インタラクティブオーバーライドインポート / www-wired-com__brandlab__2019__10__american-petroleum-institute / 2020年10月14日 16:09

あるいは、よりクリーンで信頼性の高い未来に向けて、エンジン技術における最大の進歩のいくつかは、意外でありながらも馴染み深い源、つまり内燃機関から生まれています。

あるいは、よりクリーンで信頼性の高い未来に向けて、エンジン技術における最大の進歩のいくつかは、意外でありながらも馴染み深い源、つまり内燃機関から生まれています。

昨年 11 月、2 万人の来場者がロサンゼルス コンベンション センターで開催された毎年恒例の自動車ショーに集まり、未来を垣間見ようとしました。1,000 台を超える車両が展示され、アウディ初の完全電気 SUV である Audi e-Tron や、1 回の充電で 17 マイル走行できるプラグイン クロスオーバーの Subaru のガソリンと電気のハイブリッドである Crosstrek が含まれていました。しかし、最も話題を呼んだ技術は、燃料電池モーターやプラグイン カーとはまったく関係がなく、ほぼ 150 年前の技術であり、より環境に優しい未来の実現に役立つ可能性がある内燃機関です。「内燃機関が進歩していると聞いて、多くの人が驚きます」と、車両と燃料の研究を専門とする非営利のシンクタンクである Fuels Institute のエグゼクティブ ディレクター、ジョン アイクバーガー氏は述べています。 「見出しだけを読むと、電気、電気、電気と目が飛び交っています。しかし、電気自動車が市場の半分を占めるまでには数十年かかるでしょう。つまり、内燃機関は今後も存在し続けるでしょうし、より効率化していく必要があるのです。」

ロサンゼルスで開催されたイベントの主役は、マツダのSKYACTIV-Xエンジンでした。これは、何十年もエンジニアを悩ませてきた設計上の課題、つまりディーゼルエンジンの効率とガソリンエンジンの性能をいかに両立させるかという課題を解決する画期的な新型エンジンです。内燃機関（ICE）の「聖杯」とも称される設計を特徴とするマツダの独創的な新型エンジンは、通常の石油系ガソリンで稼働しながらも、優れた性能と燃費効率の向上を約束します。その結果、電気自動車（EV）の普及における最大の障壁の一つである米国のエネルギーインフラの抜本的な見直しを必要とせずに、効率向上と排出量削減に即座に貢献することができます。

「地球規模で温室効果ガスを削減するために、私たちは電動化に頼るのではなく、より効率的な内燃機関を開発するというアプローチをとっています」と、マツダ・ノースアメリカのパワートレインエンジニアリング担当シニアマネージャー、ジェイ・チェンは述べています。「つまり、すべてのエンジンからCO2排出量を20%削減することで、より大きな効果を生み出すことができるのです。これは、排出量を50%削減できるハイブリッド車を数台販売するよりも大きな効果です。」

Skyactiv-Xは、自動車と燃料研究の世界におけるエンジニアや科学者による一連の進歩における最新のイノベーションに過ぎません。これらはすべて、燃料価格を抑え、環境目標達成に向けた効率的でクリーンな技術の導入を促進するための取り組みです。多くの自動車メーカーは、バッテリー技術の進化が続けば電気自動車が最終的に業界を席巻する可能性があると認めていますが、そうなるのはおそらく数十年後でしょう。当面は、排出量削減の最善の短期的解決策は、既存の技術をすべて改良することです。「内燃機関をまだ諦めないでください」と、BPのシニアテクニカルアドバイザーで、数十年にわたり自動車業界で活躍するジェームズ・シムニック氏は述べています。「私たちは100年以上もの間、この技術の改良に取り組んできました。エンジンと燃料をより効率的でクリーンにし、消費者が求める快適なドライビングエクスペリエンスを提供し続けるために、改良できる点は山ほどあります。」

1908年にヘンリー・フォードのモデルTが組立ラインから出荷されて以来、エンジン技術と燃料は長い道のりを歩んできました。モデルTは、20馬力の177立方インチ、4気筒ガソリンエンジンを搭載し、最高速度45マイル/時に達しました。これは当時としては驚異的な速度でした。このエンジンはシンプルで信頼性が高く、30年間生産されました。その後、自動車メーカーは、効率ではなく車両性能を向上させるためにエンジンの調整に重点を置き、1950年代と1960年代のマッスルカーにつながりました。しかし、1970年代には、OPECの石油禁輸措置や環境保護運動に対する政府の対応により、メーカーは燃費と排出ガス性能を向上させるために車両とエンジンを再設計するよう規制されました。それ以来、米国の燃費規制はますます厳しくなり、メーカーはよりクリーンで効率的なエンジンを実現する方法をさらに開発する必要に迫られています。

同様に、ガソリンや軽油といった石油系燃料も、長年にわたり革新を遂げてきました。ガソリンはヘプタンやオクタンなどの有機化合物の混合物です。1900年代初頭には、燃料が不均一に燃焼してエンジンに損傷を与える際に発生するエンジンの「ノック」音を防止するための添加剤が導入されました。最も初期のノック防止剤の一つは鉛で、1920年代にガソリンに添加されましたが、その有害性を示す研究結果を受けて、1970年代から段階的に削減されました。その後、無鉛ガソリンが業界標準となり、燃料メーカーは自動車用ガソリン燃料に含まれる鉛のノック防止特性を代替する他の戦略を採用しました。

今日では、トウモロコシ由来のエタノールは、ノッキング防止やオクタン価向上などの特性から、ガソリンに欠かせない添加剤となっています。今日のほとんどのガソリンには、体積比で10%のエタノールが含まれています。これは、2000年代初頭に政策立案者が再生可能燃料基準（RFS）を制定してエタノール消費量の増加に取り組んだ結果でもあります。この基準は、アメリカの外国産石油への依存を減らし、燃料需要の増加をエタノールで賄うことを目指していました。しかし、その後、アメリカはシェール革命によるエネルギー復興を経験し、自動車の効率性向上によるイノベーションがエネルギー需要の増加をほぼ相殺し、アメリカは自力で外国産石油への依存を減らすようになりました。さらに、広範な研究により、エタノール混合率の高い燃料が納税者やドライバーにもたらすメリットと安全性は否定されています。業界主導のイノベーションは燃料エンジン効率を高め、コスト削減に貢献する可能性がありますが、時代遅れの政策は進歩を阻害することもあります。

同時に、ディーゼルも独自の進化を遂げてきました。1894年、ルドルフ・ディーゼルは最初の圧縮着火エンジンを発明しました。彼は、後にディーゼルと呼ばれるようになった石油精製の副産物が、彼の新しいエンジン内で自然燃焼しやすいことを発見したのです。ディーゼル燃料はガソリンよりも多くのエネルギーを含み、米国で供給される燃料の約20%を占めています。数少ない欠点の一つは、硫黄化合物の形でより多くの排出物を排出する傾向があることでした。しかし、ガソリンと同様に、石油精製業者は処理の高度化によってこれらの化合物を除去する技術を習得し、超低硫黄燃料を生み出しました。これにより、ディーゼル車はますます厳しくなる排ガス規制基準を満たすことができます。超低硫黄ディーゼル燃料の使用により、エンジニアは選択触媒還元と呼ばれる技術を採用することで、排出量をさらに削減できるディーゼルパワートレインを設計できるようになりました。このシステムは、排出ガス中の主要な汚染物質の一つであるNOx（窒素酸化物）を削減します。これは、ディーゼル排気ガス中にディーゼル排気液（DEF）と呼ばれる液体溶液を噴霧することで実現します。DEFは化学反応を引き起こし、排出物を窒素と水に変換することで、全体的な排出量を削減します。

さらに、企業は革新的な代替ディーゼル燃料の開発に取り組んでおり、その中には再生可能ディーゼル燃料も含まれます。再生可能ディーゼル燃料は石油由来のディーゼル燃料よりもクリーンな燃焼を実現し、既に業界で広く利用され始めています。BPは将来を見据え、牛脂を原料とする再生可能ディーゼル燃料の開発にも取り組んでいます。また、牛糞から回収したメタンからジメチルエーテル（DME）と呼ばれる燃料が製造されています。これは低炭素で煤を排出しない代替燃料であり、燃料技術が将来に向けていかに革新的であるかを示しています。

1960年代から1990年代にかけてガソリンエンジンとディーゼルエンジン、そして燃料が進化するにつれ、自動車エンジニアたちは時折、2つの異なる燃焼方式を組み合わせ、それぞれのメリットを最大限に引き出す戦略を模索し始めました。彼らは、点火プラグではなく、極度の圧力にさらされることで燃料が自然発火する、ディーゼルエンジンのように動作するガソリンエンジンの開発を目指しました。予混合圧縮着火（HCCI）と呼ばれるこのガソリン/ディーゼル技術は、1世紀以上にわたって理論化され、研究室で進められてきました。しかし、Skyactiv-Xが登場するまでは、両方の要素をうまく組み合わせ、満足のいく走行性能を実現する量産エンジンを開発できるメーカーは存在しませんでした。

「これはエンジニアたちが何年も前から取り組んできたことです」とシムニック氏は言う。「ヨーロッパのメーカーは何年も前に諦めました。『到底到達できない』と言っていたのです。」

コックス・オートモーティブの市場アナリストによると、2018年に米国で販売された自動車は1,700万台を超え、そのうち電気自動車はわずか36万1,000台でした。追跡ウェブサイトInsideEVsがまとめたこの電気自動車の数字は、2017年と比べて大幅に増加していますが、それでも市場全体のほんの一部に過ぎません。

EVの普及を阻む要因の一つは、消費者が「航続距離不安」と呼ばれる、充電が必要になるまでの走行距離に対する懸念です。もう一つの大きな障害は、他の燃料源と比較して利便性と費用対効果の高いEVインフラの構築です。マッキンゼー・アンド・カンパニーの分析によると、米国が予測されるEV普及率に対応するには、2030年までに1,300万基の充電器と約110億ドルの投資が必要になります。

現在、一部のEVは石炭などの炭素集約型資源からの電力に依存しているため、二酸化炭素排出量の抑制効果が打ち消されています。10年前にこの問題を認識したマツダは、「サステイナブル“Zoom-Zoom”宣言2030」と名付けた未来ビジョンに全力を注ぐという驚くべき選択をしました。マツダの目標は、2030年までに企業平均二酸化炭素排出量を2010年比で半減させることであり、EVへの移行も可能でした。しかし、マツダは内燃機関（ICE）エンジンの効率向上に注力することを決定し、その結果生まれたのがSKYACTIV-Xです。

「このエンジンはすごいんです」とアイヒバーガーは言う。「この小さなエンジンが、ものすごい騒音を出しているんです。」

このエンジンはマツダの目標への道のりのほんの一歩に過ぎず、同社は将来さらに大きな躍進を約束している。そして、より環境に優しい未来に向けて内燃機関（ICE）産業を変革しようとしているのはマツダだけではない。ガソリン電気ハイブリッド車（バッテリー残量が少なくなると作動するガソリンエンジンと小型電気モーターの両方を搭載した車）は何年も前から存在しているが、ますます人気が高まっている。トヨタからシボレー、ホンダまで、誰もがハイブリッド車を販売している。フォードは現在、人気のF-150トラックのハイブリッド版に取り組んでおり、ICEエンジンとトランスミッションの間に挟まれた電気モーターがさらなるトルクを生み出す。一般的に、ハイブリッドの主な欠点は、2つの動力源を持つため、多くの場合高価になることだ。そのため、多くの自動車メーカーはICEの改良にこだわっている。

今年、日産傘下のインフィニティは、2019年型クロスオーバーQX50に世界初の量産対応VCターボエンジンを搭載しました。この可変圧縮比エンジンは、必要に応じてより高い出力を発揮し、高速道路での燃費は最大31マイル/ガロン（約50km/L）と、より効率的な走行を実現します。さらに、トヨタは、エンジンの発熱を抑えるように設計された新型モーター「ダイナミックフォースエンジン」を発売します。このエンジンは、一般的な内燃機関に比べて熱効率が40%向上しています。これらの車はいずれも、内燃機関の改良がまだどれほど可能かを示す証です。そして、これまでの解決策は、エンジンの基本設計にしか焦点を当てていません。

発電所の外では、エンジニアたちはトランスミッションにギアを追加することでパワーを最大化することで、自動車の燃費向上に取り組んでいます。車両の電子機器やバッテリー管理システムの改良に加え、エンジンの通常運転中に発生する熱エネルギーから発電する方法も模索しています。エンジン設計や燃料精製における改良のほとんどは漸進的ですが、回生ブレーキやエンジン制御モジュールのセンサー改良といった既存技術と組み合わせることで、全体的な効果は大きく、自動車業界の専門家によると、平均的な自動車よりも最大60%も燃費効率の高い自動車が誕生する可能性があるとのことです。

マツダのSKYACTIV-Xをはじめとする、現在のエンジン技術の波が多くの点で注目すべき点は、内燃機関の根本的な見直しではないという点です。基本的な4ストロークサイクルを微調整し、パワーと効率を余すところなく引き出しているに過ぎません。例えばマツダは、シンプルな洞察力によってついにブレークスルーを達成しました。ディーゼルエンジンのように混合気を圧縮し、点火プラグで燃焼を開始することで、混合気はついに自然燃焼し、より少ない燃料でより多くのパワーを生み出すことができるようになったのです。

「エンジンを自然発火させるだけでなく、スパークプラグを使って圧縮着火を起こしました」とチェン氏は語る。「そのアイデアを思いついた途端、すべてが一気にうまく噛み合い始めました。私たちが使った技術はどれも前代未聞のものではありません。ただ、それらをどのように組み合わせるかという点が違いを生んだのです。」