バイクTOP MCタイチTOP BBS

mctaichi Motorcycle
drz

バイクTOP(その他のメニュー)

クルマ・バイク工学

ディーゼルは何故燃費が良いのか?

○公開:2012-03-05 ○修正:2014-04-06

先の記事「ターボは燃費が良いのか悪いのか?」で、昨今のターボは直噴+高圧縮で低燃費を実現していると書いた。これを読んで気づいたと思うが、それは正にディーゼルエンジンのコンセプトだ。

そこで今回は、ディーゼルの燃費が良い理由をメインに、最後の方ではディーゼルでなく態々直噴ガソリンエンジンを開発する理由について説明する。先ずはガソリンとディーゼルの違いから。

ディーゼル機関とガソリン機関の違い

一般にガソリン機関と呼ばれているものは、混合気に火花で点火する機関であり、理論サイクルの分類としてはカルノーサイクルと呼ばれる。

一方、ディーゼル機関は圧縮空気に燃料を噴射して着火させる。理論サイクルの分類としてはそのままディーゼルサイクルだ。ただ、高回転になるとカルノーサイクル的な振る舞いも混じって来るので、これを分離してサバテサイクルと呼ぶ。

両者の違いはPV線図(P:圧力 V:体積)を見ると判りやすい。下図は右からオットー、ディーゼル、サバテのPV線図である(出展:熱機関講座)。尚スケールは揃ってないので、あくまで形状を見て欲しい。

オットーサイクルディーゼルサバテサイクル

左図のオットーサイクル(ガソリン機関)は、上死点で点火するので圧力が一気に上がっているのが判る。その後は断熱膨張でピストンを押し下げる。これは直噴エンジンであっても同じ。

一方、写真中央のディーゼルサイクルでは、圧縮行程は単なる断熱圧縮であり、空気の体積に反比例する形で圧力が上昇する。上死点で燃料噴射を行うと燃焼が始まり、定圧加熱で膨張したあと断熱膨張となる。

最後に、写真右のサバテサイクルでは、上死点でオットーサイクルと同様の定容加熱が行われ、その後少しだけ定圧加熱で膨張する。これは、ピストンが下がり始める前に燃料が着火するからだが、このほうが現実のディーゼルエンジンに近いと思う。特に昨今のディーゼル車はプレ噴射で予混合を行うので、殆どサバテサイクルではないだろうか?

ディーゼルの燃費が良い理由

それは大きく分けて次の通り;

  1. 圧縮比を高く出来、熱効率が良い
  2. ポンピングロスが少ない
  3. 冷間時や負荷急増時に余分に燃料を噴射する必要がない

では上から順に説明しよう。

圧縮比が高く理論熱効率が良い

ご存知の通り、ディーゼルは空気を圧縮してから燃料を噴く(直噴)ので、混合気を圧縮するガソリン機関のようなノッキングの心配がなく、圧縮比を高く出来る。

圧縮比が高いと言うことは、上のPV線図で言えば上死点の容積V2が小さいという事であり、圧力は反比例するので逆に高くなる。PV線図で囲まれた面積が広いほど、内燃機関は多くの仕事をしていることになるので、PV線図が左と上に伸びるということは、それだけ効率が良いということだ。厳密に言えば、ディーゼルは定圧加熱の領域で横に伸びるので更に仕事量が多くなる。

実際に市販のエンジンの圧縮比を見ると、ディーゼルはガソリンを圧倒する。主だったガソリンエンジンの圧縮比を列挙すると;

これに対してディーゼル車の圧縮比は;

という具合に、ディーゼルはターボ付きでありながら、ガソリン直噴 自然吸気より確実に高い圧縮比を誇る。これが自然吸気ならどんな圧縮比になるのやら。逆に、点火プラグを持たないディーゼルは、圧縮比を高めないと爆発しないとも言えるのだが。

ポンピングロスが少ない

ガソリンエンジンは、スロットルで混合気の流量を絞りパワーを調整する。例えば、スロットル全閉の場合、吸気経路が塞がれ吸気行程でピストンが下がっても空気を吸い出せず、シリンダ内は真空に近づき回転の抵抗になる。これが所謂エンジンブレーキ。

ではスロットルが半開の場合はというと、吸気経路が半分塞がれている。言ってみれば半分エンブレがかかっている訳だから、空気の流れが悪く回転の抵抗になっている。これが所謂ポンピングロスだ。

一方ディーゼルエンジンにはスロットルはなく、燃料の噴射量でパワーを調整する。導入する空気量は常に一定(全開)なので(燃料だけが薄くなる)、上述のポンピングロスが殆ど無い。これがディーゼルが省エネである理由の一つ。

因みに、以上の理由によりディーゼルエンジンはエンブレが効きにくい。このため大型車両では、摩擦ブレーキの負担を減らす目的で、排気管を閉じで意図的にポンピングロスを増やす排気ブレーキなどが装着される。

冷間時や負荷急増時に余分な燃料が必要ない

昔のキャブレター車(僕のDRZもそうだが)は、寒い朝はエンジンがかかりにくいので、チョークレバーを引いて燃料を多めに噴いてやる必要がある。電子制御燃料噴射装置(FI) でも、吸気温などを検知して同じ事を自動で行なっている。理由は、吸入気の温度が低い場合、燃料の全てが気化しないので、多めに噴射しないと必要な空燃比に達しないから。と言うことは、気化しなかった燃料は吸気管に付着して無駄になっている。

暖気が済んでも、アクセルを明け始めた時に同じような現象が起こる。空気量の増加に対して燃料の気化が直ぐには追従しないからだ。この為、やはり燃料を多めに噴いてやらないと、正しい空燃比に達せず息つきを起こしてしまう。勿論、この辺りの制御はキャブレターよりFIの方が賢く、燃料の無駄は少ない筈だ。しかし、アクセルの開け始めは燃料多めという原則には変わりない。よって、アクセル開閉の多い運転は燃費が悪くなる。

一方ディーゼルの場合は、始動時には燃焼室を予熱してやる必要があるが、一旦エンジンがかかれば余分に燃料を噴いてやる必要はない。吸気管と違って、燃焼室は最初から高温/高圧だからだ。アクセルの開け始めも、燃料をポート内で気化する必要がないため多めに噴いてやる必要はない。

ディーゼルの弱点

さて、ここまで書くと良いこと尽くめのように思えるディーゼルだが、勿論弱点もある。それは大体次の通り。

ディーゼルの騒音

ガソリンエンジンがうるさい場合は大抵マフラーがうるさいのであって^^; エンジン自体の騒音はさほど大きくない。ところがディーゼルは、独特のカラカラ音がエンジン内部から発生している。この原因は、高圧縮比によってシリンダ内の圧力が高いこと。そして、その圧力の上昇が急であるためである。

一見、火花で爆発させるガソリンエンジンの方が圧力が急上昇しそうだが、ディーゼルの場合は燃料を噴射してから爆発するまでに僅かに間があり(着火遅れ)、その後溜まった燃料が我慢しきれなくなって爆発するので、その方が圧力上昇が急激だという。この着火遅れは冷間時ほど大きくなるので、始動直後は更に騒音が大きくなる。

エンジンが重くなる

高いシリンダ内圧や、内圧の急上昇に耐えるため、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンより丈夫に作る必要があり重くなる。例えば、最新の高性能ガソリンエンジンのピストンは、僅かにサイドスカート部分だけ残して極限まで肉薄化されているが、ディーゼルのピストンは昔ながらの円筒形だ。

更に、こうした往復運動をする部品が重いということは、振動も大きいという事だ。直4であれば1次振動はキャンセルされるが、2次振動は大きくなる。従って、ディーゼル車はガソリン車より厳重に防音/防振対策をする必要がある。

NOxやPMを多く排出する

排ガスはディーゼルでもっとも深刻な問題であり、これが今後のディーゼルの運命を左右すると言っても良いだろう。

先ず、CO2は正しい燃焼によって生じるガスなので、燃料消費量に比例するだけだ。よって、燃費の良いディーゼルのCO2排出量は少ない。

ディーゼルの排ガスで問題になるのは、NOx(窒素酸化物)とPM(粒子状物質:殆どはスス)である

NOxは燃料の燃焼とは直接関係なく、大気中の窒素と酸素が高温で出会った時に発生する。右図は横軸をシリンダ内温度、縦軸を当量比(ストイキを1とし、その倍数で空燃比を示したもの)とし、NOxとPMの発生濃度分布を示したマップである(出展:大分大学の論文)。

空燃比を変化させた時、シリンダ内温度がどのように変化するかは、燃料噴射のタイミングにもよるが、一般的な条件では大体図のオレンジ線をたどる(僕が付け足した)。つまり、NOxの発生は空燃比がストイキ(理論空燃比)付近でピークを迎え、ススは逆に燃料が濃い領域で発生する。つまりNOxとPMはトレードオフの関係にある。

ディーゼルの空燃比はガソリンより全般的にリーン(燃料が薄い)なので、むしろPMの発生は少ないように思える。しかし、これはあくまでの平均値の話であり、ディーゼルの場合、噴射した燃料付近では非常にリッチで、そこから遠い場所では超リーン(殆ど空気)という状況。つまり、燃料の濃度も燃焼温度もシリンダ内の場所によって全く違うのだ。よって、NOxが発生しやすい箇所もPMが発生しやすい箇所も何処かにはある訳で、これがディーゼルの排ガスの原因になっている。

参考:いすゞの論文 NEDOの解説

高コスト

ここまで書いたように、丈夫なエンジンを作り、防振/防音対策をし、排ガスの後処理を行うため、ディーゼル車の価格は高くならざるを得ない。なので、一般にディーゼルのラインアップがあるのは、大型/高級車の場合が多い。後述する排ガス規制の強化を考えると、ハイブリッドの方が安上がりだとトヨタやホンダは考えているかも知れない。

最新クリーンディゼルの凄さ

日本ではここ15年以上ディーゼルの暗黒時代だったが、逆に欧州では急速な発展を見せた。今や西ヨーロッパ全体で乗用車の半数以上がディーゼル車であり、フランスに至ってはなんと8割近くがディーゼルという(ボッシュの解説)。モータースポーツでも ルマン24hはディーゼルでないと勝てないような状態だ(レギュレーションの絡みもあるだろうが)。

ディーゼルの革命:コモンレール式燃料噴射装置

このディーゼルの急速な発展の原動力となったのは、コモンレールシステムだといっても過言ではないだろう。これは、デンソーが90年代半ばに世界で初めて市販した電子制御の燃料噴射装置である。

それまでのディーゼルエンジンは機械式の燃料ポンプとインジェクタを使っていた。これは定期的に職人芸的なメンテナンスを必要とし、それを嫌った運送業者などがトラックから黒煙を吐き出すと言った事情があったらしい。

コモンレールは電気ポンプで燃料を加圧し電子弁で開け閉めするので、ガソリン車におけるフューエルインジェクション(FI)のようなものだ。それなのに、実用化がガソリン車より遥かに遅れてしまったのは、ケタ違いの燃料圧によるものだ。ガソリンエンジンの燃料圧は普通0.3MPa程度で、直噴ガソリンエンジンでもせいぜい12MPa程度なのに対し、コモンレールでは140~200MPa程度の高圧になるという(参考サイト)。

コモンレールのもう一つの特徴は多段噴射。上述の騒音やNOxの発生を抑えるために、最初に少しだけ燃料を噴射して予め局所的に混合気を作り出す。上死点前後の何ミリセカンドという極めて短い時間内に、なんと計5回も燃料を噴射しているのだ(→ボッシュの解説)。電磁弁を開閉するは可能だとしても、普通燃料はそれほど速く気化しないので、高速で開閉したところで意味がないだろう。そこで上述の、超高圧噴射が必要なのだと思う。

ターボを付けて更にお得

ディーゼルは直噴ガソリンと同様、ノッキングの心配が無いので、ターボと相性が良い。ターボは燃費が良いのか悪いのかで説明した通り、燃費が良くなるターボの条件をディーゼルは備えている。逆にターボ無しのディーゼルは、パワーに対して余りにも重いエンジンになってしまう。

また、ターボの弱点とされるのがターボラグ(加給遅れ)だが、これに対する最新のソリューションは可変ジオメトリターボ(VGターボ)だ。これは、タービンの周囲に小さなバタフライがいくつも付いていて、これを電気的に開け閉めする事で可変ノズルとなる仕組だ。排気流量が少ない場合は、吸入経路を絞ってタービンに当たる流速を上げ、ターボラグを抑えるのだ。

排ガス前処理の決め手EGR

EGR(排ガス再循環)は酸素が殆ど無い排ガスを新気と混ぜることで、吸気中の酸素濃度を減らしNOxの発生を抑える装置だ。酸素と同時に燃料も減らすから、シリンダ内の温度が全般的に下がり、NOxと同時にススも減らせる(右図)。

上述のようにディーゼルの燃料濃度は極めて不均一であり、燃焼に寄与しない酸素も多量にあるから、その一部がCO2等に置き換わっても問題ない。ただ、燃焼している部分では、酸素も燃料も少なくなると言うことは、当然パワーダウンする。かと言って、パワーを上げようと燃料を濃くするとPMが増加する。結局、NOxとPMのトレードオフは生きているのだ。

そこで、PMが増加しそうになるとVGターボのノズルを開いて加給圧を上げ、酸素を多めに供給するという制御がなされる。すると、吸気/排気の圧力差が減って、EGR導入量が減るという堂々巡りである。結局、運転状況に応じて細かな制御をすることで、こうしたトレードオフの最適化を行なっているのだろう。

因みにEGRは元々、三元触媒が実用化される前のガソリン車に採用されたが、ディーゼルへの採用は中々進まなかった。その原因は先ず、昔の硫黄分を含んだ軽油は酸素と混じってSO2を発生するが、これにEGRで排ガスを混ぜるとその中の水分がSO2と反応し、H2SO4つまり硫酸になってしまうのだ。なので昔は、ピストン上面の腐食が深刻な問題だったそうな。

次に構造的な問題として、ガソリンエンジンではスロットルを絞るので流速が高まり負圧でEGRを吸い出せるが、ディーゼルはスロットルがないので吸いだす力が弱い。更にターボを付ければ、吸気圧が排気圧より高くなってしまうので、排ガスを吸いだすどころか逆に押し戻されてしまう。これを防止するために、逆止弁を設け、VGターボのノズルを絞って背圧を高める。勿論、絞り過ぎるとタービンが回らずターボラグが生じるから、運転状況に応じた最適化制御が必要になる。

因みに、今日のガソリンエンジンにおけるEGRは、NOx低減よりもポンピングロスの低減が主目的になっている。部分負荷の時は、新気の量は変えずにEGRで排ガスを混ぜてやれば、スロットルを絞らずに(ポンピングロスを起こさずに)パワーを絞れるというわけだ。

排ガス後処理

コモンレールやVGターボ、そしてEGRによってかなりの排ガスを浄化できるようになったが、それでも昨今の排ガス規制をクリアするには、更に排ガスの後処理は必要なのだ。

先ず、PMの浄化にはDPF(ディーゼル微粒子フィルタ)が使われる。これはマフラーにフィルターを入れて一旦PMを吸着するのだが、そのままでは目詰まりを起こすので、その後燃焼させ浄化しなければならない。燃焼の方法は、1)排ガスの熱や燃料のポスト噴射で燃焼させる。2)2個のフィルターを切り替えながら電気ヒーターで燃焼させる。3)触媒を添加してPMを酸化させる。という方式があるが、どれも一長一短である。

NOxの後処理としては、先ず尿素SCRシステムが挙げられる。これはアンモニア(NH3)がNOxと化学反応すると窒素(N2)と水(H2O)になる原理を応用している。長所は、ポスト噴射などの燃費悪化要因がない事や、後述のNOx触媒のような排ガス温度や白金を必要としない事(低コスト)である。しかし、システム全体として大掛かりな上、尿素水を定期的に供給する必要があるなどの弱点がある。尚、メルセデス・ベンツのブルーテックは、この尿素還元システムの登録商標であるが、比較的大型の乗用車の他はトラックやバスなどに採用される。

一方、マフラーに装着するNOxトラップ触媒なら、尿素SCRのような大掛かりな装置は要らない。しかし、リーンバーン(酸素量が多い)のデーゼルでは、ガソリンエンジンのNOx触媒と違って一筋縄では行かない。どうするかというと、通常のリーバーン時にはNOxを一旦吸着しておいて、ある程度溜まったらリッチバーンに切り替え(余分に燃料を噴いて)、H2やHCと反応させてNOxを浄化するのだ。例としては、ホンダ式日産式などがある。

ただ、浄化効率は尿素SCRに較べて低いため、前処理段階でNOx量を抑制しておく必要がある。つまり、噴射タイミングの遅延やEGRの増量など、結果として燃費の悪化につながる対策を選択せざるを得ない。

ディーゼルの今後

以上のように、今日の(スーパー)クリーンディーゼルはハイテクディバイスのてんこ盛りだ。これらは勿論、ドライバビリティーにも寄与するが、大半は排ガス規制対応と言っても良いだろう。

急速に厳しくなる排ガス規制

下記は、日米欧のNOx及びPMの規制値の推移だ。

かつては、欧州ではNOxに甘く、日本はPMに甘かった事がわかる。しかし、両者とも最終的には94年当時より1桁も低い値に収斂させなければならない

特にNOxをEuro6レベルに抑えるためには、ベンツのように尿素還元システムを導入するか、日産やマツダのように圧縮比を下げる必要がありそうだ。圧縮比を下げるのは、大体15以下からNOxが減少するかららしい。なので、低圧縮比/高過給が今後のトレンドになりそうだ。結局、ガソリンエンジンが効率を求めてディーゼルに近づくと同時に、ディーゼルは排ガス浄化を求めてガソリンに近づいてしまうのだった。

何れにせよ、排ガス浄化のコストは価格に跳ね返る。一節によれば、ガソリンモデルとの価格差50万円では採算割れとも言われる。これでは、ハイブリッドの方が安上がりで、少なくとも日米においては商品性も高い。メルセデスのEクラスを買うような層が燃料代を気にするとは思えないし、「尿素水を積んだディーゼル」にエコやプレミアム性を見出せるのは、かなりマニアックなユーザーに限られるだろう。

こうした中、日系メーカーがディーゼル参入に二の足を踏むのもうなずける。欧州メーカーですらガソリン直噴にシフトしているように見えるし、日本のお家芸であるHVやEVも視野に入れている事を見ると、ディーゼルの未来は決して明るいとは思えない。

追伸;

  1. エクストレイルのカタログを貰って見たら、2.0ターボディーゼル仕様は、2.5Lガソリン仕様と50万円ほど差があった。因みに重量はディーゼルが150kgほど重い。
Tweet

Facebookアカウントでコメント