こ れにより1,500rpm 全 開 トルクを 更 に9% 向 上 できた 善 が 頭 打 ちになる 現 象 が 発 生 した(Fig.9) この 原 因 は,プ ラグ 付 近 の 高 温 の 既 燃 ガスがピストン 頭 部 壁 面 に 接 触 するこ Fig.6 High Tumble Ratio Head Port (a) Flat piston (b) Cavity piston Fig.5 Configuration of Combustion Chamber Fig.7 WOT Performance これらの 技 術 の 織 込 みにより, 従 来 エンジン 並 みの 燃 焼 速 度 を 実 現 し, 出 力 性 能 は 回 転 上 昇 に 対 してフラットな 特 性 と した(Fig.7) この 出 力 特 性 とエンジン 制 御 およびCVT 制 御 のチューニングにより, 走 り 性 能 は 現 行 デミオのレベルを 維 持 しつつ,アクセル 操 作 に 対 してリニアに 加 速 してゆく 上 質 な 走 り 感 を 実 現 した ⑵ 異 常 燃 焼 発 生 に 対 するロバスト 性 高 圧 縮 比 エンジンでは 正 常 な 火 炎 伝 播 前 に 圧 縮 自 着 火 によ る 異 常 燃 焼 が 生 じるプリイグニッションなどの 発 生 回 避 が 重 要 になる 圧 縮 自 着 火 はオクタン 価, 圧 力, 温 度, 時 間 に 依 存 し, 低 オクタン, 高 有 効 圧 縮 比, 高 温, 低 回 転 側 で 発 生 リ スクが 高 くなる SKYACTIV-Gは 耐 プリイグニッション 限 界 を 高 めるため, 吸 気 圧 縮 分 割 噴 射 を 採 用 した その 結 果, 従 来 エンジンに 比 べ 有 効 圧 縮 比 を 高 く 設 定 することが 可 能 と なり, 低 速 トルクの 向 上 が 図 れた また, 環 境, 劣 化, 燃 料 性 状 等 の 条 件 に 対 してロバストにするため,プリイグニッ ション 予 測 制 御 を 採 用 し,プリイグ ニッション 限 界 に 近 づ いた 際 は 吸 気 バルブ 閉 時 期 (IVC)を 遅 らせて 有 効 圧 縮 比 を 下 げることでプリイグニッション 発 生 からの 余 裕 度 を 確 保 し ている(Fig.8) 更 に, 万 が 一 プリイグニッションが 発 生 す る 条 件 に 入 った 場 合 でも 軽 度 の 燃 焼 変 化 をイオン 電 流 の 変 化 として 検 出 し, 空 燃 比 やIVCのコントロールによりプリイグ ニッション 回 避 制 御 を 行 うロバストなシステムとした ⑶ 圧 縮 比 向 上 による 熱 効 率 改 善 開 発 初 期 段 階 において, 圧 縮 比 を13 以 上 に 上 げても 燃 費 改 Fig.8 Relation between Pre Ignition Limit and Effective Fig.8 Compression Ratio Fig.9 Relation between Compression Ratio and Fuel Fig.9 Consumption 10
No.29(2011) マ ツ ダ 技 報 とによる 冷 却 損 失 の 悪 化 が 支 配 的 であることが 分 かった ⑶ 前 述 の 球 形 キャビティピストン(Fig.5(b))により 既 燃 ガ スがピストン 壁 面 に 接 する 面 積 を 低 減 することで 冷 却 損 失 を 改 善 し, 燃 費 向 上 代 を 理 論 値 近 くまで 改 善 した また 新 型 デ ミオではStep ATと 比 較 して 低 回 転 高 負 荷 域 の 使 用 頻 度 が 高 いCVT(Fig.10)を 採 用 している Cooled EGRの 採 用 によ り 高 負 荷 域 のノッキング 発 生 を 回 避 することで 高 圧 縮 比 本 来 の 熱 効 率 を 実 現 したエンジンとCVTを 組 み 合 わせ, 徹 底 的 な 熱 効 率 の 改 善 を 追 求 した(Fig.11) 面 加 工 により 動 弁 系 の 機 械 抵 抗 を54% 低 減 した ⑶ チェーン 系 : 高 剛 性 ストレートガイドの 採 用 による チェーンとガイド 間 の 摩 擦 抵 抗 低 減 や,レバーに 作 用 する 荷 重 分 担 均 等 化 によるチェーン 挙 動 の 安 定 化 でチェーン 張 力 を 低 減 するとともに,チェーンリンク 形 状 を 見 直 し チェーンとガイド 間 の 油 膜 形 成 を 促 進 させた 低 フリクショ ンチェーンの 採 用 により,チェーン 系 の 機 械 抵 抗 を30% 低 減 した Fig.11 Improvement of Fuel Efficiency in Cooled EGR Fig.10 Engine Operating Frequency Map for CVT 4.2 ポンピングロス 低 減 ポンピングロスを 低 減 するため, 吸 気 バルブの 閉 時 期 を ABDC105 度 まで 遅 くし, 更 にDual S-VT(Sequential Valve Timing)(Fig.12)の 採 用 により 内 部 EGRを 制 御 することでポ ンピングロスを 約 20% 低 減 した 従 来,ここまで 吸 気 遅 閉 じ にすると 有 効 圧 縮 比 の 低 下 による 燃 焼 安 定 性 悪 化 で 燃 費 改 善 できなかったが, 高 圧 縮 比 化 により, 遅 閉 じ 量 を 増 加 しても 有 効 圧 縮 比 が 維 持 できることから, 燃 焼 安 定 性 を 確 保 しつつ 大 幅 なポンピングロス 低 減 が 実 現 できた(Fig.13) 部 分 負 荷 運 転 では, 吸 気 バルブ 閉 時 期 をABDC105 度 まで 遅 くして いるが,スロットル 全 開 時 には 即 座 に 吸 気 バルブ 閉 時 期 を 出 力 に 有 利 なABDC36 度 まで 動 かす 必 要 があり, 素 早 い 応 答 性 を 低 回 転 から 常 に 安 定 して 確 保 できる 電 動 式 の 吸 気 S-VTを 採 用 した この 電 動 S-VTは 前 述 のプリイグニッション 回 避 のため 吸 気 閉 時 期 を 素 早 く 正 確 にコントロールする 要 求 から も 重 要 な 部 品 となっている 4.3 機 械 抵 抗 低 減 以 下 技 術 の 織 込 みにより,エンジン 全 体 の 機 械 抵 抗 を 現 行 機 種 比 30% 低 減 した(Fig.15) ⑴ 往 復 回 転 系 :クランクジャーナル 細 軸 化 による 回 転 抵 抗 低 減 や,ピストンスカート 剛 性 適 正 化 とリング 張 力 低 減 に よるシリンダライナとの 摩 擦 抵 抗 低 減,ピストンやコン ロッドの 軽 量 化 (Fig.14)による 往 復 慣 性 力 の 低 減 によ り, 往 復 回 転 系 の 機 械 抵 抗 を20% 低 減 した ⑵ 動 弁 系 :ローラフォロアの 採 用,カムリフトカーブの 最 適 化 によるバルブスプリング 荷 重 低 減,カムジャーナル 鏡 Fig.12 Dual S-VT Fig.13 Pumping Loss Reduction Fig.14 Light Weight Piston and Conrod 11
新 型 デミオのエンジン 技 術 No.29(2011) ⑷ 冷 却 系 : 冷 却 水 通 路 の 抵 抗 低 減 によりウォータポンプの 仕 事 を 低 減 した 上 で, 高 効 率 樹 脂 インペラの 採 用 により ウォータポンプの 効 率 を 改 善 し, 冷 却 系 の 機 械 抵 抗 を 27% 低 減 した ⑸ 補 機 駆 動 系 :ベルト 張 力 を 低 減 してもベルト 振 動 の 悪 化 を 抑 制 できる 最 適 補 機 配 置 を 採 用 した 上 で, 油 圧 式 オート テンショナの 採 用 によりベルト 振 動 時 のダンピング 性 を 高 めることでベルト 張 力 を 下 げ, 機 械 抵 抗 を13% 低 減 した ⑹ 潤 滑 系 :オイルポンプ 各 油 圧 デバイス 間 の 経 路 シンプ ル 化 による 圧 力 損 失 低 減 や, 各 油 圧 デバイスの 要 求 油 圧 の Min 化 を 行 った その 上 で, 国 内 メーカ 初 となる 油 圧 フィードバックと 電 子 制 御 油 圧 切 替 え 機 構 を 搭 載 したオイ ルポンプ(Fig.16)の 採 用 によりエンジンの 運 転 状 態 に 応 じて 必 要 な 油 圧 にコントロールすることで, 潤 滑 系 の 機 械 抵 抗 を57% 低 減 した 300Hz 近 傍 のサウンドを 際 立 たせるチューニングを 実 施 し, 軽 量 化 機 械 抵 抗 低 減 と 静 粛 性 の 両 立 を 実 現 した(Fig.20) Fig.15 Reduction in Mechanical Resistance(1,500rpm) Fig.16 Oil Pump with Oil Pressure Control System 上 記 の 技 術 により,エンジンの 燃 費 改 善 目 標 を 達 成 した (Fig.17) 5.エミッション 低 減 技 術 Fig.17 BSFC Curve HCは,エンジンおよびキャタリストが 低 温 時 にその 多 く が 排 出 されるため, 低 減 のためにはキャタリスト 早 期 昇 温 と その 活 性 開 始 前 のエンジンからのHC 排 出 量 抑 制 が 重 要 であ る 始 動 時 のHCを 低 減 するため,MHIを 用 いて 始 動 燃 圧 を 6MPaまで 上 昇 させて 燃 料 を 微 粒 化 すること(Fig.18)によ り, 始 動 時 のHC 排 出 を 約 半 分 に 低 減 した(Fig.19) 始 動 直 後 の 早 期 キャタ 昇 温 については, 点 火 時 期 リタードにより 排 気 ガス 温 度 を 上 昇 させる 方 法 が 知 られているが, 点 火 時 期 の リタードは,それに 伴 う 燃 焼 安 定 性 低 下 により 制 約 を 受 け る 本 エンジンでは, 直 噴 の 利 点 を 活 用 し,プラグ 周 りに 可 燃 混 合 気 を 形 成 し 弱 成 層 燃 焼 を 行 っている この 効 果 と, 高 圧 縮 比 化 による 燃 焼 安 定 性 向 上 効 果 により, 燃 焼 安 定 性 を 確 保 しながら 点 火 時 期 リタードによるガス 温 上 昇 を 実 現 した 6.エンジン 音 質 Fig.18 Relation between Fuel Pressure and Fuel Spray Dia 6.1 エンジンマウント 振 動 低 減 静 粛 かつ 加 速 時 のスポーティなエンジン 音 質 を 実 現 するため, Fig.19 Relation between Fuel Pressure and RawHC 12
No.29(2011) マ ツ ダ 技 報 1 軽 量 高 剛 性 構 造 系 :ロアブロック 構 造 採 用 により 主 軸 受 け 支 持 剛 性 とエンジンブロックねじり/ 横 曲 げ 剛 性 を 確 保 するとともに,パワープラント 変 形 の 節 位 置 の 最 適 化 チューニングを 実 施 し, 軽 量 化 と 振 動 レベル 低 減 を 両 立 さ せた(Fig.21) 2 クランクシャフトねじり 振 動 とパワープラント 構 造 系 の 共 振 による 振 動 レベルの 増 加 を 抑 制 するため,クランク 系 のねじり 振 動 周 波 数 とパワープラント 周 波 数 のチューニン グを 行 い,クランク 軸 細 軸 化 による 機 械 抵 抗 低 減 と 低 振 動 を 両 立 させた(Fig.22) Fig.20 Engine Vibration Level (Middle Frequency) at WOT (Measuring Point: bases of Engine Mounting Brackets) Fig.21 Tuning for Nodes of Power Plant Bending(PPB) 6.2 エンジン 放 射 音 低 減 更 に,CAEによる 最 適 化 解 析 により, 静 粛 性 に 寄 与 の 高 い1 1.5kHzのエンジン 放 射 音 低 減 と 軽 量 化 の 両 立 を 図 った 特 にローラフォロア 特 有 の 振 動 入 力 低 減 のため,カム 表 面 の 加 工 うねり 精 度 をローラフォロア 径 に 合 わせて 最 適 化 するこ とで,シリンダヘッドへの 振 動 入 力 を5 10dB 低 減 した ま た シ リ ン ダ ヘ ッ ド の 点 火 コ イ ル 穴 部 に ブ リ ッ ジ 構 造 (Fig.23)を 設 けることで, 主 要 な 振 動 伝 達 系 であるシリン ダヘッドのねじり 振 動 を1 2dB 低 減 した 7.まとめ Fig.22 Fig.22 Fig.23 Relation between PPB Frequency and Crank Shaft Torsional Vibration Frequency Stiffness Improvement Structure for Cylinder-Head サステイナブルZoom-Zoomを 具 現 化 するSKYACTIVエン ジンの 第 1 弾 である 新 開 発 1.3Lガソリンエンジンの 織 り 込 み 技 術 を 紹 介 してきた SKYACTIVエンジンは 今 後, 他 排 気 量 およびDEなどに 同 体 質 の 技 術 を 織 り 込 んだエンジンが 展 開 されてゆく 予 定 であり, 引 き 続 きこれらのエンジンで 走 る 喜 びと 優 れた 環 境 性 を 具 現 化 する 技 術 に 磨 きをかけるべく, 努 力 を 続 けてゆきたい 著 者 ⑴ ⑵ ⑶ 参 考 文 献 環 境 対 応 車 普 及 方 策 検 討 会 : 環 境 対 応 車 普 及 による CO 2 削 減 予 測, 環 境 対 応 車 普 及 戦 略,2010,p.129 西 田 正 美 ほか: 高 圧 縮 比 エンジンの 燃 費 改 善 技 術 につ いて, 第 21 回 内 燃 機 関 シンポジウム,p.539-544(2010) 山 川 正 尚 ほか: 高 圧 縮 比 ガソリンエンジンの 燃 焼 技 術 の 開 発 2011 年 5 月 18 日 自 動 車 技 術 会 春 季 学 術 講 演 会 において 発 表 13 富 澤 和 廣 松 尾 佳 朋 大 槻 健 室 谷 満 幸 後 藤 剛 上 月 正 志