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軽自動車用エンジンの低燃費化への取組み
軽自動車用エンジンの低燃費化への取組み 田中 竜司 （スズキ株式会社） 3．エンジン概要と主要諸元 1．はじめに 基本構造ではショートストロークだった従来型 K6A に対し， CO2 排出量削減の対応やガソリン価格の高騰から，自動車 新型 R06A は燃焼室をコンパクト化し冷却損失を低減できる の燃費向上が至上命題となっている．この命題に応えるため， [1] 軽自動車用に新型エンジン R06A を開発し，2011 年 1 月に新 ロングストロークに変更した．また，膨張行程でのピストン 型 MR ワゴンに初搭載した．2011 年 12 月にはアルトエコに， サイドフォースを低減するため，シリンダブロックのライナ 2012 年 9 月には新型ワゴンＲに，2013 年 2 月には新型スペー 中心とクランクシャフト軸心をずらすオフセットクランク構 シアに搭載した．2013 年 2 月のアルトエコマイナーチェンジ 造を採用した． 車では，ガソリン車トップ※1 となる JC08 モード燃費 33.0km/L 燃焼システムでは燃焼室冷却向上のために，軽自動車で初 を達成した．ここでは R06A のエンジン開発と, アルトエコマ となる細径 M10 ロングリーチ点火プラグ[2]を採用した．ポン イナーチェンジ車での燃費向上技術について解説する． ピングロス低減と低速トルク向上のために，NA では軽自動車 (※1 ハイブリッド車を除く．2013 年 2 月現在，スズキ調べ．) 初となる，吸気と排気，両側への可変バルブタイミング機構 (VVT) [3]を採用した．TC は吸気側にのみＶＶＴを採用した． 2．エンジン開発のねらいと概要 図 1 にエンジンの外観を，表 2 に新旧主要諸元比較を示す． R06A エンジンはスズキの軽自動車用４ストロークエンジ ンとして３代目にあたる．表１に示すように第一世代の F 型 は 1979 年に立上げ 20 数年にわたり生産された．第二世代の K 型は 1994 年に立上げ，現在も継続して生産中である．第三 世代であるＲ型の開発を始めるにあたっては，20 年間で 1,000 万台を生産することを念頭に置いて取り組んだ．すなわち 20 年先まで見越して商品力を維持すること，大量生産でのバラ ツキを考慮したうえでの品質確保，エンジン搭載方法（ＦＦ， ＦＲ）や使用環境（乗用，商用）などの多様性を考慮するこ と，低コストとすること，これらを高次元でバランスさせな ければならない．そこで R06A エンジンは燃費向上を最優先 図１．R06A エンジン外観 目標に掲げ，また１Ｌクラスのコンパクトカーに引けをとら 表２．新旧主要諸元比較 ない動力性能を有すること，コンパクトカーと同等以上の静 粛性，クラス最軽量を目標として開発した． 表１．スズキ軽自動車用４サイクルエンジンの変遷 1 Motor Ring No.36 2013 自動車技術会 http://www.jsae.or.jp/motorring/ ４．燃費向上技術 ５．エンジン改良項目 ＮＡエンジンを K6A から R06A（MR ワゴン搭載時仕様：4 新型 MR ワゴンに搭載した R06A には上述した項目が盛り 章での解説は全てこの仕様）に変更することで，熱効率向上 込まれている．これをベースにして，アルトエコマイナーチ により JC08 モード燃費が約 6%向上する．その内訳は，ノッ ェンジ車では，細部に渡り見直しを施した．本章では R06A キング抑止など燃焼改善により 2.5%向上，吸排気 VVT 採用 に追加した主要なエンジン改良項目を紹介する． でポンピング損失低減により 2.5%向上，細軸クランクシャフ 5.1．バルブトレイン・カムドライブ系 トなど部品細部に至るフリクション低減により 1%の向上で R06A エンジンの持つトルク特性と CVT との制御の最適化 ある． を行い，走行性能はそのままで，最高出力回転数を従来の R06A の正味燃料消費率(BSFC)について，従来型 K6A から 6,500rpm から 6,000rpm へと低回転化させた．これにより動弁 の向上率を図 2 に示す．高圧縮比化，燃焼改善，フリクショ 系の挙動限界を下げることができ，バルブスプリング荷重を ン低減によって低負荷では 10%を超える向上を得た．高負荷 25％低減した． ではノッキング抑止効果で向上率が高くなっている． また，バルブスプリング荷重の低減によりカムシャフト駆 動トルクが低減されたこととチェーンアジャスタ荷重の見直 しにより，チェーン張力を 3％低減した． タイミングチェーンは図 4 に示すようにプレートの厚さを 増加させリンクプレートの枚数を削減し，強度低下を最小に 抑えながら細幅化を達成した．その結果チェーンとチェーン ガイドとのフリクションを低減するとともに重量を軽減した． 図２．従来型からの燃料消費率向上(NA) 燃焼系の開発は，全運転領域での燃料利用率の向上，低負 荷と内部 EGR を多く筒内に残す中負荷での燃焼期間の短縮， 低回転速度高負荷でのノッキング抑止を重点に行なった． 筒内流動はタンブル流（縦方向の渦流）を強くしたほうが 低負荷や大量 EGR 下での燃焼には有利だが，高負荷ではノッ 図４．低フリクションタイミングチェーン キングが発生しやすくなる．また，吸気ポートは NA と TC で 5.2．主運動系 共通であり，高流量を維持したい．R06A では吸気ポート通路 ピストンスカート部の樹脂コーティングは，当初は均一に 断面積を絞ることで流動を強化するとともに，吸気バルブが 塗布していた．これをパターン形状に変更し，油膜の保持性 低リフト時にタンブル流が強くなる形状とした．図 3 は下死 を向上させてフリクションを低減した．パターン形状とする 点付近で吸気バルブが低リフトでもタンブル流を維持する流 ことで，ピストンスカート部のオイルの流れを制御する．エ れを形成していることを示した CFD 解析の結果である．吸気 ンジン運転時に油膜が薄くなるピストスカート中央部のオイ バルブが低リフト時には，シリンダボア壁面付近の流れが抑 ル保持量を増加させることでフリクションを低減した．ピス 制され，相対的にボア中央部の流れが強くなっていることが トンリング張力はさらに 5％下げ，フリクション低減を図った． わかる．特に吸気行程後半の低リフト時においてもタンブル クランクシャフトのジャーナルベアリングは，最高出力回 流を維持できる特徴がある．これが筒内のタンブル流強化の 転数の低下によりベアリングの負担が軽減したため，従来よ 源である． りも細幅化しジャーナル摺動部面積(ベアリング幅)を 10％低 減した．またクランクシャフトのジャーナルおよびピンの面 粗度を向上し，フリクション低減を図った． 5.3．オイルポンプ オイルポンプでは，図 5 に示すようにインナーロータの位 置決めガイドとなっているインロー部を廃止し，この部分で のフリクションを削除した．インナーロータの位置決めはク ランクシャフトで行う．またロータ自体のフリクションを低 減するため，ロータ外径を 5％縮小した． 図３．低バルブリフト時の流動強化 2 Motor Ring No.36 2013 自動車技術会 http://www.jsae.or.jp/motorring/ 図７．アルトエコマイナーチェンジ車 図５．オイルポンプ構造の改良 5.4．制御適合 VVTの制御は，通常の走行時には燃費優先とする設定とし ている．主に，吸気VVTの位相設定を見直し，シリンダ内の 掃気を促進するとともに，点火時期を進角し燃焼効率を高め ている．一方，運転者がアクセルを踏み込み高トルクを要求 した場合には，VVTの制御をトルク優先に切り換えることで 走行性能と燃費を両立させた．また，CVTの変速マップをエ ンジンの燃料消費率が優れる領域に適合させることで，車両 としての燃費性能を向上させた． 図８．燃費向上寄与率 ６．車両全体での燃費向上技術 新型ワゴン R より「スズキグリーン テクノロジー」を採 6.1．エンジン＆ＣＶＴの高効率化 エンジンを従来型 K6A から新型 R06A の改良版に変更し， 用している．「スズキグリーン テクノロジー」は環境技術， 低燃費化技術，軽量化技術の総称で，図 6 に示す項目で燃費 フリクション低減，高効率化を図る．CVT も改良版に変更し 向上を図っている．図７のアルトエコマイナーチェンジ車で 低粘度オイルを採用するなど，フリクションを低減している． はベース車両（2WD CVT アイドリングストップ有）の JC08 CVT の変速制御を見直し，パワートレーンとしてより効率の モード燃費 30.2km/L に対し，約 9％の向上となる 33.0km/L を 良い回転域で走行できるようにした． ※1 達成した．これはガソリン車トップの燃費値 である．図８ 6.2．新アイドリングストップシステム に燃費向上の寄与率を示す． （※1 ハイブリッド車を除く．2013 年 2 月現在，スズキ調べ．） 図９に新アイドリングストップシステムの作動状況を示す． 車両停止前の減速時に車速 13km/h までは燃料カットを行う． 従来はこの後一旦アイドリング状態になってから車速 9km/h 以下でアイドリングストップ（エンジン停止）していたが， 新アイドリングストップシステムでは速度が13km/h 以下にな るとエンジンを自動で停止するので，減速時のアイドリング 状態をなくすことで，減速時の不必要な燃料消費をゼロとし ている． 図６．スズキグリーン テクノロジー 図９．新アイドリングストップシステム 3 Motor Ring No.36 2013 自動車技術会 http://www.jsae.or.jp/motorring/ 6.3．エネチャージ 図１０にエネチャージの減速時と走行時の作動概念を示す． アイドリングストップ車専用の鉛バッテリーに加え，高効率 なリチウムイオンバッテリーと高効率・高出カのオルタネー ターを新たに採用し，燃料カット中の車両減速時に集中して 発電および充電をすることを可能とした．言い換えると，燃 料を使って走行している時にはできるだけ発電せずにエンジ ンに負担を掛けない，つまり発電のための燃料は使わないよ 図１１．車両の軽量化寄与率 うにしたものである． 6）走行抵抗低減 フロントハブ一体構造車軸ベアリングの採用に加え，リヤ 車軸ベアリングの構造見直しなどにより回転抵抗を低減する． また低転がりタイヤの採用や空力に優れたボディ形状とし， 走行抵抗低減を図る． ７．おわりに R06A を立上げ以降，休む間もなくエンジンの改良を続けて いる．ここ１～２年の各社燃費競争は益々勢いを増し，留ま るところを知らない．アルトエコでガソリン車トップの燃費 を達成したが，この記事が Web 上で公開される頃には他車に トップの座を奪われているかもしれない．まだまだ内燃機関 は発展途上であり，改良の余地が残されていることの証しに ほかならない．目下，内燃機関の基本に立ち戻り，如何にす ればさらなる燃費向上が果たせるか模索中である． なお本稿は公益社団法人自動車技術会発行の JSAE エンジ ンレビュー Vol.2 No.4[5] （http://www.jsae.or.jp/engine_rev/docu/enginereview_02_04.pdf） 図１０．エネチャージ に掲載された内容を元に，再編，加筆したものである． 6.4．エコクール 参 考 文 献 アイドリングストップ中，エアコンが停止し送風状態にな った時，蓄冷材を通した冷風を室内に送ることで車室内の温 [1] 田中竜司ほか：新世代軽自動車用 3 気筒ガソリンエンジン 度上昇を抑制する．エンジンの再始動時期を遅らせることで の開発，自動車技術会シンポジウムテキスト, No.12-10, p.17-22 燃料消費を抑える． (2011) 6.5．軽量化 [2] 島ノ上泰英ほか：高着火性細径スパークプラグの開発， 自動車技術会論文集, Vol.36, No.1, p.9-14 (2005) ボディ，エンジン，足回り，内装部品など，車両全体の細部 に渡り徹底した軽量化を施す．アルトエコマイナーチェンジ [3] 加納知広ほか：感性に合う快適な走り ZR エンジンの開 車での軽量化の寄与率は図１１に示すとおりであり，ボディ 発，Toyota Technical Review, Vol.55, No.1, p.90-93 (2006) と足回りで過半数を超える．車両全体では 20kg の軽量化を達 [4] 野口究ほか：4 弁エンジンの輝度解析によるノック特性の 成した． 考察，Suzuki Tech Rev., Vol.31, p.44-48 (2005) [5] 田中竜司：新型ワゴン R 用エンジンの紹介， JSAE Engine Review Vol.2. No.4 (2012) 4 Motor Ring No.36 2013 自動車技術会 http://www.jsae.or.jp/motorring/