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SKYACTIV-G エンジンの紹介

冨澤 和廣（マツダ株式会社 エンジン設計部）

1．はじめに

近年ハイブリッド車や電気自動車の市場導入が活発化し，

電気デバイスによる燃費改善技術の採用が進んでいるが，

2020 年時点でも自動車の多くは内燃機関を搭載していると考

えられている(1)．ハイブリッド等の電気デバイスの効果を十

分発揮させるには，そのベースとなる内燃機関の効率が高い

ことが重要である．それを具現化した新開発1.3Lガソリンエ

ンジンの諸性能と織り込み技術を紹介する．

2．エンジン諸元

本エンジンは，1.3L～2.5L で開発中の同体質の特性を有す

る次世代ガソリエンジンの第一弾である．これらのエンジン

は，内燃機関の理想へと近づけるための大きなステップとし

て，高圧縮比燃焼を実現する燃焼技術やポンプ損失改善にメ

スを入れ，更にディーゼル比優れている機械抵抗の一層の低

減をねらいとして開発を進めている．本エンジンの主要諸元

を Table.1 に示す． 高圧縮比 14.0 としながら，燃焼期間を

維持できる燃焼技術の確立と,ポンプ損失20％低減および，機

械抵抗 30％低減により，エンジンの燃費率を現行エンジン比

12％低減することを目標とした

Table.1 Principal specification

3．燃費改善技術

3.1. 高圧縮比化

高圧縮比化による弊害は，高負荷時の耐ノック性悪化によ

るIGタイミングの遅角化に伴うトルク低下や，高外気温環境

下および燃料オクタン価バラツキなどによるプリイグニッシ

ョンの発生などである．これらの課題をブレークスルーし，

高圧縮比での燃焼を実現した技術を以下に示す．

(1) ノックによる出力低下対応

ノックによる出力低下は，圧縮比上昇により，圧縮上死点

での①筒内ガスの温度や圧力が上昇することでノックしやす

くなり，ノック回避のためIGタイミングを遅角化して着火す

ることで実質膨張比が低下するのに加え，②燃焼期間が長く

なって熱効率が低下することが主な原因である．

①筒内ガス温度低減技術

燃料粒子の微粒化と筒内への均等噴射により，燃料の気化

潜熱による効果的な筒内ガス温度低減を狙い，6噴口マルチホ

ールインジェクタ(MHI)を採用した(Fig.2）．

Engine Current 1.3L SKYACTIV-G　1.3LMax Power （JIS　net） 66kW/6000rpm 62kW/5400rpmMax Torque （JIS　net） 120Nm/4000rpm 112Nm/4000rpmBore×Stroke (mm) φ74　x　78.4 φ71　x　82Displacement (cc) 1348 1298Compression ratio 11.0 14.0Intake- Open(BTDC) -12～28 -36～38valve time Close(ABDC) 80～40 110～36Exhaust - Open(BBDC) 31 9～52valve time Close(ATDC) -1 48～5Fuel Injection PFI DI

（6Hole Injector)Combustion Chamber Flat piston Cavity pistonCooled EGR w/o. w/.Int.S-VT Hydraulic ElectricEx.S-VT w/o. HydraulicValve　train Direct Roller followerTappet clearance adjustment MLA HLACamshaft journal finish STD mirror finishCrank main/pin journal dia. φ50/φ40 φ43/φ43

Chain typeRoller（STD)

Roller(Low friction)

Oil Pump drive Direct Chain drive

Oil Pump Control w/o.Electｒic　control

(2-stage)

Accessory drive belt SerpentineAlternator belt

+ Water pump beltAccessory drive belt tensioner Mechanical Hydraulic

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Fig.7 WOT Performance

Fig.2 Multi hole Injector

更に，燃料のミキシング，気化を促進させるために，燃料

噴射時期を吸気行程中 2 段階に分割した噴射制御とした．筒

内温度分布の解析を実施し，分割噴射とすることで温度分布

が改善し，混合気高温部のガス温度が6℃低減することを確認

した．この温度低減は圧縮比 0.5 低減と同等の効果と考えら

れ，この効果により耐ノック性が改善し，1500rpm の全開ト

ルクは5.5％向上した．また，Cooled EGR システム(Fig.3)を

採用し，EGR クーラで冷却された排気ガスを吸気に還流させ，

自己着火発生までの時間を長くすることでノックを抑制し，

高負荷領域のトルクを向上させた．

Fig.3 Cooled EGR

②燃焼期間短縮技術

高圧縮比化のためにピストン頭部形状を盛り上げる際，

Fig.4(a）に示すフラットピストンを用いると，燃焼速度が低下

し熱効率は悪化する．これは，初期火炎面がピストンに干渉し，

そこで火炎が冷却されて伝播が阻害されたためと考えられる．

そこで初期火炎の伝播を妨げないピストン形状を狙って，

Fig.4(b)のようにピストン頂部に球形キャビティを設けること

で燃焼速度の低下を抑制した(2)．これにより 1500rpm 全開トル

クは約 4％向上した．更に，筒内流動を強めるために吸気ポー

ト入射角，バルブ傘角などを 適化することでタンブル比

（Tr）：2.25を実現した．また，現行1.3Lエンジンに比べ，ス

モールボア化することで火炎伝播距離を短くし燃焼期間短縮を

図った．これにより1500rpm全開トルクを更に9％向上できた．

これらの技術の織込みにより，圧縮比を 14.0 まで高めなが

ら，従来エンジン並みの燃焼速度を実現し，出力性能は回転

上昇に対してフラットな特性とした（Fig.5）．この出力特性

とエンジン制御および CVT 制御のチューニングにより，走り

性能は現行車のレベルを維持しつつ，アクセル操作に対して

リニアに加速してゆく上質な走り感を実現した．

(a）Flat piston (b）Cavity piston

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Engine Speed [rpm]

BM

EP

[(kP

a]

Current 1.3L (CR11)

SKYACTIV-1.3L (CR14)

Fig.5 WOT Performance

(2) 圧縮比向上による熱効率改善

開発初期段階において，圧縮比を13以上に上げても燃費改

善が頭打ちになる現象が発生した(Fig.6)．この原因は，プラ

グ付近の高温の既燃ガスがピストン頭部壁面に接触すること

による冷却損失の悪化が支配的であることが分かった(3) ．前

述の球形キャビティピストンにより既燃ガスがピストン壁面

に接する面積を低減することで冷却損失を改善し，燃費向上

代を理論値近くまで改善した．

Fig.6 Relation between compression ratio and fuel consumption

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(3) 異常燃焼発生に対するロバスト性

高圧縮比エンジンでは正常な火炎伝播前に圧縮自着火によ

る異常燃焼が生じるプリイグニッション（プリイグ）などの

発生回避が重要になる．圧縮自着火はオクタン価，圧力，温

度，時間に依存し，低オクタン，高有効圧縮比，高温，低回

転側で発生リスクが高くなる．本エンジンでは耐プリイグ限

界を高めるため，吸気圧縮分割噴射を採用した．その結果，

従来エンジンに比べ有効圧縮比を高く設定することが可能と

なり，低速トルクの向上が図れた．また，環境，劣化，燃料

性状等の条件に対してロバストにするため，プリイグ予測制

御を採用し，プリイグﾞ限界に近づいた際は吸気バルブ閉時期

（IVC）を遅らせて有効圧縮比を下げることでプリイグ発生か

らの余裕度を確保している（Fig.7）．更に，万が一プリイグ

が発生する条件に入った場合でも軽度の燃焼変化をイオン電

流の変化として検出し，空燃比や IVC のコントロールにより

プリイグ回避制御を行うロバストなシステムとした．

Fig.7 Relation between pre ignition limit and effective

compression ratio

3.2. ポンピングロス低減

ポンピングロスを低減するため，吸気バルブの閉時期を

ABDC105 度まで遅くし，さらに吸気電動 S-VT（Sequential

Valve Timing ），排気油圧S-VTからなるDual S-VT(Fig.8)の採

用により吸・排バルブオーバラップによる内部 EGR を制御す

ることでポンピングロスを約20％低減した．従来，ここまで吸

気遅閉じにすると有効圧縮比の低下による燃焼安定性悪化で燃

費改善できなかったが，高圧縮比化により，遅閉じ量を増加し

ても有効圧縮比が維持できることから，燃焼安定性を確保しつ

つ大幅なポンピングロス低減が実現できた(Fig.9）．部分負荷運

転では，吸気バルブ閉時期をABDC105度まで遅くしているが，

スロットル全開時には即座に吸気バルブ閉時期を出力に有利な

ABDC36度まで動かす必要があり，素早い応答性を低回転から

常に安定して確保できる電動式の吸気 S-VT を採用した．この

電動 S-VT は前述のプリイグ回避のため吸気閉時期を素早く正

確にコントロールする要求からも重要な部品となっている．

Fig.8 Dual S-VT

Fig.9 Pumping loss reduction

3.3. 機械抵抗低減

以下技術の織込みにより，エンジン全体の機械抵抗を現行

機種比30%低減した (Fig.11)．

(1) 往復回転系：クランクジャーナル細軸化による回転抵抗

低減や，ピストンスカート剛性適正化とリング張力低減によ

るシリンダライナとの摩擦抵抗低減，ピストンやコンロッド

の軽量化による往復慣性力の低減により，往復回転系の機械

抵抗を20%低減した．

(2) 動弁系：ローラフォロアの採用，カムリフトカーブの 適

化によるバルブスプリング荷重低減，カムジャーナル鏡面加

工により動弁系の機械抵抗を54%低減した．

(3) チェーン系：高剛性ストレートガイドの採用によるチェ

ーンとガイド間の摩擦抵抗低減や，レバーに作用する荷重分

担均等化によるチェーン挙動の安定化でチェーン張力を低減

すると共に，チェーンリンク形状を見直し，チェーンとガイ

ド間の油膜形成を促進させた低フリクションチェーンの採用

により，チェーン系の機械抵抗を30%低減した．

(4) 冷却系：冷却水通路の抵抗低減によりウォータポンプの

仕事を低減した上で，高効率樹脂インペラの採用によりウォ

1000rpm Pe150kPa

70 75 80 85 90 95 100 105 110

IVC

Pum

ping

los

s [k

Pa]

Δ20%

SKYACTIVE-1.3LStability limit

Current 1.3LStability limit

SKYACTIV-1.3L

Current 1.3L

IVC 75 75 77 91 101Injection.T. Closed valve Closed valve Closed valve Closed valve Closed valveCompressionRatio Nominal Nominal Nominal Bad Worst

Fuel Average Average Average Average Worst

Intake air temp. Normal High High Highest Highest

Coolant temp. Normal Normal High High Highest

atmosphere P. Normal Normal Normal Highest Highest

Humidity Normal Normal Low Low Lowest

6

7

8

9

10

11

12

13

Eff

ectiv

e C

omp.

Rat

io_

control rangeof IVC

control rangeof fuel-air ratio

SKYACTIV eff.CR w/ preignition control

Preignition limit / normal

Current Engine eff.CR = 7.6

Effect of fuel injection during the compression stroke 1000rpm

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ータポンプの効率を改善することで，冷却系の機械抵抗を27%

低減した．

(5) 補機駆動系：ベルト張力を低減してもベルト振動の悪化

を抑制できる 適補機配置を採用した上で，油圧式オートテ

ンショナの採用によりベルト振動時のダンピング性を高める

ことでベルト張力を下げ，機械抵抗を13%低減した．

(6) 潤滑系：オイルポンプ～各油圧デバイス間の経路シンプ

ル化による圧力損失低減や，各油圧デバイスの要求油圧のMin

化を行った．その上で，油圧フィードバックと電子制御油圧

切替え機構を搭載したオイルポンプ(Fig.10)の採用によりエ

ンジンの運転状態に応じて必要な油圧にコントロールするこ

とで，潤滑系の機械抵抗を57%低減した．

Fig.10 Oil pump with oil pressure control system

ZJ-VEM SKYACTIV 1.3L

FM

EP

[kP

a]

FEADCoolingChain Cam LubricatingPiston/Crank30％

Reduction

Fig.11 Reduction in Mechanical Resistance（1500rpm）

Fig.12 BSFC curve

4．まとめ

本エンジンでは，内燃機関の理想に向けた改善のファース

トステップとして，高圧縮比燃焼を実現する燃焼技術やポン

プ損失改善及び機械抵抗の一層の低減を図り，従来機種に比

べて12%の燃費改善を達成した(Fig.12)．

(1) キャビティピストンによる急速燃焼及び冷却損失の低減，

マルチホールインジェクターによる混合気冷却とタンブル強

化による急速燃焼，Cooled EGRの採用など，新たな技術によ

り圧縮比14.0としてもトルクの低下を防止すると共に，燃費

改善効果も理論熱効率の改善比率に近いレベルにまで高める

ことができた．

(2) 吸気圧縮分圧噴射によりプリイグ発生限界を高めると共

に，プリイグへの影響因子の詳細把握に基づく予測制御，イ

オン電流検出制御による回避制御等，異常燃焼発生回避に対

してロバストなシステムを構築した．

(3) 電動吸気 S-VT と油圧式排気 S-VT を組合せた Dual S-VT

を採用，大幅な吸気遅閉じと吸・排バルブオーバラップによ

る内部EGRコントロールにより，ポンピングロスを20%低減し

た．

(4) 新開発の電子制御油圧切替機構を持ったオイルポンプの

採用や各部の抵抗の徹底的な低減により，機械抵抗を従来機

種比30%低減させた．

参 考 文 献

(1)環境対応車普及方策検討会：環境対応車普及によるCO2削減

予測，環境対応車普及戦略，2010，p129

(2)西田正美ほか：高圧縮比エンジンの燃費改善技術につい

て，第21回内燃機関シンポジウム，p.539-544(2010)

(3)山川正尚ほか：高圧縮比ガソリンエンジンの燃焼技術の開発，

2011年 5月 18日自動車技術会春季学術講演会において発表

0 100 200 300 400 500 600 700 800Load [BMEP:kPa]

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1000rpm

SKYACTIV-1.3L

Current 1.3L

12%

Poor

Good

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