ディーゼルエンジン

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ディーゼルエンジン（Diesel engine）は、ディーゼル機関ともいい、ドイツの技術者ルドルフ・ディーゼルが発明した内燃機関。1892年に発明され1893年2月23日に特許を取得した。ディーゼルは微粉炭を含む様々な燃料の使用を意図していた。1900年のパリ万国博覧会ではピーナッツ油での運転を実演した(バイオディーゼルを参照)。

鉄道車両（キハ183系)用のDML30HSI形ディーゼルエンジン
水平対向12気筒排気量30リットル(440PS/1600rpm)

[編集] 仕組み

圧縮して高温になった空気にディーゼル燃料（軽油や重油、初期には粉炭も用いられた）を吹き込んだ時に起きる、自己着火（正しくは「発火」）をもとにした爆発でピストンを押し出す（拡散燃焼）。理論サイクルとして低速のものはディーゼルサイクル（等圧サイクル）、高速のものはサバテサイクル（複合サイクル）が理論サイクルとして取り扱われる。

吸入行程: ピストンが下がり、空気のみをシリンダ内に吸い込む行程。
圧縮行程: ピストンが上死点まで上がり空気を圧縮する行程。
爆発行程: 高圧のシリンダー内に燃料を噴射・燃焼し、下死点まで押し下げられる行程。
排気行程: 慣性によりピストンが上がり燃焼ガスをシリンダ外に押し出す行程。

航空機にまで使われたクルップ・ユンカース式や、GMのシティートランジットに端を発した2サイクル機関は姿を消し、現在の高速エンジンは4サイクル機関である。
大型船舶用のものは、低速回転の2サイクル（ユニフロースカベンジングディーゼルエンジン）が多い。

燃料の噴射には高圧ポンプが使用され、燃焼方式の違いで、単室の直接噴射式と副室式（予燃焼室式・渦流室式）に分かれる。

過給器との相性は

空気のみを圧縮するため、高い圧縮比のエンジンでもノッキングが起こらない
シリンダー内に直接燃料を噴射するため、ターボチャージャーでもターボラグがない
- これはガソリン直噴エンジンでも同様である

などの理由から非常に良く、ターボチャージャーやスーパーチャージャーを装備するものが多い。特にトラックなどの大型のディーゼル車では、ターボチャージャーはほとんどの車についている。特にディーゼルエンジンの場合は、加給すればするほど実圧縮比が上がるため、燃料消費率がよくなる。裏を返せば、いかに燃料を燃やすかではなく、如何により多くの空気を使うかにかかっている。高濃度の酸素による金属焼損を無視、乃至克服できるならば、酸素のみ吸気させることで飛躍的に燃料消費率の改善が図られるだけでなく、NOｘの問題も解決される。余談だが、ディーゼルを用いた非原子力潜水艦の中には、ボンベ等に搭載された酸素に、非支燃性の気体を混ぜ、それを吸気させることでディーゼルエンジンを動かし推進しているものもある。　なお、ガソリンエンジンは、加給すればそれだけ混合ガスがシリンダーに入るため、燃料消費率が悪化する。ガソリン直噴エンジンの場合も混合気の希薄化には限界があり、抜本的な低燃費にはつながらない。

　ただ過給をおこなうディーゼルは、無過給に比べて馬力特性がガソリンエンジンに似た、最高回転数の8割付近を頂点とする放物線状を描くことになり、また、トルク特性はアイドリング付近を頂点として回転が上昇するにしたがって低下の一途をたどる（水平型と直立型で若干の違いがある）。無過給は全域にわたって馬力・トルクともにフラットであることを考慮すると、長距離をゆったりと走行することを目的とする自動車、および街中でいわゆるゴーストップが要求される自動車は、無過給のかわりに総排気量をあげることが、トラックのように馬力が必要で、かつ低燃費を必要とする自動車は過給を行うほうが得策である。エンジンルームをあまり広く確保できない自動車も同様に過給を行い、要求される出力を確保しつつエンジンを小型化する方法がとられる。

[編集] ガソリンエンジンとの比較

オットーサイクルのガソリンエンジンと比較して、圧縮時の筒内が空気のみであるため、プレイグニッション・ノッキングなどの危険がないことから圧縮比を18～22程度と高くできる（ガソリンエンジンは8～12程度）。
同じ理由でデトネーションの心配が無く、また、全域で排気圧が高いためターボチャージャーとの相性が良い。
空気過剰率が大きいため作動ガスの比熱比が高く図示熱効率が高い（炎の周りの空気も熱で膨張して仕事をする）。
出力制御を燃料噴射のみで行えるため、出力制御のためにスロットルバルブが必要ない（自動車用はガバナー制御や吸気騒音低減のためスロットルバルブを持つ）。そのため絞り損失（吸気損失・ポンピングロス）が小さい。
部分負荷時の燃料消費率が低く、同じ仕事に対する二酸化炭素の排出量が少ない、要するに燃費が良い。これがヨーロッパでのディーゼルシフトの最大の要因であり、世界初となった3リッターカーの実用化も、ディーゼルエンジンなしでは困難であったと思われる。
高回転運転が苦手（2.0l 4気筒の実用上限回転は4,800rpm程度）なため、同排気量あたりのガソリンエンジンと比較してカタログの上の最大出力の表示は低くなるが、低、中回転でのトルク特性に優れており、同じ力を出すための必要回転数は低くすむため、機械部分の損耗は少なく、また、ピックアップも良いためスロットル開度も小さくてすみ、乗員のストレスも少なくなる（同じ回転数の場合、より酸素を多く取り込めるディーゼルエンジンのほうが力を出しやすく、シフトダウン無しの加速が楽）。

デメリットとしては

機関自体に高い強度と剛性が必要で、タービンなどの補機も加わり質量が大きくなりやすい。
燃料噴射システムに高精度、高耐久が要求されるためコストがかさむ。
自己着火に必要な高温を高圧縮で作るため、小型エンジンだとエネルギー損失が多い（超大型では圧縮比が11～13程度で済むので効率が良い）。
高圧縮のため、エンジン本体の騒音、振動が大きくなりがちである。
脈動が大きく吸排気系の振動、騒音が大きい。
吸気管負圧を得にくいため、別途バキュームポンプが必要。
燃料噴射系のノイズが大きい。
燃焼室内が空気過剰（窒素過多）でNOxが発生しやすい。
高地など気圧の低いところでは不完全燃焼による黒煙が多くなる。
均一燃焼が難しく、黒煙や粒状物質（PM/パティキュレート・マター）が発生しやすい（最近では技術の進歩により、数年前のガソリンエンジンとあまり変わらない程度まで改善されている）
希薄燃焼域（軽負荷時は30：1～60：1）での運転が多いため、排気中の残留酸素が多く三元触媒が使えない。
自動車の場合、現在の日本の法制度では、規制のために例え新しいディーゼル車でも製造や輸入をするのが難しい。

などが挙げられる。

同メーカー　同モデル　Cセグメント 5ドアハッチバックでの比較データ／欧州自動車誌2004年版イヤーブックより
エンジン	T/M	最高速 km/h	0→100km/h 秒	0→1,000m 秒	80→120km/h 秒	高速燃費 km/l	市街地燃費 km/l
1.6ガソリン	5M/T	184.7	10"68	32"48	14"90 @5速	10.0	11.1
1.9Dターボ	5M/T	192.3	10"68	32"40	12"45 @5速	15.2	16.4
1.8ガソリンターボ	6M/T	204.5	8"32	29"85	11"80 @6速	11.6	10.6
1.9Dターボ　高出力	6M/T	215.9	8"61	29"82	11"32 @6速	14.2	12.6

[編集] 主な用途

高い耐久性と省燃費性を生かして大型自動車（トラック・バス）や、鉄道車両（ディーゼル機関車・気動車）、建設機械、農業用機械、潜水艦を含む船舶、内燃力発電などのエンジンに利用される。また加えてガソリンに比べて引火爆発の危険が少ない燃料を用いる事から、戦車や軍用車両に多く用いられている。

日本では、ディーゼル燃料がガソリンに比べて税制上安価(おおむね70%程度の価格)であることから、上記大型自動車などの他には、主に経済性を優先する商用車（トラック、バス※1、※2、ライトバン）や重量のあるSUVなどに多く使われている。

ヨーロッパではその省燃費性から「環境に優しい車」の代表格として一般乗用車においても広く普及しており、ディーゼル車の普及率は2001年の資料で、西ヨーロッパ全体で約40％、フランス、オーストリアで62％、ベルギーで57％、スペインで54％と過半数を占める。割合の低いドイツでも30％となっている。ちなみに同年の日本の普及率は6％と1割にも満たない。

特にヨーロッパでは2段過給等の新型高過給装置と尿素触媒などと組み合わせによる極低公害のプレミアムスポーツディーゼルが好評を博している。またヨーロッパの自動車メーカーであるアウディは、2006年から5.5LのV型12気筒ディーゼルエンジンを搭載したR10でル・マン24時間レースに出場し、デビュー戦で優勝を収めた。

[編集] 環境への影響と対策

あらかじめ空気とガソリンを混合して圧縮するガソリンエンジンと異なり、温度の上がった空気の中に燃料のみを噴射する拡散燃焼の原理上、着火から燃焼が均一にならないため、PM・黒煙・窒素酸化物(NOx)などが発生しやすいが、空燃比が高いため、CO（一酸化炭素）とHC（炭化水素）の発生はガソリンエンジンより遙かに少ない。
しかし、ディーゼルエンジンの場合、部分負荷域（パーシャルスロットル）での空燃比は30：1から60：1と、希薄となるため、排気ガスは酸素過多の状態となり、三元触媒が有効に働かないという点が排ガス浄化における課題である（ガソリンエンジンでは理論空燃比で燃焼させた場合、三元触媒により炭化水素(HC)・窒素酸化物(NOx)・一酸化炭素（CO）を同時に浄化できる）。

また。NOxと黒煙は二律背反の関係にある。高圧噴射で少量の燃料を完全燃焼させ黒煙を防ぐことは容易であるが、その際、高温、高圧下で筒内の窒素（空気）よりNOxが生成される。ガソリンエンジンに比べ、より多くの空気（窒素）を吸い込むディーゼルエンジンは不利となる。
燃焼時間を伸ばしピークの温度と圧力を低くするとNOxの生成は減らせることは分かっていたが、従来の一回吹きでは燃料過多となり燃え残りが増え、黒煙がきわめて多くなる。当然燃費も悪化し、本来排出が少ないはずのCO2のみならず、COとHCも格段に増えてしまうため本末転倒となってしまう。
このため、高圧で少量の燃料を数回に分けて噴射する、コモンレール方式が考案された。

ディーゼル燃料に残留する硫黄は硫黄酸化物（SOx）の排出と同時に、触媒表面に付着し、その機能を奪うことも長い間問題となっていた。低硫黄分の北海産原油を原料とする欧州に比べ、中東産の高硫黄原油を原料とする日本では、産業用としての需要がほとんどである軽油と重油は、コストアップに対して産業界からの抵抗も大きく、高レベル脱硫がなかなか進まず、酸化触媒の普及は欧州に比べかなり遅れていた。このことは大気汚染拡大の原因のひとつとして問題視された。

近年の環境志向の高まりに伴って、自動車NOx・PM法による使用過程車の運行禁止措置、石油会社による燃料の高レベル脱硫や、自動車メーカーによるコモンレール式（後述）への移行、ディーゼル触媒の開発、電動機とのハイブリッド化などによってこれらの大気汚染は改善しつつある。

排気ガス処理技術には、できるだけ低温、低圧で燃焼させNOxの発生を少なく抑え、酸化触媒やDPFによりPM、CO、HCを処理する方法と、できるだけ高温で完全燃焼させCO、HCの生成を抑え、その結果増加するNOxは尿素により還元処理する方法の二つに落ち着きつつある。
前者は乗用車用の小型のものから大型のディーゼルエンジンにいたるまで、現在の主流となっている。
後者は大型トラック用ディーゼルエンジン用として、日産ディーゼルが開発を進めたもので、三菱自動車も一部の車種に採用した。
そのほか、主流ではないが燃料の改質によりNOxを減らす方法があり、ジメチルエーテル混入、水エマルジョン燃料、など現在でも様々な研究が続けられ考えられてはいるが、供給体制の整備、使用者が補給を怠った場合の対策などの問題が出てくるため、大規模な実用化は進んでいない。

[編集] コモンレール方式

コモンレール式電子制御噴射ポンプ【common-rail】に分割予定

従来のディーゼルエンジンは燃料の“加圧”と“制御”の両方を燃料ポンプで行っていた。このようなポンプを「ジャーク式」といい、燃料噴射量・タイミングなどがすでに制御された状態で加圧を行うタイプである。回転の遠心力やばねを利用した機械制御（ガバナーと呼ばれる）が中心で、一部電子制御が採り入れられているものもあるが、加圧能力がカムのリフト量のみで決まるため自ずと限界があり、加圧行為そのものを制御するという構造上その制御にも限界があった。

一方、「蓄圧式」といわれるコモンレールシステムでは、燃料の“加圧”はポンプ（サプライポンプ）に、“制御”はインジェクタ（噴射装置）に分担させている。金属製の頑丈なパイプ（レール）に高圧燃料を蓄えてから、各インジェクタで噴射を行うため、ポンプ側は無理なカムリフトや噴射制御から開放された。また電気式インジェクターは開弁行為のみを受け持ち、多段噴射（パイロット噴射）などの完全燃焼させるための理想的な噴射に近づく自由な制御が可能になった。高い圧力で燃料を噴射することができ，燃料をシリンダ内に勢いよく送り込めるため、燃料がシリンダ内にくまなく行き渡る。そしてコンピュータ制御のインジェクタが，燃料噴射のタイミング・量・勢いなどを細かく制御することができ、より完全燃焼に近づけることでPMを大幅に減らす装置である。

なお，硫黄分や灯油（炭素）分の多い不正軽油を使用すると燃料噴射装置などの故障を招きやすい。

世界で初めてコモンレール方式を実用化したのはドイツのボッシュ社で、その登場は1910年代にまで遡ることができる。

当時の開弁圧は90bar程度と低く、インジェクターの開弁も圧縮空気によるもので、そのためのエアーコンプレッサーを必要とした。
1,400barを超える開弁圧と電子制御によるソレノイドやピエゾ素子を用いたインジェクターを備えた現在のコモンレールとは文字通り隔世の感があるが、基本的な原理は同じである。

なお、近年の量産実用化という点ではトラック用を開発したデンソーに続き、翌年に乗用車用をボッシュが開発という流れであり、それ以外の会社も含めて開発競争は激しくなっている。

省燃費と排ガス中のNOx低減のため、噴射時期と噴射量を個別に、しかも気筒別に制御することができる、コモンレール式に再び光があたることとなった。

[編集] ユニットインジェクション

メインポンプから送られた燃料の圧力を使い、インジェクター内で再度加圧する仕組み。パスカルの原理の応用。
インジェクターごとに加圧機構を持ち、従来型のポンプでは不可能な高圧が簡単に得られることから、完全燃焼させやすく、燃費の改善に効果がある。
フォルクスワーゲン・アウディグループが燃費最優先の考えでこの方式を選んだ。
電子制御コモンレール式の前段階の技術といわれたが日産ディーゼルでは現在も開発が進められている。

[編集] ディーゼル微粒子除去装置

（DPF・酸化触媒）「DPF(Diesel Particulate Filter)」は、ディーゼルの排気ガスに含まれる粒子状物質（PM）を捕らえるセラミック製のフィルターのこと。微細な穴により粒子状物質（PM）を捕らえる。白金など貴金属を含む触媒物質を塗布してあり，排気ガスが300度以上の高温の場合，触媒が粒子状物質（PM）に対し即座に化学反応が起こり、粒子状物質（PM）は無色無臭の気体に変化し排出される。

なお，触媒の多くは硫黄に弱く、フィルターの目詰まりの原因となるため，低硫黄化された軽油以外（不正軽油）の使用はできないが、フィルターにセラミックを使わず、金網と炭化珪素繊維を用いた製品もあり、こちらは低硫黄軽油以外も使用可能である。

[編集] 次世代燃料

エミッション低減の足かせとなる鉱物油由来の燃料に代わり、次世代のディーゼル燃料として注目されているのが、FT（Fischer Tropsch／フィッシャー　トロプシュ）合成油である、GTL（Gas To Liquid／ガス　トゥー　リキッド）燃料、BTL（Biomass To Liquid／バイオマス　トゥー　リキッド）燃料、CTL（Coal To Liquid／コール　トゥー　リキッド）燃料である。
これらの燃料は、単体で、あるいは軽油に混合してディーゼルエンジンに使用することで、エミッションの低減が期待できる。

GTL燃料の原料は天然ガス、CTL燃料は石炭であり、軽油に比べセタン価が高く、SOxの原因となる硫黄分やPMを発生させるベンゼン・キシレンなどの芳香族炭化水素をほとんど含まない。常温でも液体のため、CNGや水素とは異なり、従来のインフラがそのまま生かせる点も大きなメリットとなる。
ただし、硫黄が含まれないため、潤滑作用の点で軽油に劣るため、添加剤で対応する必要がある。

一方BTL燃料は、植物を原料とし液体燃料として合成したもので、GTL・CTL燃料の性質に加え、燃焼時に排出されるCO2は植物が生長する際に吸収したCO2量と等しいとされることから、ほぼCO2イコールとなり、京都議定書の目標達成には非常に有効となる。
植物全体を原材料とするBTL燃料は、植物の種子から得られる植物油燃料（BDF／バイオ　ディーゼル　フューエル、SVO／ストレート　ヴェジタブル　オイル）に比べ、同じ耕地面積から得られるエネルギーは倍以上と言われる。

これらの燃料は、生産量の増加に伴い価格も下がっていくと見られており、今後のディーゼル燃料の主流として期待されている。高セタン価燃料であるため、単体専用ディーゼルエンジンとしてなら圧縮比を13～15へと低圧縮比化でき、エネルギー効率を上げ低燃費化できるのも利点である。

[編集] ディーゼル排出ガス規制

2005年施行(乗用車)の「新長期規制」は，NOx＋HC：0.14＋0.024g/km以下，PM：0.013g/km以下（小型乗用車）という排出基準で実施されている。
また、2002年施行の新短期規制を達成していないディーゼルエンジンを搭載した、用途が貨物かつ初度登録から７年を経過した車両は首都圏や兵庫県の一部に設定された特定地域に乗り入れができない(地域によって規制値は異なる)。さらに、首都圏・中京圏・関西圏に指定された地域を使用の本拠とする車両は、上記の新短期規制と同程度の基準(車両総重量2.5t以下の貨物自動車および乗用車の場合、ただしＰＭは規制値の２分の１)を達成していなければ、新規登録および初度登録から8～１２年目(車種よって異なる)以降継続車検が受けれなくなる自動車NOx・PM法による規制など、厳しい措置がとられている。（なお、新短期規制値はガソリン車の３倍であり、燃費がガソリン車より３割程度良くても排出ガスが３倍では、環境にやさしいとは言えないとの批判もある）

短期規制(93年)→長期規制(97年)→新短期規制(02年)→新長期規制(05年)のように段階的に実施されている。

国の新車排出ガス規制	型　　式
短期規制以前 1993年以前	記号がない1979年頃までに製造された車 K-,N-,P-,S-,U-,W-,KA-,KB-,KC-
長期規制 1997年	KE-,KF-,KG-,KJ-,KK-,KL- 《ハイブリッド》HA-,HB-,HC-,HE-,HF-,HM-
新短期規制 2002年	KP-,KQ-,KR-,KS- (超低PM排出車) PA-,PB-,PC-,PD-,PE-,PF- ,PG-,PH-,PJ-,PK-,PL-,PM- ,PN-,PP-,PQ-,PR- 《ハイブリッド》HW-,HX-,HY-,HZ- (ハイブリッド・超低PM排出車) VA-,VB-,VC-,VD-,VE-,VF- ,VG-,VH-,VJ-,VK-,VL-,VM-,VN-,VP-,VQ-,VR-
新長期規制 2005年	ADE-,ADF-,ADG- ,BDE-,BDF-,BDG-,CDE-,CDF-,CDG-,DDE-,DDF-,DDG- 《ハイブリッド》 ACE-,ACF-,ACG-,BCE-,BCF-,BCG-,CCE-,CCF-,CCG-,DCE-,DCF-,DCG-

[編集] 関連文献

Diesel, Rudolf: Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung. Moers: Steiger Verlag, 1984.
ルドルフ・ディーゼル著 / 山岡茂樹訳・解説: ディーゼルエンジンはいかにして生み出されたか.東京: 山海堂 1993.8
Rauck, Max J.: 50 Jahre Dieselmotor : zur Sonderschau im Deutschen Museum. München: Leibniz-Verlag 1949.

[編集] 主なメーカー

[編集] 国内メーカー

[編集] 海外メーカー

MTU（独）
- デトロイトディーゼル（en:Detroit Diesel、米）
プジョーシトロエン・モトール（PSA・プジョーシトロエングループのエンジン製造を担当。仏）
キャタピラー（米）
カミンズ（米）
シス（フィンランド）
スカニア（スウェーデン）
ズルツァー/スルザー（de:Sulzer_ltd.、スイス）
ダイムラー・クライスラー（米・独）
- メルセデス・ベンツ（独）:2006年9月よりコモンレール方式を採用したEクラス 320CDIの日本向け販売を開始している。
ドイツ（独）　（de:Deutz AG)
ナビスターインターナショナル（en:Navistar_International_Corporation、米）
パーキンス（英）
ボルボ（スウェーデン）
マン（独）:ディーゼルエンジンを開発したルドルフ・ディーゼルを擁していた。
ルノー（仏）
ワルチラ（フィンランド）

[編集] 基幹部品メーカー

カテゴリ: エンジン | 自動車エンジン技術