メーカー別 ダウンサイジング考 マツダ編

かなり間が空きましたがシリーズ4回目です。
今回は一つのエンジンではなく、マツダの世界戦略機であるスカイアクティブのガソリンエンジン、SKYACTIV-Gの特徴を紹介したいと思います。

で、いきなりなんですが、このスカイアクティブは「ダウンサイジングエンジン」ではありません。
現状、マツダというメーカーはダウンサイジングに否定的です。
しかし、それにもれっきとした理由があるわけで、マツダのダウンサイジングに対する考え方を紹介するという事で、このシリーズに組み込んでみました。

SKYACTIV-Gの特徴はなんといっても14.0という超高圧縮比です。
通常のエンジンでは圧縮比＝膨張比ですから、より効率の良いエンジンにしたければ、圧縮比は高い方がいい事になります。
しかし、圧縮比を上げすぎると混合気（直噴の場合は空気）が高温になりすぎて、プラグに火花を飛ばして点火する前に勝手に燃えだすプリイグニッションという現象や、点火後に（本来一番最後に燃えるべき）シリンダー壁面周辺の混合気が圧力や温度に負けて発火するノッキングの原因となります。
プリイグニッションやノッキングによる燃焼は、プラグによって制御された燃焼とは違ってデタラメで急速な燃焼になり、立て続けに起こるとシリンダー内の圧力・温度が急上昇して、最悪の場合ピストンが溶けたり、コンロッドが折れる等の深刻なダメージをエンジンに与えてしまいます。
このため、多くのメーカーは高圧縮比化以外の方法で高効率化を図ってきました。

しかしマツダは「他のメーカーがやっていない事、避けている事をクリアしないと生き残れない」と判断したようです。

高圧縮比にすると異常燃焼が起こる。
そこでやめるのではなく、「じゃあどうすれば異常燃焼を防げるのか？」と考えた。
異常燃焼を防ぐには最高燃焼温度を下げる事と燃焼速度を速くする事が重要だ。
まずは燃焼後の排ガスをシリンダー内からしっかり追い出してやる（掃気）。

マツダのサイトには、シリンダー内に排ガスが10%残っていると、圧縮前のシリンダー内の温度は約70℃上昇、圧縮上死点では約160℃も上昇する。仮に残留ガスを8% から4% に半減すれば、圧縮比を3 上げても、圧縮上死点温度は同じ―――と書いてあります。
その為にSKYACTIV-Gは排気干渉が少ない4-2-1の長い排気管を採用し、常に最適なバルブオーバーラップが得られるよう、吸排気とも可変バルタイを装備しています。

次に燃焼速度を確保する為に、シリンダー内により強い渦流を起こす。
また、燃焼室に火炎伝播を邪魔する物が無い事も重要である。
その為にポート形状やピストン冠面を一から設計した。
圧縮比を上げる為にはピストンの冠面を盛り上げたい、しかし単純に盛り上げただけでは、プラグとピストン冠面が近くなってしまい、点火直後のこれから伝播していこうとする火炎が冠面によって冷却されてしまう。
そこでピストン冠面にキャビティ（窪み）を設けた。
今までのエンジンとの決定的な違いは、「燃焼室の形状（体積）はピストンの移動によって時間と共に変化する」点に着目したことだろう。
燃焼の初期、プラグを中心として球状に広がる火炎はキャビティのおかげで冠面に触れることなく広がっていく。
その間にピストンは下降を始め、火炎の直径が大きくなるのとピストン冠面の移動が連動するように設計されているという事だ。

まとめると、SKYACTIV-Gというエンジンは「ほぼ完全な掃気によって新気を吸い込み、そこに直噴でガソリンを吹き、キャビティ内で初期火炎を育て、その火炎がピストンに触れないように燃え広がる」エンジンなのだ。
特別な事なんか何もしていない。
当たり前の事を当たり前にやっただけである。

――高圧縮比化するとトルクが落ちる。燃費も伸びない。これ以上努力しても意味ないと思って止めてしまう。だけど、理屈上上がるものは必ず上がるんです。圧縮比が上がれば燃焼は凄く遅くなる。ならば、燃焼速度を確保すれば燃費が良くなるに決まっている。そう思えば、良くなるんです。

　　　　　　　　マツダ株式会社　パワートレイン開発本部　本部長　人見光夫



重箱の隅はまだまだつつける。だからダウンサイジングなんかやる必要はない。
過給器で空気を詰め込んだところにちょっとだけ燃料吹いてリーンバーンさせるんだったら、大きい排気量のNAエンジンで同じ事やった方が燃費良いでしょ？
というのがダウンサイジングに対するマツダの答えである。
う～ん、勉強になるなぁ。