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●5年間で熱効率50%達成なるか
科学技術振興機構(JST)は6月1日、内閣府主導の国家プロジェクト「戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)」の課題のひとつである「革新的燃焼技術」に関する説明会を、神奈川県横浜市にある小野測器テクニカルセンターにて開催した。

近年、自動車の電動化に関する研究開発が積極的に進められている印象があるが、実は30年後も世界の自動車の半数以上は、内燃機関を使用するものと考えられている。このため、二酸化炭素排出量と石油消費量を削減するために、内燃機関の熱効率向上を図っていく必要がある。

この課題に対し、2014年度から実施されているSIP「革新的燃焼技術」では、最大熱効率50%を実現するため、「ガソリン燃焼チーム」「ディーゼル燃焼チーム」「損失低減チーム」「制御チーム」の約80大学からなる4チームが連携しながら、研究開発を進めている。

内閣府総合科学技術・イノベーション会議常勤議員 久間和生氏は、説明会冒頭でSIPについて「我が国の産業と社会にとって成功させなければならない重点課題。現在、11課題を推進しているが、各課題ともプログラムディレクターのリーダーシップのもと、基礎研究から事業化までを一気通貫で行うことを目的としている。基盤技術の蓄積や人材育成は当たり前。研究成果の実用化、新事業の創出が必須である」と説明。

特に、「革新的燃焼技術」は年間約20億円、5年間で約100億円の予算が配分されている。久間氏は、「この開発投資予算に見合った利益を期待している。また、4つの研究拠点を、プログラム終了後にどう持続・発展させていくかについても検討してほしい」と関係者らを激励した。

同プログラムでは、過去40年間かけて10%ほど向上した熱効率を、5年間でさらに10%引き上げなければならない。この目標を達成するにあたっては多くの課題がある。そこで同プログラムでは、自動車会社9社と2団体からなる「自動車用内燃機関技術研究組合(AICE)」と連携協定を組むことにより、「産産学学連携体制の構築」を目標に掲げ、早稲田大学西早稲田キャンパスおよび東京大学本郷キャンパス、堀場製作所本社工場、小野測器テクニカルセンターの4カ所のオープンラボを拠点に、研究開発を進めている。

この4カ所の研究拠点について、同プログラムディレクターのトヨタ自動車 常務理事 杉山雅則氏は、「エンジンは高価で安全性の問題もあるが、4つのオープンラボでは最新のものを安全に使うことができる。またデータの共通化がなされているため、産学が持ち寄って議論することも可能。また、人材育成、異分野ネットワーキングを行うことで次の共同研究に繋がるという循環を生み出せる源泉ができた」と説明した。

●4つのチームが目指すものとは
以下、SIP「革新的燃焼技術」において具体的にどのような研究が行われているのか、簡単に紹介する。

ガソリン燃焼チーム
慶應義塾大学大学院理工学研究科 飯田訓正特任教授をチームリーダーとしたガソリン燃焼チームは、スーパーリーンバーン(超希薄燃焼)の実現によって熱効率の向上を狙う。従来、2400K〜2600K程度の温度で燃料と空気を燃やしていたところを、1800Kにまで下げることで、熱損失を減らすことができる。スーパーリーンバーンはそのために、従来に比べて半分の濃さの空気で燃焼させようというものだ。

しかしこれには、そもそも着火しない、消炎してしまうといったような課題がある。これらの課題に対し、エンジン専門の研究者だけではなく、物理学や計測、素反応などさまざまな分野の研究・技術を担った人が集まっているという。

ディーゼル燃焼チーム
ディーゼルエンジンにおいてクリーンでかつ高い熱効率を実現するには、燃焼期間の短縮化が必要となるが、その場合、壁面での熱損失および騒音が大きくなってしまうという課題がある。そこで、京都大学エネルギー科学研究科 石山拓二教授を中心とした研究チームは、高速・低冷損・静音ディーゼル燃焼の実現を目指す。

たとえば燃焼期間の短縮に向けては、燃焼が終わった後に緩やかに燃える「後燃え」の所在を突き止めて制御するため、紫外光計測による燃焼・未燃焼領域を特定するための研究などが行われている。

制御チーム
東京大学大学院工学系研究科金子成彦教授のチームは、革新的燃焼技術を具現化するための制御システムの構築を目指し、高速3D燃焼解析ソフトの開発や高いロバスト性を有する制御方式の開発などを行う。

「燃焼と制御で文化の違いがあったが、この2年でようやく2つの分野を融合でき、システムとしての形にしていこうという段階になったと感じている」(金子教授)

損失低減チーム
早稲田大学理工学術院 大聖泰弘教授らのチームが取り組む課題は、機械摩擦による損失の半減と、排気エネルギーの有効利用だ。排気エネルギーの有効利用に向けては、ターボチャージャーの高効率化、燃料の改善、熱伝素子の開発など、機械摩擦損失の半減に向けては、低摩擦な潤滑表面および潤滑油の改善を図っていく。

以上の研究により、同プログラム開始2年ほどで、既存のガソリンおよびディーゼルに比べて3〜4%程度の正味熱効率の向上を果たしているという。杉山氏は、「エンジンのような実用工学の研究は、大変な実験設備が必要になるため、日本では大学から企業に流れていってしまっているという課題があったが、国のプロジェクトとして進めたことで、本当に深い産学連携ができるようになった」と同プログラムについて評価している。

燃焼技術は、自動車産業を支える中核技術であることはもちろん、発電技術などにも応用される裾野の広い基盤技術であるといえる。同プロジェクトにより内閣府は、基盤技術の高度化と人材育成を図り、日本の産業競争力の強化につなげていきたい考えだ。

(周藤瞳美)