ダウンサイジングターボとSKYACTIV-Gを比較してみた

CX-5で22km/Lまで行ったよ!という話をGolf Touranに乗る友達にしたら、「おーすごいな、ダウンサイジングターボくらい燃費がいいな」と言われました。そういえば、いまさらながらですが、Golf (Touran)をはじめとするダウンサイジングターボ(以下、DSターボ)は人の燃費がとても良いみたいですね。Touranで20km/L越えという話も良く聞きます。

で、SKYACTIVとDSターボを色々比較したくなり、調べてみました。比較と言いながらSKYACTIV偏重な内容になっていますが。

DSターボはVWを始めとする数多のメーカーが採用する方式です。車格に比べて小さなエンジンを搭載し、不足するパワーをスーパーチャージャーやターボなどの過給器で補い、さらに燃料を筒内直接噴射とすることで対ノック性の向上とともに高圧縮比化を実現する手法です。

ガソリンエンジンは基本的に高負荷であるほうが燃費が良い傾向があります。車格に比べて小さなエンジンを搭載し、車格に見合ったエンジンが搭載された車と同じように走行すれば、当然、エンジンは高負荷となります。ですから燃費が良くなります。また、エンジンそのものが小さいことによる軽量化や、摩擦損失の低減という面からも燃費向上効果が期待できます。

日本のメーカーは日本の国内道路事情に最適化したトランスミッション(CVT)を搭載したり、ハイブリッド化を進めることによって燃費向上を進めてきましたが、内燃機関そのものの効率向上にはそこまで積極的な姿勢を見せませんでした。最近になって、日産(ノート)、スバル(レヴォーグ)、ホンダ(ステップワゴン)が相次いでダウンサイジングターボモデルを投入し、トヨタにおいても新型オーリスにてDSターボモデルを投入という流れになっています。結局、日本メーカーもそのほとんどが欧州車にならう形となりました。

自然吸気にこだわっていたホンダ(ずいぶん前の話ですが)までもがDSターボを導入する一方で、SKYACTIV以降はターボを導入せずにひたすら高効率エンジンの技術開発を進めているのがマツダです。マツダのパワートレイン開発本部長としてSKYACTIVエンジンの指揮をとった人見光男氏はDSターボの導入には否定的です。

※ディーゼルターボは別です。スロットルバルブを持たずに燃料噴射量でエンジン負荷を調整するディーゼルエンジンでは、過給器が無いと出力調整の幅が狭まってしまうためです。乗用車用のディーゼルエンジンにターボが付くのは当たり前と言っても過言ではないかも知れません。

マツダのSKYACTIVエンジンをはじめとするSKYACTIV技術は業績をV字回復させ、ユーザー評価も一気に高め、市場の評価も上々で、レビュー記事は右倣えでマツダ賛美です。

結局、ネット上の各種記事では定性的な話しか述べられず、DSターボとSKYACTIVエンジンはどっちがどの程度有利なのかという話が分かりません。今回はそれを調べてみました。

…が、値がわかるデータがほとんどありません。マツダが公開しているほとんどのグラフには軸に目盛りが振っておらず、結局定性的なことしか分かりませんでした。しかしそれでも相対的にどうなのか、というあたりは何となく分かる資料がありました。

以降、多少専門的な話が続きますが、私はただのプログラマであって人生のうちで内燃機関について勉強したことはありません。つまり素人の記述なので間違いも含まれていると思われますので、せいぜい「お話し」程度で読んでいただけると良いかと思います。

SKYACTIVエンジンは何がすごいのか

まずはSKYACTIVエンジンとは何だったのかおさらいしましょう。以下が専門知識が無くとも比較的読みやすいと思われます。

高圧縮比高効率ガソリンエンジン - 機械振興協会

高効率エンジンの開発は、まず低減すべき損失と、その損失を制御できる因子を抽出するところから始まりました。

ガソリンエンジンの効率は図から分かるように圧縮比14.5程度までは比例して大きくなります。圧縮比を向上させるためにミラーサイクルエンジンという、バルブを遅めに閉じることで吸入気を逆流させ、圧縮行程よりも膨張行程を長くとる手法を使っています。

ただ圧縮比が高くなるほどノッキングと呼ばれる現象が発生しやすくなります。これは、圧縮された混合気が意図しないタイミングで自己着火してしまう現象です。これを防ぐためにシリンダ内に直接燃料を噴霧するマルチホールインジェクターと呼ばれる機構を装備しています。これは燃料を広い領域に噴霧することで効率的に気化熱を奪って温度を下げ、耐ノック性を向上させています。そのほか、燃焼速度を改善させるために最適なピストンヘッド形状を形成したそうです。

ポンピング損失を減らしたり理想的な空燃比(酸素と燃料の比率)するためにはEGR(Exhaust Gas Re-circulation)という方法を使っています。これは簡単に言えば排気ガスの一部を吸気に流入させる手法です。こうすることで酸素の量を薄くすることができます。それで何が嬉しいのかというと、まず、燃焼温度が下がるためNOxの排出量が小さくなります(ガソリンエンジンというよりはディーゼルエンジンで重要になってきます)。次に燃焼したエネルギーが熱として放射や冷却によって失われるのも多少は防ぐことができます。さらに、排ガスを吸気側に混ぜることで吸入側の負圧を和らげることができ、ポンプ損失(吸排気を行うときの抵抗)を小さくすることができます。

SKYACTIV-GエンジンではEGRで循環する排気を冷却するクールドEGRというものを採用しています。これによって吸気温度を低下させます(耐ノック性向上、高効率化)。

そのほか、アテンザ、アクセラ、CX-5に搭載されるSKYACTIV-Gエンジンでは4-2-1排気管というシリンダ間の排気圧力が干渉しにくいような形状をした排気管を使用することでで掃気効率(燃焼後のガスがシリンダ外へ放出される割合)を高め、これも 燃焼温度の低下に寄与しています。

…と、まあ、ずらずらと書いてきましたが、実はミラーサイクルもクールドEGRも直噴も多くの車種で実装されている仕組みです。ではなぜSKYACTIV-Gだけがこれほど評価されるのかと言えば、それらの仕組みを導入したうえで、シミュレーションや試験を何度も重ねて制御可能な因子を少しずつ最適化していったからでしょう。これは血のにじむような努力が必要だったことは想像に難くありません。実際、EGRや直噴、ミラーサイクルを導入しているからと言って圧縮比14を超えるエンジンが開発できたメーカーはマツダ以外にありません(たぶん。私の知る限り)。

低負荷で強いダウンサイジングターボ、中高負荷で強いSKYACTIV

では、このSKYACTIVエンジンというのはダウンサイジングターボとくらべてどうなのでしょう。まずは、マツダの言い分を調べてみました。

 マツダ技報 No.31 新型アクセラ/Mazda 3 の紹介(2013)

近年の欧州市場で増加している「ダウンサイジングターボ(以下D/Sターボ)」は、エンジン排気量を小さくして低負荷領域での燃費向上を図ると共に、高負荷領域においては過給器により駆動力を確保するコンセプトのエンジンである。このタイプのエンジンは、走行条件によって実用燃費が大きく変わるという特徴がある。

これに対しマツダのSKYACTIV-Gは、マツダが目指す人馬一体感の実現のために、あくまでもターボラグの無い自然吸気エンジンにこだわり、1サイズ大きな排気量を選定し十分なトルクを確保したうえで、ギアを高速化して走りと燃費の最適化を図るという、”ライトサイジングコンセプト”を採用している。特に燃費性能では、高圧縮比と高効率燃焼による中高負荷域の燃費優位性を維持しつつ、低負荷領域に対しても徹底した機械抵抗低減とポンピングロス低減を行うことにより、ほぼ全域でD/Sターボを凌駕する燃費性能を実現した(Fig. 6)。

…ごめんなさい、定量的なと言いつつもこのグラフには軸が無いですね。でも公開されている資料が少ないんです。私が調べた中で分かった唯一のDSターボとの比較ができるグラフがこれでした。

縦軸はBSFC(Brake Specific Fuel Consumption)[g/kWh]、横軸は出力(馬力)[kW]ですね(いや、BMEP(Brake Mean Effective Pressure)かな?)。馬力が出て居ない領域、すなわち低負荷領域ではダウンサイジングターボの方がSKYACTIVよりも優位ですが、その他の領域では全域にわたってダウンサイジングターボを凌駕しています。なるほど、これを見るとダウンサイジングターボよりもSKYACTIVの方が優位に感じられます。

横軸に値が書いてないので良くわかりませんが、ダウンサイジングターボがSKYACTIVの燃費性能を上回るシーンというのは、軽負荷領域に限られます。すなわち、流れの良い一般道で巡航するようなシーンや、渋滞で10km/hとか20km/hとかでたらたらと走行するようなシーンがそれにあたるでしょうか。ここで、「負荷」とは速度とは無関係であることに注意ください。

誤解を恐れずに言えば、負荷はアクセルの踏み具合にほぼ比例します。OBD-2コネクタから情報を読み取って表示するような何かの機器を持っている人は「エンジン負荷率」「Engine Load」などと書いている値を見てみるとよいでしょう。

これに関しては人見氏も

マツダ人見執行役員、ダウンサイズせずにSKYACTIV-Gの燃費向上図る

「過給ダウンサイジングするとエンジンが小さくなるので(平坦路を一定速で走行するような)軽負荷時の燃費は良い」としながらも、「しかし圧縮比が一番効くのは(アクセルを踏み込む)中高負荷時で、この部分はSKYACTIV-Gが負けることはない」と強調する。

と述べています。

マツダ以外の評価

以上が簡単ですが、マツダの言い分です。軽負荷領域では負けるが、それ以外の領域ではSKYACTIVはDSターボに負けない。以上。おしまい。

…ではつまらないですよね。マツダの人が言ってることを鵜呑みにはしたくないですよね。マツダじゃない誰かのSKYACTIVの評価を聞きたいですよね。できればダウンサイジングを推し進めるメーカーのSKYACTIVと比較した時のアドバンテージが宣伝されているような資料があればよかったのですが、そういうのは見つかりませんでした。で、せめてSKYACTIVを中立的な視点で述べているサイトはないかと調べたところ、以下が参考になりそうでした。

SKYACTIV-Gエンジンとは何か | Eine bequeme Reise

SKYACTIV-G 2.0は今までと何が違うのか。 | 下駄グルマの備忘録

上記2記事から要点を抽出すると以下の通りになります。

  • 圧縮率が高くなる(ミラーサイクルになる)のは部分負荷時のみ
  • 高負荷領域では圧縮比>膨張比となる(←オットーサイクルと言ってよいのか?)
  • ゆえに、低燃費と高出力が同時に実現することは無い
  • 斬新なノック対策は導入されていない
  • 高負荷時は部分負荷時ほど燃料消費率は良くない
  • しかし高負荷時は燃料をリッチにもしていないしリタードも使っていない(by開発者
  • 上記発言は燃料消費率のデータと矛盾する

どういう事か詳しく考えて行きましょう。

圧縮率が高くなるのは部分負荷時のみである。これは理解が容易です。バルブ遅閉じで実際に圧縮する吸気量を少なくするということはつまり、シリンダ容積よりも少ない空気を燃焼するという事すから、たとえば2Lエンジンであっても従来の全域オットーサイクルによる2Lエンジンほどは出力がでないということです。もっとわかり易く言えば排気量を意図的に減らしているような感じでしょうか。2Lのシリンダ容積があっても、たとえば1.6L分しか燃焼させてない、というような(値は適当です)。

ただ、スペック表に書かれた排気量が2.0Lでありながら実際のトルクは1.6Lエンジン程度しか出ません、ではユーザーは納得しません。ですから、高負荷領域ではトルクを稼ぐために通常のオットーサイクル運転を行います

※例えばプリウスは1.8Lエンジンでありながら最高出力90psとかなり小さな出力となっています。これは、不足したパワーをモーターによって補えるからです。なので、プリウスはミラーサイクルを行う領域を広げてより燃費性能を向上させることができました。ただ、3代目は高速巡航性能を求めた結果、トルクがもっと必要になったため、耐ノック性能を確保するためにクールドEGRを導入したそうです(下駄グルマの備忘録)。へー。この経緯は知りませんでした。

 しかしながら悩ましいのは、オットーサイクルにしてミラーサイクル時よりもより多くの空気を圧縮するとノッキングが発生しやすくなります。なので、点火時期を遅らせることで圧縮比を下げているとのこと(圧縮行程のピストンが上死点に達した後、しばらくしてから点火させてやる。機体が膨張すれば温度が下がる)。膨張比が下がれば当然ながら燃費は落ちます。つまり、高負荷時でもノッキングを避けるためになにかトリッキーな方法を使っているわけではないという事ですね。

以上を一言で言えば、高負荷時は部分負荷時ほど燃費が良くないという事です。下記をご覧ください。

image from 内燃機関の将来展望

これはほかならぬ人見氏のスライドですが、BMEP 700kPaあたりから急激にガソリン消費量が増加する傾向が見て取れます。ここでもう一度マツダ技報のグラフを見てみましょう。

image from  マツダ技報 No.31 新型アクセラ/Mazda 3 の紹介(2013)

横軸が本グラフは馬力(本当か?)となっているので単純な比較はできないのですが、先ほどのBSFC vs BMEPのグラフの形を見ると、なんとなく右端が意図的にカットされているようにも思えなくもないです…。マツダはいつだったかトルクカーブをフラットに見せようと横軸の一部を引き延ばした図を公開したことがありましたからね。マツダに限らず、どのメーカーもこういうグラフの小細工をよく行っているようですが、やめていただきたいです。

「高負荷時は燃料をリッチにもしていないしリタードも使っていない」が矛盾している、というのはどういうことでしょうか。まずはResponseの記事から開発者の言を引用します。

「そうなんです。高負荷の領域ではきっちりと圧縮比13の状態で走らせています。確かに軽負荷の状態ではミラーサイクルを使うことでポンピングロスを減らして燃費を向上させています。高負荷になったらノッキングしないように点火をリタード(遅角)させているんじゃないか、とおっしゃる方もいますが、それは使っていません」。

「最大トルクを追うだけなら簡単なんですが、スカイアクティブではそこで燃料をリッチにせずに達成させることに、こだわりました。でも、圧縮比が高い状態で燃料を薄くするとノッキングを起しやすいので大変なんです。普通は燃料を濃くすることで燃焼室を冷却するんですが、そこは4-2-1のエキゾーストマニホールドで、排気ガスのスカベンジ(吸引)効果を利用することで燃焼室内の熱い燃焼ガスを吸い出し、その分新しい空気を入れることで対策しました」。

リタード(retard)というのは遅くするという意味で、つまり点火時期を遅らせる(膨張比を下げる)ということです。点火時期を遅らせることも燃料をリッチにする(昔の燃費の悪いターボと同じように燃料を余計に噴射して温度を下げる)こともしていない。ならば、高負荷域で燃料消費率が上昇するのはおかしい、と、こういう事だそうです。

でも、燃料消費率が高負荷域で悪いというのは開発時資料を参考にしたからでは?市販のエンジンはそうなっていないのでは?という思いもありましたが、それも違うようです。同2記事では下記のような面白い資料が紹介されていました。ADAC(ドイツ自動車連盟)が公開する自動車評価ですね。

image from ADAC Autotest

ドイツ語なので訳を書いておきました(ここで、「郊外路」と書いているのは直訳では「田舎の道」でした。ちょっと不適切な訳だったかもしれません)。

これはCX-5(ガソリン)の燃料消費量と、ディーゼル車、ガソリン車の平均を比較したグラフです。ガソリン車(B)と比較すると圧倒的に低燃費であることが分かりますが、ここでディーゼル(D)に注目してください。市街地ではディーゼルをしのぐ燃費を達成し、郊外でもディーゼルと同じ燃料消費量です。これは凄い事ではありますが、しかし、制限速度が無く、高速度巡航が行われるオートバーン(アウトバーン)に限ってはディーゼルよりも燃費は悪くなっています。この結果は先の「高負荷時には燃料消費率が悪くなる」と合致するように思えます。

なので、やはり「点火時期リタードもリッチにすることもしていない」というよりは「点火時期リタード(もしくはリッチ、もしくはその併用)をしているので高負荷時は燃費が悪い」が正しいのではないかと思うのですがいかがでしょうか。

…と、以上、SKYACTIVガソリンエンジンについて調べた結果です。各種記事や技報に掲載されているマツダの言からすれば「DSターボよりは低負荷領域以外では負けることが無い」ということですが、BSFC vs BMEPのグラフや点火時期などを調べていくと高負荷領域では燃費が悪くなります。両者は矛盾しませんが(高負荷領域で燃費が悪かろうともDSターボよりはマシというパターン)、「点火時期リタードやリッチにしたりはしていない」などという矛盾のある発言などもあり、いまいち信憑性に欠ける気がします。

定量的に調べたいと思ったのですが、結局定性的なことしか分かりませんでしたね。

結局DCターボとSKYACTIVどっちが良いのか

ここで、もう一度マツダの技報を読んでみましょう。

マツダのSKYACTIV-Gは、マツダが目指す人馬一体感の実現のために、あくまでもターボラグの無い自然吸気エンジンにこだわり、1サイズ大きな排気量を選定し十分なトルクを確保したうえで、ギアを高速化して走りと燃費の最適化を図る

マツダが目指しているのは燃費性能の追求ではなく、まず「人馬一体感」ありきで、そのうえで走りと燃費の最適化を図ることだそうです。つまり、「燃費が良いけどトルクも細いし面白くねえな」という車ではなくて、「これだけ走りが楽しいのに燃費もそんなに悪くないじゃん」というあたりを目指している、というふうに聞こえます。

なので、「燃費が良いからSKYACTIVを買う」という考えだと、もしかしたら後悔するかもしれませんね。反対に、プリウスからCX-5に乗り換えた私のように「燃費はある程度犠牲にしていいから走りの楽しさがもっとほしい」と考える人には適しているかもしれません。

車にとってエンジンは心臓とも言うべき重要な部分ではありますが、心臓のみで成り立つ生物もいません。結局は上記のようなことを加味したうえで、個々の車種を比較するというのが常識的でしょう。DSターボであれSKYACTIVであれ、自分が乗りたいと思った車に乗ればいいという事だと思います。

SKYACTIV-Gで燃費を伸ばすにはどうしたら良いのか

高負荷時に燃費が悪くなるのならば、シフトを下げて回した方が燃費が良くなるのか・・・?という気がしますが、どうなんでしょう。

SKYACTIV-G 2.0は今までと何が違うのか。」の記事では以下のように書かれています。

オットーサイクル運転域ではたぶん高圧縮比による(ノック対策による)燃費への背反はあるでしょう。しかしここでのBSFCがハチャメチャに悪かったら、従来のMT乗りのセオリーを覆す(ホールドギヤで踏込むより、シフトダウンしてパーシャルスロットルのほうが燃費が良い)ことになりMTをラインナップに残すことは難しかったと思います。電子スロットルでノックゾーンに入らない様に負荷率を制御する事も出来ますが、MTでは「排気量の割に力が無い」という事が丸わかりになってしまうのでそれも困難でしょう。

私はこれは納得のいく説明です。つまり高負荷域では燃費が悪いだろうけど、ドライバーが明らかに感じ取れるほど悪いわけではないのではないかという事ですね。特にAT車に乗って(ATモードで走って)いる場合はもううまいこと制御してくれるでしょうから、余計なことを考えず普通に運転するのが良さそうです。せっかくi-DMがあるのですから、これを見てランプがなるべく緑色になるように走ればよいでしょう。