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BMWのエンジン技術を見る

 BMW Mobility of the Future - Innovation Days in Japan 2010が開催された。
 BMWとしての環境技術や、今後の技術的なロードマップを示すもので、東京だけではなく、ヨーロッパ、中国などでも開催されている。

BMW1.jpg

 まずはその技術的なロードマップ。いよいよ大型車、7ハイブリッドに続き、今年中にX6ハイブリッドが投入されることになった。BMWも近い将来は、ハイブリッドカーとコンパクトサイズカーにはEVの採用を決定したことを物語る。MINI Eはすでに実証実験車として600台がドイツ、ヨーロッパ、アメリカを走っている。また引き続き1シリーズ・クーペをベースにしたBMWコンセプト・アクティブEが2011年から実証実験走行車が登場するという。ただいずれにしてもEVは都市内のコミューター的な位置づけて、その先にはレンジエクステンダーを考えているのだろう。
 その一方で、従来からBMWが推進してきた水素エンジンは、否定をしないまでもトーンは低くなっている。水素タンクの問題より、水素生成のロードマップが不明確だからだろう。

次は現在採用されている個別技術に目を移してみる。

直噴インジェクター

 まずはガソリン直噴インジェクション・システムだ。噴射圧が200気圧のスプレーガイデッド・インジェクションである。デザイン的な特徴はこの高圧噴射と、インジェクターが燃焼室の真上、点火プラグに接するように位置にあることだろう。燃焼速度が最大限に追及されていることが分かる。また、リーンバーン運転も行っているとしている。この高圧インジェクターは、コモンレール式ピエゾインジェクターで、シーメンス(現コンチネンタルAG)製。3ステージ噴射を行うといわれている。またこのインジェクションシステムは、メルセデスの直噴エンジンにも採用されている。
 リーンバーンは4000回転以下の低負荷運転で行われる。現在では、他のメーカーはリーンバーンは放棄しているが、BMWは直上配置のスプレーガイデッド・インジェクターと組み合わせた成層燃焼にこだわっているようである。
 リーンバーンでは3元触媒が機能しないためNOx吸蔵触媒を装備し、この触媒を劣化させる硫黄成分対策も加えられているようだ。
 また注目されるのは、自然吸気の4気筒、6気筒エンジンは、リーンバーン採用に伴い、バルブトロニックを廃止し、ダブルVANOS(連続可変バルタイ機構)としている。つまりバルブタイミングの可変化により、吸気遅閉じなどミラーサイクル的な要素も取り入れているのだろう。(ただし、よりハイパワーのターボ版にはバルブトロニックを採用し続けているので、コスト的な要因も大きいと思われる)
また高圧直噴とあわせ、ターボを採用する方向も明確になっている。VWほど明確にダウンサイジング・コンセプトを提唱していないが、直噴+過給により小排気量化は間違いないだろう。

 BMWはターボシステムに関して「ツインパワーターボ」という呼称を採用している。
・直6用ターボは2種類
 べースはツイン・スクロール・ターボだ。
 BMW 335iやBMW 535iなどの直列6気筒3.0Lエンジンではツイン・スクロール・ターボを採用している。実はBMW初のターボ、BMW2002tiターボはツインスクロール・ターボであった。ただ当時はターボの材質などで完璧ではなく、短命に終わっている。
 ツインスクロールターボはシングル装備で、ターボチャージャーの排出ガス導入口を2
つに分けることにより、各気筒の排気の流れの干渉を抑え、バルブトロニックと組み合わせることで、これまで以上にシリンダーに吸入する空気のレスポンスが高まり、さらには燃焼ガスのシリンダー外への排出も促進されるため、過給圧の立ち上がりが早く、結果としてターボ・ラグが解消るというもの。ターボの2つの排ガス導入口にはそれぞれ1~3番気筒と4~6番気筒の排出ガスが導入される。直列6気筒エンジンの点火順序は1-5-3-6-2-4なので、排ガスはそれぞれの導入口に交互に導入されることになり、互いの排ガスの流干渉がなく、排ガスのエネルギーが効率よくターボ翼に導かれるのだ。
 一方、同じ直列6気筒でもパラレル・ツインターボが採用されている機種もある。BMW 740i/740Liなどの直列6気筒3.0Lエンジンはよりパワーを引き出すべく小型ターボを2連装する。それぞれのターボが1~3 番気筒と4~6 番気筒の排ガスを受け持つ。ひとつのターボ・チャージャーが受け持つ排ガスが少ないためターボが小型化でき、レスポンスを向上させることが出来る。

直6ツイン

・V型8気筒ツインターボ
 BMW 550iやX5 xDrive50iに搭載されるV型8気筒4.4Lツインパワー・ターボエンジンは、2基の小型ターボ・チャージャー(4気筒に各1基)をV型のシリンダー・バンクの間に配置する独特のレイアウトを採用する。このレイアウトのため、外側吸気、Vバンク側排気と、通常とは吸排気を逆転したレイアウトである。このレイアウトのため排気マニホールド、吸気経路がともに短く、エネルギー損失や圧力損失を最小限にし、エンジンのレスポンスを向上させている。

V8ツイン

・V型8気筒Mシリーズ用ツインターボ
 Mモデル用のV8エンジンは、もちろんツインターボだが、ツインスクロール・ターボをV型8気筒エンジンのバンク谷間に配置する。つまりVバンク間にレイアウトするのは通常のV8と同じだが、ツインスクロールタイプであることが特徴だ。このツインスクロールターボと排気ポートを接続するために独特のクロスバンク・エキゾーストマニホールドを採用している。つまり2個のタービン入り口を持つツインスクロールとし、V8エンジンの排ガス干渉を抑えてより強力なトルクとクイックなレスポンスを追及し、エンジンが持つポテンシャルを最大限引き出し、アクセルを踏んだ瞬間から強力なパワーを発揮されること狙った、まさにパラノイア的なレイアウトといえる。
 このエンジンの中核を成すのがクロスバンク・エキゾーストマニホールドで、このエギゾーストマニホールドは対向するバンク間の2気筒ペアで排出ガスを集約し、合計4本の独立した排ガスの流れを作り出す。その4本の排ガスは2基のツインスクロール・ターボに2本ずつ導かれる。それぞれのツインスクロール・ターボは、2本の排ガスの流れは、相互の干渉を回避でき、独立したまま2つの導入口を介してタービン翼まで導かれる。この結果過給圧の立ち上がりが早く、自然でダイレクトなレスポンスを実現するのだ。
 このクロスバンク・エキマニはBMWが特許を保有する。
 また、このMモデル用のV型8気筒は、ドライサンプに匹敵する強力な複数のオイル・サクションポンプを装備している。これは高い横gがかかった状態でも確実なオイル循環をはかるためだ。

V8ツイン 2

・V型12気筒ツインターボ
 BMW 760LiのV 型12気筒6.0Lツインパワー・ターボは、片側バンクごとに1基ずつターボを装備。つまりこれは通常のレイアウトである。V型12気筒のバンク角は60度とV型8気筒エンジンよりも狭いため、Vバンク間にはレイアウトできず、エンジンルーム内の空間を有効に活用する観点から、ターボ・チャージャーは両バンクの外側に置かれている。

・電動ウォーターポンプ
 一般的なエンジンではウォーター・ポンプはエンジンの動力で駆動され常にポンプは作動し冷却水を循環させている。そしてポンプの容量はエンジンが最も高温となる運転状態でもじゅうぶんな冷却を行えるように設定されており、冷却水の水温調整はラジエーターに送る冷却水の量を変化させることで行っている。一方電動ウォーター・ポンプは電気モーターで駆動されるためエンジン回転数とは関係なく、冷却水循環量を自在に制御することができ、エンジンが冷えている時には冷却水循環量を極力抑えることで、ポンプ駆動のためのエネルギーを節約できる。また、冷却水の温度をきめ細かく制御できるため、通常の走行時には冷却水温度を高めにしてフリクションを抑え、高速走行をする場合には、ウォーターポンプを積極的に駆動させ、冷却水温度を低めにして、出力を最大限まで引きすことができる。
 日本では、プリウスなどごく一部しか採用されていないが、本来は全てのエンジンに有効な技術だ。

電動ポンプ

・マップ制御式オイル・ポンプ
 エンジン内にオイルを循環させるオイルポンプもエンジンの動力で駆動され、オイルポンプはアイドリングのような低回転でも十分な循環量を確保するように設計されているため、エンジン回転が上昇するに従って循環量は増加する。一般的なエンジンではオイルの流路に単純なバネを用いた調節弁がついているだけで、日常よく使用する2000rpm前後の領域では必要以上にオイルを循環させ、結果的にフリクション、駆動損失を生み出している。マップ制御式オイルポンプはオイルの循環量をきめ細かく制御すらため、常にエンジンが潤滑に必要としている分だけをオイル循環させることができる。
 これもすべてのエンジンに有効な技術である。

mappump.jpg

 
・カップリング付エアコン・コンプレッサー
 エアコンのコンプレッサーそのものをクラッチによってエンジンの駆動から切り離し、無駄なエネルギーの消費を抑制するもの。
 エアコンのコンプレッサーは、近年は可変容量型コンプレッサーが使用され、エアコンがOFFの時にはコンプレッサーは最小の容量で作動しているが、そのような状態でもコンプレッサーが回転する際の摩擦抵抗等により、エンジンにかかる負荷はゼロではない。カップリング付エアコン・コンプレッサーは、この負荷を取り除くものだ。

・ブレーキ・エネルギー回生システム(マイクロ・ハイブリッド・テクノロジー)
 ブレーキ・エネルギー回生システムでは、加速時には発電は行わずバッテリーが蓄えいる電力を消費。つまり加速時にはオルタネーターは駆動されない。バッテリーの充電は、クルマが減速時(すなわちドライバーの足がアクセルペダルから離した時)、これまで捨てられていた運動エネルギーを使用してオルタネーターを駆動することで得られる。
 従来の車両はバッテリーを充電するためにオルタネーターは常に駆動され加速時にもエンジンの動力を使用し、バッテリーがフル充電の状態では、それ以上充電は行われないようになっていた。

電気回生

 ブレーキ・エネルギー回生システムでは、インテリジェント・バッテリーセンサーが、バッテリーの充電状況をモニターし、バッテリーの残量が一定のレベル以上(図の緑色のゾーン)ある場合、加速中にはオルタネーターの駆動を停止。車両が使う電力はバッテーに蓄えられた電力によってまかなわれる。減速中にはオルタネーターは最大出力で発電する。減速する頻度が少なくバッテリーが蓄えていた電力を消費し続け、残量が中程度に下がると(図の黄色のゾーン)、オルタネーターは加速中でも発電し、車両が使要している電力を補う分だけを発電。バッテリーの充電のための発電は行わないので、オルタネーターが必要とする動力(燃料消費)は少ない。そして減速時には充電が行われる。さらにバッテリーの残量が一定レベル以下になると(図の赤色のゾーン)オルタネーターは従来通りの発電、つまり加速中でも発電を行う。つまり電力マネジメントを行えば、ブレーキエネルギーを回生でき、燃料消費を少なくすることが出来るのだ。
 残念ながら日本車全般では、充電制御(加速時や、満充電時に充電を抑制する)といったシステムが採用されているていどで、この面では遅れている。

・ハイブリッドカー
 BMW ActiveHybrid 7のシステム合計最高出力は342kW(465ps)、最大トルクは700Nm(71.4kgm)。0→100km/hは4.9秒という圧倒的な運動性能を発揮する。つまりBMW ActiveHybrid 7は、世界で最も高性能なハイブリッド・システム搭載モデルで、このあたりにBMWのハイブリッド観が見える。
 BMW 750iおよび750Liに比べ、最高出力が14%、最大トルクが17%の向上を実現しているが、10・15モードで燃量消費率が約40%向上する。小型軽量設計のリチウムイオン・バッテリーの採用により、ハイブリッド・システムによる車両の重量増は75kg、トランクスペースは460Lを確保し、実用性と機能性を犠牲にしていない。
 また、ニューBMW ActiveHybrid 7は、BMWのオートマチック・トランスミッション車としては初採用となるアイドリング・ストップ機能、「ハイブリッド・スタート/ストップ機能」を装備する。このハイブリッド・スタート/ストップ機能の搭載によりアイドリング中にエンジンが自動的に停止し、信号待ちや渋滞での無駄な燃料消費を抑え、CO2 排出量および燃料消費量を削減する。特に発進と停車を頻繁に繰り返す日本の交通状況に
おいては、このハイブリッド・スタート/ストップ機能が燃料消費量の削減に非常に大きな効果を発揮するわけだ。
 なおこのアイドルストップ/ハイブリッド適合8速ATはZF社の最新ユニットである。

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