マツダの次世代エンジン「マツダ3に搭載スカイアクティブ-X」の詳細解説

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2018年11月に開催されたロサンゼルスモーターショーショー2018で、マツダは次世代商品群の先頭に立つ「マツダ3」のワールドプレミアを行なった。そこでは、セダンとハッチバックの量産向けデザインが明らかになったが、一方で詳細な諸元などは公表されなかった。

搭載エンジンはグローバルで、新たに冷却水制御、気筒休止システムを導入した「SKYACTIV-G 1.5」、「SKYACTIV-G 2.0」、「SKYACTIV-G 2.5」、「SKYACTIV-D 1.8」、そして新たに開発した「SKYACTIV-X」がラインアップされることが発表されたが、ボンネットが開けられることはなかった。

ロサンゼルス・オートショーでのマツダ3のワールドプレミア
ロサンゼルスモーターショー2018でのマツダ3のワールドプレミア

スカイアクティブ-Gシリーズは、今後、気筒休止システム、冷却水制御を採用することでより燃費性能を高め、これらの精密な制御は、いわばスカイアクティブ-Gの正常進化のための技術ともいえる。

一方、マツダの独自技術スカイアクティブ-Xに関してはまだまだ明らかになっていない部分が多い。これまで様々なイベントで展示、個々の技術要素に関する取材などを通し、いよいよ開発の終了時期を迎えるスカイアクティブ-Xエンジンの実像に迫ってみることにした。

ロサンゼルス・オートショーで発表されたマツダ3に搭載されるSKYACTIV-Xエンジンの最終仕様。スーパーチャージャー駆動用ベルトの取り回しが初期型と変更されている
ロサンゼルスモーターショー2018で発表されたマツダ3に搭載されるスカイアクティブ-Xエンジンの最終仕様。スーパーチャージャー駆動用ベルトの取り回しが初期型と変更されている

「スカイアクティブ-X」の基本原理

スカイアクティブ-Xエンジンは、SPARK CONTROLLED COMPRESSION IGNITION(SPCCI:火花点火制御圧縮着火)として発表された。長い間研究されている、理想のガソリンエンジンといわれるHCCI(予混合圧縮着火)は、名称通り点火プラグによる着火を使用せず、ディーゼルと同様にピストンによる圧縮によって自己着火させるシステムで、希薄燃焼が可能なため大幅に燃費を低減させることができる。

しかしHCCIは、希薄燃焼での自己着火が前提のため、急加速などでの高負荷運転ができない。常に理想空燃比での高負荷運転をしようとすると、その運転の切替が困難であることがわかっている。

スカイアクティブ-Xエンジンの構想発表時のイメージ図
スカイアクティブ-Xエンジンの構想発表時のイメージ図

こうしたHCCIの希薄燃焼(リーンバーン)コンセプトを活かしながら、高負荷運転へのスムーズな移行を目指して開発されたのがマツダのSPCCIで、希薄混合気を高圧縮しながらもスムーズに燃焼させるために、これまでのガソリンエンジンと同様に点火プラグを使用するシステムとした。

燃料が少なく、空気が多い希薄混合気の状態で高圧縮比にし、点火プラグの周辺にやや濃い目のガソリンを噴射して着火させ、その火種によって高圧縮された希薄な混合気を自己着火させるという燃焼行程がSPCCIのポイントだ。

この燃焼の流れは、燃焼室全体に希薄な混合気を圧縮すると同時に、点火プラグ周辺では着火しやすい混合気を部分的に作るので、成層燃焼方式とも言える。最終的には空燃比30(通常の理想空燃比の2倍の空気を使用=λ2)付近で燃焼させるため、燃焼温度が低く、燃焼室の壁面への熱伝達が少なくなって冷却損失が低下する。 また希薄燃焼のため、通常のエンジンより吸入空気量を増大させるためスロットルによる絞り損失(ポンプ損失)が低減するというのが基本原理だ。

ドライブプレートの上に装備されている水冷EGRクーラー
ドライブプレートの上に装備されている水冷EGRクーラー

ただし、スカイアクティブ-Xエンジンは低負荷時に希薄燃焼を行なうが、ガソリン量の30倍の空気を吸入するわけではなく、大量EGRも併用している。つまり希薄混合気は空気に排ガスが加わった状態だ。

排気マニホールドから再循環される排ガスは、EGRクーラーで冷却され吸入空気とともにガソリンと混合される。このEGRは燃焼温度を下げる役割を果たし、希薄燃焼時のNOxの発生を抑制する。つまりスカイアクティブ-Xエンジンは、吸入空気と大量のEGRにより希薄混合気を作り出しているのだ。

エンジンの真上にレイアウトされるコモンレール式直噴システム。4本の曲がった金属パイプが高圧デリバリーパイプ
エンジンの真上にレイアウトされるコモンレール式直噴システム。4本の曲がった金属パイプが高圧デリバリーパイプ

またスカイアクティブ-Xの大きな特長として、高圧のコモンレール式ガソリン噴射システムを装備していることも注目点だ。噴射圧500Bar~800Barで、通常の直噴ガソリン用が200Bar程度だから、相当に高圧だ。

高圧燃料噴射、多段噴射による燃焼の制御
高圧燃料噴射、多段噴射による燃焼の制御

また、インジェクターの位置は燃焼室の頂点にあり、噴射方式としてはスプレーガイド式。従来は燃焼室の側面にインジェクターを配置していたが、SKYACTIV-Xは燃焼室の真上から噴射する。そして点火プラグは燃焼室の斜め側面にあり、その点火プラグの着火点に向かって噴射するようなレイアウトになっている。またインジェクターは多段噴射を行ない、希薄燃焼をコントロールするようになっている。

エンジンの手前側に4個の黒いダイレクト点火用イグナイター、エンジン直上に直噴デリバリーパイプが見える
エンジンの手前側に4個の黒いダイレクト点火用イグナイター、エンジン直上に直噴デリバリーパイプが見える

The Mortor Weekly

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