メルセデス・ベンツが20年ぶりに復活させた直列6気筒エンジン(写真:メルセデス・ベンツ日本提供)

トヨタ自動車「クラウン」「マーク供文什澆論簇如法廖日産自動車「セドリック/グロリア(現在は絶版)」「スカイライン」などの高級車にかつて搭載されていたのが、直列6気筒エンジンだ。その名のとおり、エンジンの中で動力を生み出す、気筒(シリンダー)が直線上に6つ並ぶエンジンである。振動が少なく、滑らかなフィールが特徴だ。


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その直6エンジンをトヨタも日産も現在は作っていない。海外メーカーも独BMWを除いて、直6エンジンから手を引いたメーカーが大半だった。衝突安全性や搭載性の問題から、同じ6気筒エンジンでも3気筒ずつ左右に配置してコンパクトにつくれるV型6気筒エンジン(V6エンジン)に切り替えたり、直列4気筒エンジンにターボ(過給機)を付けて出力を補ったりするのが主流になった。

ところが、ここへきて新しい動きが出てきた。メルセデス・ベンツが20年ぶりに直列6気筒エンジンを復活させたのだ。3月から日本でも予約注文が始まった「S450」シリーズに搭載された。一度は時代遅れというレッテルを貼られた直6がいったいなぜ復活したのだろうか?

直6復活のストーリー

実は国内でも直6復活の情報が入っている。マツダは次期「アテンザ」にSKYACTIV-X直6ユニットを搭載する方向で進んでいるようだ。マツダ内部の関係者に「次のアテンザは直6FRですよね?」と聞くと、苦笑いしながらも「そうやって聞かれれば誰も否定しないですねぇ」と暗に認める発言をしている。SKYACTIV-Xは従来とまったく異なる技術なのでこれから書くことのすべてが合致するわけではないが、大まかにはほぼ同じストーリーで考えて問題ない。長くてややこしい直6復活のストーリーを始めよう。

直6ユニットは完全バランスが魅力。直4は物理的にクランク軸1回転あたりに2回発生する二次慣性力が避けられないため、この振動を消すためにバランスシャフトが必要だ。振動が発生するということはそれだけクルマとしての洗練度が落ちるということである。だから歴史上長らく直6はもてはやされていた。

しかし1990年代に衝突安全規制が厳しくなると、エンジンルームを上手に潰して、衝突の衝撃を吸収する必要が高まり、金属の塊で潰れないエンジンが縦に長いことが邪魔になり始めた。横置きFFレイアウトモデルとのエンジン共用の都合もあり、以後V6時代を経て、ダウンサイジング直4ターボの時代になっていった。ダウンサイジングターボへの変化は欧州でCO2規制が厳しくなった影響が大きい。自動車のメカニズムの変遷は法律と技術進歩の2つの要素につねに大きな影響を受けているのである。

ダウンサイジングターボとは何だったのか?

少し技術の話をしよう。あなたは今、運転席に座っている。トランスミッションはマニュアルで、車速はゼロ。つまりクルマは止まっている。エンジンは起動中。そのままアクセルを踏み込むとエンジン回転が上がっていく。あなたは慎重にアクセルを操作してレッドゾーンの手前ギリギリ、たとえば5600rpmで回転計の針が止まるようにする。

この、回転計の針が制止した5600rpmは工学的にはアイドリングである。アイドリングとはエンジンが発生する力と内部摩擦が釣り合った状態をいう。両者が釣り合っていなければ針は上がるか下がるかするはずだからこの時内部摩擦と燃焼から得られるエネルギーは均衡しているのだ。さて針が止まっているその状態でどのくらいペダルを踏み込んでいるだろうか? かなりの踏み込み量であることは想像できるだろう。

さて、アクセルペダルの踏み込み量を変えないように注意しながら、クラッチを踏んでギヤを1速に入れ走り出そう。どこかで回転計の針の上昇がまた止まるので、シフトアップする。トップギヤで速度上昇が止まったときの車速を仮に時速60キロだとしよう。エンジンスペックとギヤ比にもよるが、そのくらいになっているはずだ。

仮にそのとき、回転計の針が2000rpmを指していたとするならば、エンジンが2000rpmのときのエンジン内部の摩擦と5600rpmのときの内部摩擦の差は、クルマを時速60キロで走らせるほどのエネルギーだということになる。つまり差分の3600rpmでそれだけのエネルギーが内部で失われているのだ。

だったらどうするか? クルマを走らせるのは仕事量、つまり馬力であり、それはトルク×回転数だ。仮に摩擦損失を嫌い、回転数を半分に落としたければ、半分の回転数のときのトルクをレブリミットのトルクの倍にすれば馬力は同じになる。だったら、低速域を重点的に過給して大トルクを出してやれば内部摩擦を大幅に回避でき、燃費は大きく改善する。これがダウンサイジングターボの基本的な理屈だ。

摩擦抵抗を減らすことが技術的眼目なので、エンジンの気筒数と排気量も落としたい。そうして6気筒から4気筒へ、排気量も減らして過給するという仕組みができ、ダウンサイジングターボは2000年代以降一気に普及した。

WLTPの時代

ところが、また法律が変わった。それが「国際調和燃費・排ガス試験方法」、通称「WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure)」という新しい燃費基準である。わが国では2018年10月からの導入が決まっている。

クルマのようなグローバル商品に対して国によって燃費と排ガス測定方法がバラバラだと、それぞれに適合が必要になり、開発費が無意味にかさむ。さらに規制の側面からとらえれば、国境を越えて移動するクルマの規制がそれぞれ違うのでは意味も半減する。こうした理念によって、試験方法の一元化が企図され、WLTPが成立した。

WLTPでは、従来の規制より厳しい運転モードが組み込まれている。新たなテストモードはすべて例外なく冷間スタートであること。そして速度変化のシークエンスにおいて高い加速度が求められる。


WLTPで採用される走行モード。縦軸が速度で横軸が時間。色ごとに変わるレンジの最初に強い加速が求められているのがわかる。たとえば緑色のグラフの中では短時間で時速10キロ強から100キロ弱までの急加速が見られる

WLTPではモードが多岐に及んでいるため、「低負荷高速巡航」という特定の領域だけ燃費を改善する技術では通用しない。過給でトルクを持ち上げて低回転を多用するというダウンサイジングターボの手法ではエンジン負荷が頻繁に急変し、かつおおむね20km/Lを求められる新しいテストの帯域全体をカバーできない。ターボは本質的には狙った一点での性能を向上させる技術であって、幅広く性能を上げる技術ではない。

全域での性能を求められれば、排気量を増やさざるをえない。理想的な燃焼のためには1気筒あたりの排気量は450〜500ccがベストなことはすでに知られているので、2リッター級なら直4でも足りるが、3リッター級ならば6気筒化が自然な流れになる。つまり、6気筒化そのものの理由としてはダウンサイジングターボが時代遅れになったことと考えていい。

しかし、ただ排気量を増やしても問題は解決しない。エンジンの熱効率を本質的に改善しないと規定の燃費が達成できず、巨額の罰金を支払わなくてはならなくなる。エンジンとは化石燃料の持つ熱エネルギーを燃焼圧に変え、その圧力をピストンで受け止めることによって動力を得る仕組みだ。

つまり燃費をよくしようと思えば、燃焼をいかに理想的な状態に保つかが課題になってくる。WLTPによって、今までテストモードに対する傾向と対策で対処されてきた低燃費性能が、もっと本質的な技術改革へと変わったことになる。

さて、では熱効率を向上させるためには何をどうしたらいいのか? 燃料と空気を混ぜたものを混合気というが、この混合気を事前に強く圧縮してから着火させたほうが燃焼圧力は高まる。高性能エンジンの圧縮比が高かったのはこのためだ。だったらどんどん圧縮比を上げたいところだが、それをやるとノッキングが起きる。ノッキングというのは異常燃焼のことで、最適なタイミングより早く着火してしまう早期着火<プレイグニッション>と、燃焼室内の燃え方の不均衡による爆轟(ばくごう)<デトネーション>の2つの問題がある。

まずは早期着火から。気体は圧縮すると温度が上昇する。200℃にもなれば圧縮熱で燃料が勝手に燃え始めてしまう。燃焼タイミングがコントロールできないとエンジンが壊れてしまうので、かつては熱効率向上の余地を知りながら圧縮比を抑制していた。

これに対しては直噴がひとつの解決になっている。吸気中の燃焼室に直接燃料を噴射すると、気化潜熱で気体温度が下がる。インタークーラーと同様の理屈で圧縮前のスタート温度が下がって早期着火が起きにくくなるので、従来よりも高い圧縮比が使える。予圧縮が高ければ燃焼圧力が上がって熱効率が向上するのだ。

もうひとつは爆轟だ。プラグ周辺で最初に着火した燃焼ガスの膨張が、隣接した未燃焼の混合気をさらに圧縮する。これが連続的に繰り返され、プラグから最も離れたエリアでは、最終的に熱膨張速度が音速を超えてしまい、衝撃波が発生して金属部品の周りにできた境界層を破壊する現象が起きる。熱い風呂に入ってせっかく落ち着いた後にかき混ぜられるのと同じく、金属地肌の表層にある低温の境界層を剥がされると燃焼の熱に直接触れてピストンが溶けてしまう。

これを防止するために、従来はセンサーを設けてノッキングが始まったら、エンジンが壊れないうちにプラグの着火タイミングを遅らせていたのだ。ただし、こうやって点火タイミングを遅らせると2つの問題が発生する。

まずはピストンが上死点に達して最大圧縮を得るタイミングを逃すので、実質的な圧縮比が下がり、熱効率が落ちる。さらに、ピストンの全ストロークを有効に使って燃焼圧を受け取ることができなくなる(しかも一番燃焼圧が高い所を逃してしまう)ので、燃焼圧を力に変換する効率も落ちてしまう。WLTPで求められる急加速ではエンジンは最もノッキングが起きやすい高負荷が多用されるので、この状態が頻発する。

EGRとMBD

そこで、ノッキングのコントロールを点火タイミングからEGR(Exhaust Gas Recirculation)制御に切り替えるという流れが加速した。これは排気ガスを意図的に吸気に混入する技術である。燃焼後のガスはほとんどが二酸化炭素(CO2)と窒素(N2)である。これらのガスは不活性ガスと呼ばれ、燃焼を抑制する働きがある。

つまり燃料のオクタン価を上げたのと同じで、EGRをうまく使えば、点火タイミングを維持したまま早期着火を抑制したり、爆轟を抑制したりしてノッキングを防止できる。ただし、排ガスが混じることで新気の充填量は減るので、それに見合う燃料も減る。そのため絶対的なパワーは多少落ちるが、化石燃料から力を取り出す効率については点火タイミングを遅らせないことによって向上するのだ。

仮に2リッターのエンジンだとして、25%の排気ガス(理論的にはともかく実際にはそんなに入らない)を混入すれば、実質的には1.5リッター相当のパワーしか出ないが、熱効率的には2リッターエンジンにもかかわらず従来の1.5リッターエンジンを凌駕できることになる。

さて、こうした複雑なやり方で燃焼効率をつねに最高の状態に保とうと思えば、コントロールが大変だ。それを実現するためにMBD(Model Based Development)と呼ばれるスーパーコンピュータを利用した数理的な解析が不可欠になってきている。

理想の燃焼状態を維持するために必要なのは、燃焼を左右するハードウエアの制約ポイントを確実に見つけ出し、絞り込み、空気と燃料の流れをいかにモデル化するかだ。それにはスロットルから吸気弁までの容量や距離、吸気量センサーに当たる空気の量、燃焼室と吸気系全体の体積比など、ハードウエアが燃焼を左右する要素をいかに相似形にそろえるかが重要になってくる。それらをモデル化して精密に再現できれば、ひとつの数理モデルをすべてのエンジンに適用し、同じ燃焼特性が何度でも再現できるようになる。

現在、世界的に見て、乗用車エンジンの基本は直列4気筒エンジンである。MBDを用いてこれらのエンジンを設計し、その数理モデルを適用して6気筒エンジンを作ろうと思えば、吸気系の形状が根本的に異なり、直4と相似形にできないV6では困る。要素をそろえることができないV6のためにはもう一度数理モデルを作り直さなくてはならなくなる。一方で直6であれば、直4で蓄積したモデルをそのまま使うことができ、エンジンの開発コストが大幅に削減できる。

法律と技術がこれまでの常識を変えていく

つまりこういうことだ。

・ダウンサイジングターボはWLTPでは通用しにくい
・排気量を上げないと求められる過渡特性が出ない
・理想の気筒あたり排気量を実現するためには、排気量によっては6気筒の必要がある
・MBDの燃焼シミュレーションを適用するには直6でないと都合が悪い

こういうさまざまな状況によって、いままた直列6気筒がトレンドになりつつあるのだ。もうひとつの背景としては衝突安全の技術と素材が進化し、以前ほど大きな潰れ代(しろ)がなくても衝突エネルギーを吸収できるようになったこともある。法律と技術がこれまでの常識を変えていく。工業製品は社会と密接にかかわっているのだ。