2017年05月07日

◆ ガソリン直噴と PM2.5

 排ガスに含まれる粒子状物質(PM2.5)の問題は、ディーゼル・エンジンだけでなく、ガソリン直噴にもある。その対策は?

 ──

 トヨタの新型カムリのエンジンは、ガソリン・エンジンでありながら、熱効率が 40〜41%という高い値を達成する。
  → 新型「直列4気筒2.5L直噴エンジン」-Dynamic Force Engine- | トヨタ

engine_002b.png

 これは従来のガソリンエンジンの熱効率(通常 30% 以下)を上回り、ディーゼルエンジンの熱効率(通常 35〜38% )を上回るほどだ。
 実際のエンジンでは、ガソリン・エンジンの熱効率は 30%以下に対して、ディーゼル・エンジンでは 35〜38%に達する。
( → 燃費削減の科学


 トヨタのエンジンがこれほどにも熱効率が高いのは、なぜか? 冒頭のページでは、多くの要素技術が掲げられているが、「直噴エンジン」にしたことが大きな理由である。(理由は後述。)

 ガソリン直噴エンジンの問題


 ところが、ガソリン直噴エンジンには、排ガスに含まれる粒子状物質(PM2.5)が多い、という問題がある。
 《 最近の直噴ガソリン乗用車からの微粒子排出状況 |2013年度 》
 国産直噴ガソリン車からの粒子個数の排出係数は、ポート噴射ガソリン車の10倍以上でした(図1)。欧州産直噴ガソリン車は、国産直噴ガソリン車の約5倍とさらに排出個数が多くなっていました。
( → 国立環境研究所


pm25-fig1.jpg

 こういう問題があるので、すでに規制が定められており、ガソリン直噴にもディーゼル車並みの規制がかかることになっている。その意味で、トヨタのガソリン直噴エンジンは、「猛烈に汚い」ということはなく、「ディーゼル車並みにはきれいだ」と言える。
 しかしながら、ディーゼル車そのものが汚い排ガスを撒き散らす。( → 前項)
 とすれば、ディーゼル車ばかりを規制しても、ガソリン直噴車を放置すれば、「頭隠して尻隠さず」ふうの、底抜け規制になってしまうわけだ。
 というのも、今後は「エコのため」という理由で、ガソリン直噴者がどんどん増えそうだからだ。トヨタはカムリ用のエンジンでその方針だし、マツダはスカイアクティブでその方針だし、日産の新型V6エンジン(VRエンジン)もその方針だ。
 直噴エンジンは、微粒子の問題があるので、ひところは(はやったあとで)大きく減少したのだが、ふたたび増加しつつある。以前は微粒子があまりにも多すぎたので使われなくなっていたが、最近では微粒子をいくらか制限できるのでふたたび使われるようになったわけだ。それでも、直噴でない普通のエンジンに比べれば、微粒子の量は圧倒的に多い。かくて、「エコのため」という方針が進めば進むほど、大気汚染はひどくなっていく、という逆説が生じる。
( ※ 「エコのため」というのは、エコノミックであることと、エコロジーであることの双方。炭酸ガスを減らすという意味ではエコロジーだが、微粒子を増やすという意味ではエコロジーに反する。比喩的に言えば、1円を得るために命を 100円分削るようなものだ。一文惜しみの百失い、という愚。) 


eco_car.png


 対策


 では、どうすればいいか? 「困ったときの Openブログ」で、何とか解決できないか?
 そこで、私としては、解決策を二つ示そう。

 (1) EGR

 そもそも、直噴エンジンが使われるのは、なぜか?
 燃焼効率がいいからか? いや、逆だ。直噴の燃焼効率は悪い。ガソリンを噴射するので、気化するための時間が(従来のポート式に比べて)圧倒的に短いので、ガソリンが液状微粒子のまま浮遊している。そのせいで、燃え残りの炭素が生じて、固体微粒子となる。ここでは、「燃焼効率が悪いせいで微粒子が発生する」という状況にある。

 それにもかかわらず直噴エンジンが用いられるのは、ポンピングロス(スロットルバルブの吸気抵抗による損失)がないからだ。
  → EGRというもの
 そして、この問題を解決する方法として、EGR (排気ガス再循環装置)というものがある。(上記リンク)
 EGRを使えば、吸気のガソリン混合気を「薄める」効果がある。だから、スロットルバルブを絞らなくても(全開にしても)、それと同じ効果がある。
 だから、EGR を使えば、ガソリン直噴にしなくても済むわけだ。

 ところが、EGR を使う方式には、弱点がある。「レスポンスが悪い」ということだ。急に加速しようとしても、もともとスロットルは全開なので、「スロットルを全開にすれば加速する」という具合には行かない。まずは EGR を絞る必要がある。しかし、これは空気の動きが必要なので、レスポンスが悪い。どうしても、コンマ何秒かは遅れてしまう。これでは気分が良くないし、商品力が落ちてしまう。
 というわけで、EGR を使う方式には限界がある。

( ※ トヨタとしては、「レスポンスと熱効率を両立させる」という形で、直噴エンジンを採用した。この際、まさしく「レスポンスと熱効率を両立させる」ということが実現して、素晴らしいことがなされたように見えるのだが、同時に、「微粒子を大量に排出して、大気を汚染する」という問題を発生させる。「自分が良ければ世間に迷惑をかけようが知ったこっちゃない」というわけだ。「自分が金銭的に得をすれば、世間の人々に健康被害が発生しようが知ったこっちゃない」というわけだ。)

 (2) e-Power

 ここで私が新たな提案をしよう。こうだ。
 「 EGR と日産ハイブリッドの e-Power を組み合わせる」


 日産ハイブリッドの e-Power には、次のメリットがある。( → 前項
  ・ 基本的には電気モーターの電気自動車なので、レスポンスがいい。
  ・ エンジンは(ほぼ)定常回転なので、微粒子が発生しにくい。


 というわけで、「 EGR と e-Power 」という組み合わせならば、ガソリン直噴にしなくても、高い熱効率を達成できるのだ。

 実は、この提案は、私の独創ではない。日産ノート e-Power には、すでに EGR が組み込まれているはずだ。というか、EGR を用いていないエコカーなんて、今どきほとんどないはずだ。
 というわけで、EGR は現在ではほぼ当然なので、「 EGR と e-Power 」という組み合わせを推奨するということは、「 e-Power 」を推奨することと、ほぼ同じだ。
 従って、結論としては、こうなる。
 「トヨタや日産やマツダは、次世代のエコカーの基幹技術として、熱効率が高いガソリン直噴エンジンを採用しつつある。しかし、それよりは、( EGR と 組み合わせた)e-Power の方式を基幹技術とするべきだ」


 また、これを推進するため、国は排ガス規制を強めるべきだ。
 「ディーゼル車およびガソリン直噴車は、微粒子による排ガスの汚染がひどいので、なるべく全廃になるように、規制を強めるべきだ。一挙に全廃にすることは難しいにしても、高額の課税をすることで、ディーゼル車およびガソリン直噴車の販売量を激減させるべきだ」


 現時点では、国は「エコカー減税」というものを推進している。これでは、排ガスの汚いカムリやスカイアクティブのような直噴車ばかりがやたらと優遇されて、どんどん増えてしまう。これでは「排ガス汚染を促進するための税制」となってしまう。日本が中国や韓国並みの排ガス汚染国になってしまう。
  → 【恐怖映像】たった20分で地獄絵図! 北京の大気汚染が震えるくらいヤバい
  → 韓国ソウルの大気汚染が北京より悪化、インドの都市に次ぎ世界2位に

 中国や韓国ではひどい状況だが、日本もまたそれといくらか似た状態になりつつある。なぜなら政府が大気汚染を推進するような税制を取っているからだ。「ディーゼル車やガソリン直噴車を優遇する税制」という形で。実際、今後は、ガソリン直噴車が急増する見込みだ。

 まあ、現実には、日本でもディーゼル車の排ガス規制がなされつつあるので、今後はディーゼル車の排ガスはどんどんクリーンになっていく見込みだ。
 そうだとしても、ガソリン直噴車による排ガスはどんどん増えていく見込みだ。総合的に見て、現状よりも悪化するということはないのだが、「大気汚染のひどいエンジンを優遇する」という方針は、明らかにおかしい。
 炭酸ガスの削減ばかりを見ているエコ論者は、微粒子による大気汚染を理解できていない。そのせいで、エコを推進すれば推進するほど、大気汚染という形で環境はかえって悪化する。
 そういう問題を、本項では指摘した。
( ※ そしてまた、対策も示した。)



 [ 付記1 ]
 e-Power の方式を対案として示したが、この方式には難点もある。「価格が高い」ということだ。
 ただし、これは、ある程度は解決可能だ。
  ・ ガソリンの消費量が少ないので、燃費で挽回できる。
  ・ 中古車価格が下落しにくいので、下取価格で挽回できる。

 この2点を考えると、日産ノート e-Power の場合、通常エンジンに比べて、販売価格は 25万円ぐらい高いとしても、十分に挽回できそうだ。(走行距離にもよるが、15〜20万円ぐらいは取り返すことができそうだ。)
 あとは、エンジンのレスポンスの気持ちよさや、静粛性などで、「高級さ」というものを得ることができる。これが品質で 10万円分以上になるだろう。
 以上をかんがみると、「価格が高い」という問題は、すでに解決されつつある。リッターカー以上でなら、e-Power の方式をガソリン車の標準としてもいいだろう。

 [ 付記2 ]
 ただし、軽自動車に限っては、「品質よりも価格」という人が多いので、e-Power の方式では勝てそうにない。また、軽自動車はもともと燃費がいいので、e-Power のメリットもあまり大きくない。
 とすれば、軽自動車では、e-Power の方式は普及しそうにない。そのせいで排ガスによる大気汚染がひどくなりそうだ。
 では、どうする? こうすればいい。
 「軽自動車の優遇は縮小する。e-Power の方式を取るならともかく、普通のエンジンでは、優遇を縮小する」
 これで、e-Power の方式を普及させることができる。

 [ 付記3 ]
 ガソリン直噴の軽自動車については、優遇を一切やめる(むしろ冷遇する)といいだろう。(理由は上記)
 ただ、現実には、軽自動車にはガソリン直噴は存在しないようだ。
  → 軽自動車には、なぜ直噴エンジン搭載車がないのでしょうか?
 直噴の機構が高額なので、安価な軽自動車には直噴は採用しにくいようだ。
 とすれば、「ガソリン直噴の軽自動車」という心配は、しなくてもいいようだ。

 [ 付記4 ]
 300馬力以上のハイパワーとなるスポーツ系の高級車では、e-Power の方式は取りにくいだろう。その場合は、シリーズ方式のかわりに、パラレル方式のハイブリッドとすればいい。
 これなら、「急激な加速のときにはモーター駆動で加速する」というふうになるので、レスポンスの問題は解決できる。だから、EGR を主体とすることで、ガソリン直噴を避けることができる。
 とはいえ、パラレル方式のハイブリッド車は、価格が高い。ガソリンエンジンの機構と、電気自動車の機構の、双方が必要だからだ。その分、ハイブリッドでないガソリン直噴が普及しやすい。
 ならば、それを相殺するため、「ガソリン直噴車には課税する」という形が必要だろう。
( ※ 現実には、その逆だ。ガソリン直噴車は、「エコだから」という理由で減税となっている。)



 【 関連項目 】

 e-Power について初めて言及した項目。
  → 日産ノートのハイブリッド



 【 関連サイト 】

  → ガソリン直噴エンジン - Wikipedia
 
posted by 管理人 at 11:01| Comment(24) | エネルギー・環境2 | 更新情報をチェックする
この記事へのコメント
いやいや、直噴ガソリンでも
スロットルバルブはありますよ。
Posted by とおりすがり at 2017年05月07日 16:12
確かにEGRは広く用いられてます。
Posted by とおりすがり at 2017年05月07日 16:13
> 直噴ガソリンでも
> スロットルバルブはありますよ。

 別に、スロットルバルブがないとは書いていないはずですけど。何か勘違いしているんじゃない? 
Posted by 管理人 at 2017年05月07日 19:35
>>それにもかかわらず直噴エンジンが用いられるの
>>は、ポンピングロス(スロットルバルブの吸気抵抗
>>による損失)がないからだ。

とあるので直噴ガソリンにはスロットルバルブがないと認識していると読み取ってしまいました。

EGRは直噴でもポート噴射でもディーゼルでもガソリンでもNAでも過給でも用いられてるので、
EGRによるポンピングロス低減は直噴ガソリンに限った話ではないですね。
Posted by とおりすがり at 2017年05月07日 22:40
ガソリンエンジンのEGRは直噴であろうが
ポート噴射であろうがスロットルバルブを
なくせるほど導入できるものでも無いです。
Posted by とおりすがり at 2017年05月07日 23:01
> スロットルバルブをなくせる

そんなことは誰も言っていません。「スロットルを全開にする」というだけです。それが「吸気抵抗を減らす」という意味。

> EGRによるポンピングロス低減は直噴ガソリンに限った話ではないですね。

 それは本文に記述済み。今まで読んでいなかったの? 


Posted by 管理人 at 2017年05月07日 23:09
マツダが2018年に新型アクセラで出すというHCCIを個人的には楽しみにしてるんですが・・・
Posted by 爺さん at 2017年05月08日 15:39
>ガソリンが液状微粒子のまま浮遊している。

そういう事にしておいてくだいw 
初期直噴とこれからの直噴では使われている物が違うので その違いを考慮した上で設計されますので問題は出ません 

逆に初期直噴を考慮せず資材の設計を変え使用を続けさせた事が問題だったのです 
Posted by emanon at 2017年05月10日 08:53
直噴はターボとの相性がいいんですよ。高圧縮比で高出力化を狙っても燃料冷却ができますからね。
Posted by 京都の人 at 2017年05月11日 19:56
> 燃料冷却

 もしかして、ジョークで言っている? 真に受ける人が出てきそう。
 燃料冷却は、燃費悪化の元凶だから、やっちゃいけないんです。近年は、技術的には禁止ふう。やればやるほど、大幅燃費悪化。
 
 高圧縮比で高出力化で燃料冷却、というのは、昔のガソリンガブ飲み状態の時期の手法。シーマなんか、リッター3キロぐらいしか走らなかった。

https://carview.yahoo.co.jp/ncar/catalog/nissan/cima/chiebukuro/detail/?qid=1434763939
https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1257171087


Posted by 管理人 at 2017年05月11日 20:11
e-power はマーチのエンジン常時燃やしてるんじゃないの?定時回転だから?どれだけ環境にいいのかの説明根拠不足。PMだけに絞ってるがDPFを義務化する方がいいのでは?電気自動車買う人は環境に貢献したいんだよね?情弱の人を騙してるよね。e-power 売るのに環境を前面に出してはいけない。PHEVとかレンジエクステンダーとは違うんだから。
Posted by あ at 2017年05月12日 08:54
> e-power はマーチのエンジン常時燃やしてるんじゃないの?

 違いますよ。付いたり消えたりです。e-power の説明項目を参照。

>どれだけ環境にいいのかの説明根拠不足。

 e-power それ自体が環境にいいわけじゃない。ディーゼルや直噴の場合に限って、e-power を組み合わせるとマイナスが減るというだけです。
 たとえそうしても、気化器つきの方がずっといい。

> 電気自動車買う人は環境に貢献したいんだよね?情弱の人を騙してるよね。e-power 売るのに環境を前面に出してはいけない。

 誤解だらけ。
  ・ e-power は、電気自動車じゃない。
  ・ e-power の売りは、環境じゃない。
  ・ だましているんじゃなくて、あなたが勘違いしているだけ。
Posted by 管理人 at 2017年05月12日 19:44
冗談じゃないですよ。直噴そのものが燃料冷却機構みたいなもんです。
ポート噴射(ポート気化)の混合気は過給エンジンでは特にノッキング防止のために(シーマやソアラの時代)燃料調節は濃いものでした。それでも点火タイミングを遅らせたり、圧縮比を7程度に下げてました。
筒内噴射だと噴射したガソリン液滴の気化熱で燃料冷却の効果を得られるということです。点火タイミングを遅らせる必要も、圧縮比を下げる必要もなくなります。
実際は上死点のちょっと手前の噴射と点火タイミングのバランス取りが難しいと思いますけど、すごい制御をしています。
なお、2L過給エンジンでトルクがおよそ15%アップしたのに燃費も15%改善しましたから、直噴ターボはいいエンジンです。
Posted by 京都の人 at 2017年05月13日 02:05
あなたの意見は尊重いたしますが日産の広告に電気自動車で次世代のエコカーを発明しましたって宣言してるんですわ。
電気自動車じゃなくて環境は売りじゃないとしたら何物なんでしょう?エアコンフル稼働で本当にエンジン止まったり動いたりするんでしょうか?PHEVが売り出されたらこれを買った人はガラパゴス難民になりませんか?海外でも売れんですか?
Posted by あ at 2017年05月13日 02:15
> 日産の広告に電気自動車で次世代のエコカーを発明しましたって

メーカーの宣伝を見てみたら、こうある。

> 日産の電気自動車技術が、またひとつ次世代のエコカーを発明しました
> 電気自動車のまったく新しいカタチ。それが次世代パワートレイン「e-POWER」

まぎらわしい表現だが、「電気自動車だ」と言っているのではなく、「電気自動車みたいなものだ」と言っているだけです。

環境性能は、電気自動車並みという意味ではありません。「現行の標準車よりは1ランク上」と言っているだけです。下記。
 http://www.nissan.co.jp/EVENT/TAX/ABOUT/

 ──

まあ、日産の宣伝はたしかに大げさだが、広告なんて、もともと大げさなものです。テレビのコマ−シャルを見てもそう。いちいち「大げさだ」と腹を立てていたら、キリがない。

自動車雑誌の解説の方が客観的です。素人はそっちを読みましょう。メーカーの宣伝だけで判断すると、ろくなことはない。
Posted by 管理人 at 2017年05月13日 06:12
> 直噴そのものが燃料冷却機構みたいなもんです。
> 筒内噴射だと噴射したガソリン液滴の気化熱で燃料冷却の効果を得られるということです。

 そう言えばそうですね。そっちのことを忘れていました。昔の燃料冷却と混同していた。
 失礼しました。

 ※ 燃料冷却という言葉は、私の言った通りの意味(ノッキングをしそうになると大量の燃料を投入すること)なんだが、燃料噴射の冷却効果、というのも別にあるわけ。
Posted by 管理人 at 2017年05月13日 06:19
> 2L過給エンジンでトルクがおよそ15%アップしたのに燃費も15%改善しましたから、直噴ターボはいいエンジンです。

 たしかに、(自然吸気でなく)ターボには、直噴が相性がいいですね。燃料噴射による冷却効果があり、高い圧縮比を得られる。
 しかしそれでも、低回転のトルクが不足して、低速時のドライバビリティが良くない。(現行スカイラインの直噴ターボでさえ。ベンツなのに。)
 そこでターボをやめて、自然吸気のアトキンソンサイクルにすると、コストの要因もあって、(直噴でない)ポート噴射が主流だ。
 https://carview.yahoo.co.jp/ncar/catalog/mazda/eunos800/chiebukuro/detail/?qid=12131768497

 ポート噴射は、低回転と高回転の差が大きいのが問題だ。
 https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q10129943045

 だけどこの問題は、e-Power で定常回転することで解決可能だ。
 というわけで、本項の記述に戻って、こうなる。

 「ガソリン直噴は、効率の高い優秀な技術である。しかし、環境汚染という問題が生じる。そこでかわりに、
   EGR + e-Power + ポート噴射 + アトキンソンサイクル
 という方式を取るといい。これなら、高い効率と低い環境汚染を両立させることができる。これがベストだ」
 
 簡単に言えば、
 「ガソリン直噴よりも e-Power を次世代の基幹技術にせよ」

 以上が結論。

 なお、別項で述べたように、HCCI を組み合わせると、なお良い。
   e-Power + HCCI
 が大本命だな。
Posted by 管理人 at 2017年05月13日 08:45
高速域での無双ぶりと、低回転のトルクの両立は、排ガスという根本を無視すると、ポルシェ918のE-パフォーマンス(もとは日産のe-4WDと同じ発想だけど、出力が段違い)の様にモーターとのパラレルハイブリッドが、いいのでしょうね。(ラ・フェラーリのHY-KERS、マクラーレンP1のIPAS、ポルシェ918のE-パフォーマンス、本田NSXのSPORT HYBRID SH-AWDなどもそっち系です)。
Noteのe-Powerは未経験なので論評できませんが、LEAFの中速域からの頭打ち、少しヤンチャに走ると電池残量の激減、アクセルオフでほとんど回生しない(これはNoteで改善されたみたいですが)というネガが無くなってくれたら電気自動車もあの低速発進トルクと、排気ガスレスは良いと思います。
Posted by 京都の人 at 2017年05月13日 11:13
うーん・・・、こういう技術空想妄想というのはいくらでもできる。どの技術も優劣をつけるのは実現された車です。実現者のセンスと力量です。空想妄想を語っても意味がない。誰でもいくらでも語れる。一番大事なのは己がベストだと信じる技術を実現して他の技術より優れていると自ら証明することである。
e-POWERのような技術はとっくの昔に実現されている。今更ドヤ顔で書かれてもなーという感じです。パワーエレクトロニクスの進化がキモですがそれを実際に車として仕上げることが最重要ポイントなのです。
Posted by とおりすがり at 2017年05月13日 21:10
お題とちょっと違うけど、e-Power方式の動力伝達方式って効率いいのかな?

モータ出力に「モータの駆動のみで高速を巡航する能力」が求められるわけだけど、
それだけの能力のモーターは結構重量があるんだな〜

んでもって、電力の供給側も数分程度の高速走行ならばバッテリから供給で何とか
なるけど巡航となると結局全電力を「エンジン+発電機」が供給する必要があるわけで、
ここで発電機って結局モータの動作が逆になったものと考えると、駆動用のモータ
より大きいモータと同等の重量を背負うわけだな。
(ノートの場合ガソリン車に比べて150kg位重い)

さらには、高速巡行で十分な電力を発生可能な出力を「エンジンを高回転で回さずに」
得ようとするならば、通常のガソリン車のエンジンよりも大きいエンジンを積む必要
があるんだな・・
ノートはここをケチっているから高速走行ではエンジン回転が上がって燃費が落ちる
みたいだし、定常回転(効率)にこだわってエンジンを大きくすれば更に重量増えるし・・・
これって本当に主流になるのかなあ〜???
Posted by どら猫 at 2017年05月14日 00:24
 >・・のような技術はとっくの昔に実現されている

いろんな人がいましたよね  哀しいですね

クルマに何か期待する  そんな時代は終わってるでしょ

煙草が哲学の香り  車はいとしい女    の

  
 気化器の時代の者ですが アルコール系燃料の混じったガソリン  夢のようですよ  酒なんですから   大笑い

 けんこうのために あるきます
Posted by  k at 2017年05月14日 00:33
> e-Power方式の動力伝達方式って効率いいのかな?

伝達効率は悪いですよ。e-Power の解説項目に書いたとおり。

一般に、エコで大切なのは、どこかの部分の効率ではなくて、総合効率です。e-Power は、伝達効率は悪いが、燃焼効率が高いので、総合効率も高くなっています。

似たことは CVT にも言える。これも伝達効率がすごく悪い。ベルトがスリップするので。……だけど、総合効率は、かなり高い。
Posted by 管理人 at 2017年05月14日 00:38
あー、誤解が有るようなんだな〜
純ガソリン車に対して効率がいいのは当たり前で、比較対象はパラレルハイブリット
(トヨタ方式含む)なんだな。
Posted by どら猫 at 2017年05月14日 07:02
> 比較対象はパラレルハイブリット(トヨタ方式含む)なんだな。

 パラレルとの比較なら、e-Power とは、どっちも大差ないので、どっちでもいいでしょう。本項では、排ガスの程度だけを論じて、e-Power の方を推奨している。(ディーゼルや直噴や HCCI との組み合わせを含む。)
 単に効率だけを見るなら、「どっちでもいい」という結論でおしまい。

 本項のテーマが何であるかを理解してください。まずはタイトルを読みましょう。テーマもわからずに勝手読みしちゃ駄目ですよ。

Posted by 管理人 at 2017年05月14日 09:01
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