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最高熱効率50%! 電動化全盛のなかで日産があえてエンジン技術を磨くワケ

2021.03.17 デイリーコラム

高効率状態に固定して運用

まず、最高熱効率50%を可能にした技術をおさらいしてみよう。今回日産が開発したのは、「STARC(Strong Tumble and Appropriately stretched Robust ignition Channel)」と呼ぶ燃焼コンセプトだ。同コンセプトは、シリンダー内に入った空気のタンブル(縦渦)を強化することに加え、プラグでの点火エネルギーを高めることで、薄い混合気を高い圧縮比で燃焼させることによって熱効率を向上させるというものだ。

この考え方自体はユニークなものではない。現代のエンジンの多くはポンピングロス(吸気損失)を減らすために大量EGR(排ガス再循環)を実施している。排ガスが多く混ざった混合気は希釈(薄く)されているため点火しにくく、また点火しても燃え広がりにくい。この燃えにくい混合気を素早く燃焼させるため、多くのエンジンでタンブルを強化し、点火エネルギーを上げている。しかし従来エンジンの場合、運転条件により変化する出力要求に対応するため、エンジンの中の混合気の流動状態も絶えず変化する。このため、常に最適な状態で燃焼させるのは難しい。

これに対して今回開発した技術は、エンジンを発電専用に使う「e-POWER」と組み合わせることで、エンジンを効率の高い条件に限定して運転することにより可能になった。例えば従来は、低負荷領域でスロットルバルブを閉じ気味にするためポンピングロスが大きくなり、熱効率が大きく低下していた。エンジンを発電専用として固定した条件で運転することができれば、こうした熱効率の低い条件で運転することがなくなり、常に燃焼効率の高い条件で運転することが可能になるため燃費が向上する。

日産が開発した最高熱効率50%を実現する実験エンジン。(写真=日産自動車)
日産が開発した最高熱効率50%を実現する実験エンジン。(写真=日産自動車)拡大
シリンダー内のタンブル(縦渦)を強化し、安定した放電状態を形成。(日産自動車の広報動画より)
シリンダー内のタンブル(縦渦)を強化し、安定した放電状態を形成。(日産自動車の広報動画より)拡大

従来の熱効率を大幅に上回る

今回の発表では、大量EGRを実施する場合で43%、さらに空燃比が理論空燃比(14.7)の2倍以上の希薄燃焼をする場合で46%という高い熱効率を、実験用多気筒エンジンで実証した。さらに、e-POWERに組み合わせる電池のエネルギー密度や出力密度が向上すれば、エンジンを完全に固定した条件で運転できるようになり、高負荷を考慮する必要がないのでコンロッドやクランクシャフト、ピストンリングなどもその条件に最適化して摩擦を減らせるほか、循環させる冷却水もその条件に最適化できるので冷却損失も減る。これに、廃熱を利用して発電する技術を組み合わせることで、熱効率50%が実現できることを確認したという。現在市販されているエンジンは最高でも41%程度なので、これを大幅に上回る数値だ。

最高熱効率の数字以上に意味があるのは、定点運転とすることで“常に”高い効率でエンジンを運転できることだ。というのも通常のエンジン車では広い運転領域をカバーするため、最高熱効率の条件で常に運転できるとは限らないからだ。これに対しe-POWERと組み合わせた発電専用エンジンなら、常に最高効率の条件で運転できる。つまり、実用上の効率は、最高熱効率の数字以上の差になって表れるということだ。

ただし、世界の完成車メーカーの中には英国のジャガーやスウェーデンのボルボのように向こう10年足らずですべての車種をEV(電気自動車)にすると表明するところもある。こうしたなかで、エンジン効率を磨き続けることに意味はあるのだろうか。

「e-POWER」ではエンジンがタイヤとつながっていないため、熱効率の高い領域で運転できる。(日産自動車の広報動画より)
「e-POWER」ではエンジンがタイヤとつながっていないため、熱効率の高い領域で運転できる。(日産自動車の広報動画より)拡大

EVと同等の環境負荷

日産も、2030年代のなるべく早い時期に、主要市場に投入する新型車をすべて電動車両とする目標を掲げている。その柱となるのはEVだけでなくe-POWERとの2本柱だ。確かにEVは排ガスを出さないという点では理想的だが、まだ世界には日本をはじめ火力発電を主力とする国は多く、そういった国では燃料の採掘から廃車までを考慮したLCA(Life Cycle Assesment)で、EVは必ずしも最適の解ではない。再生可能エネルギーの比率が拡大し、また充電インフラが普及するまでにはまだ時間がかかることを考えると、エンジンの効率を究極まで高めることは、当面の環境対策として意味があると日産は判断した。

日産によれば、エンジン効率を50%まで高めると、現在の日本の発電状況を考えればEVとe-POWER搭載車の環境負荷はLCAを考慮するとほぼ同等になるという。確かに今後、中国や欧州ではEVの急速な普及が見込まれるが、それ以外の地域では、当面エンジン車が主流の時代が続くとみられる。それにEVの普及に熱心な中国でさえ、2035年にEVとハイブリッド車(HEV)の比率をほぼ半々にすることを目標として掲げる。ジャガーやボルボのような高級車メーカーはEVに絞り込むことも可能だろうが、日産のように、幅広い車種を展開するメーカーは、多くのユーザーの要求にこたえなければならない。あえてエンジンを磨き続けるという日産の判断は、現実の世界を見据え、何が最適解なのかを熟考したものだといえるだろう。

(文=鶴原吉郎<オートインサイト>/編集=藤沢 勝)

エンジン効率を50%まで高めると、日本の発電状況ではEVとe-POWERのLCAで評価したCO2排出量がほぼ等しくなる。(日産自動車の広報動画より)
エンジン効率を50%まで高めると、日本の発電状況ではEVとe-POWERのLCAで評価したCO2排出量がほぼ等しくなる。(日産自動車の広報動画より)拡大
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