トヨタが開発中の第3のゼロエミッション「水素エンジン」の熱効率は?【週間クルマのミライ】

■発電用の水素大型エンジンでは正味熱効率50%オーバーを狙う

カーボンニュートラルの実現に向けて、様々なソリューションを手掛けているトヨタ。その一つとして「水素エンジン」の技術開発に取り組むことを発表しています。

トヨタ水素エンジン
トヨタは2021年のスーパー耐久24時間耐久レースにて水素エンジンを投入することを発表した

まずは、カローラ スポーツをベースとした競技車両に水素エンジンを搭載し、5月21日から23日に行われるスーパー耐久シリーズ2021 第3戦 NAPAC 富士SUPER TEC 24時間レースから、「ORC ROOKIE Racing」の参戦車両として投入することが発表されています。

このエンジンは、総排気量 1,618ccの 直列3気筒インタークーラーターボで、燃料には圧縮気体水素を使用するといいます。つまり、MIRAIなど水素燃料電池車と同じ圧縮水素によってエンジンを動かすというアイデアです。

燃料電池車のためだけに水素インフラを整備するよりも水素エンジンも併用することで水素ステーションの普及に一役買う可能性もあるということで、注目を集めています。

もちろん、カーボンニュートラルが求められる時代において、モータースポーツにおいてはエンジンによる刺激的なサウンドが残り続ける可能性という点でもモータースポーツファンにとっては大いに期待したいテクノロジーといえるでしょう。

水素エンジンというのはけっして新しい技術ではありません。かつて世界中の自動車メーカーが研究していた時期もありますし、日本ではマツダが水素とガソリンを併用できる水素ロータリーエンジンを開発、RX-8に搭載して公道走行をしていたこともあります。

しかし、実用化目前までいっていた水素エンジンですが、当時は大きな課題がありました。それは冷却損失の多さからくる熱効率の悪さでした。また、NOx(窒素酸化物)の発生量も多くなりがちで、ゼロエミッションとはいかないという指摘もあります。

マツダが水素ロータリーエンジンを開発している頃、「同じ水素を使うのであれば、燃料電池で使ったほうが効率もよく、排ガスのクリーンだ」というのが当時、燃料電池車を開発しているエンジニアの多くが主張していることだったと記憶しています。

マツダ水素ロータリー
かつてマツダが開発したのが『プレマシー ハイドロジェンREハイブリッド』。水素ロータリー+ジェネレータによって走りシリーズハイブリッドだった

では、トヨタが再挑戦するといえる水素エンジンも同様の課題を抱えているのでしょうか。現時点では、トヨタの技術レベルについては不明な点も多いのですが、じつは水素エンジンには正味熱効率50%以上の性能を発揮できる可能性があるとされています。

たとえば、2018年に産業技術総合研究所、岡山大学、東京都市大学、早稲田大学の研究グループが川崎重工業、海上技術安全研究所(海技研)、前川製作所と共同で開発した水素エンジンは、正味熱効率54%を超える性能を発揮したと発表されています。

このような高効率を実現したトピックスは「過濃混合気点火燃焼方式(PCC燃焼)」により火炎の壁面衝突を減らしたことです。つまり、冷却損失を低減させることに成功したのです。

その燃焼方式に合わせた燃焼室形状、EGR(排気再循環)と過給の組み合わせといった要素も熱効率の向上には効いているといいます。過給との組み合わせが有効というのも注目です。

いずれにしても水素エンジンの熱効率は低いというのは過去の話になっているといえます。

ただし、日本における水素エンジンの研究開発は、発電用の大型エンジンとして用途が中心的です。

それは日本政府が考える水素社会において、火力発電所を天然ガスから水素に置き換えることでカーボンニュートラルの実現を目指すという方針があるからです。水素社会というと燃料電池車がバンバン走るような世の中を想像してしまいがちですが、じつは日本全体でいえば8割近くの水素は火力発電に用いるという試算もあるほどです。

なお、発電用の大型エンジンは、乗用車のエンジンとは根本的に考え方が異なりそのまま技術を利用できないと考えるのが妥当でしょう。そのため、トヨタがスーパー耐久に投入するという3気筒ターボエンジンが同様に50%を超える熱効率を実現しているとは限りません。

ひとまずモータースポーツでアピールするということは、環境性能よりもパフォーマンス重視のフェイズにあると考えられますが、はたしてトヨタの水素エンジンは冷却損失というウィークポイントをどのように克服したのか、続報に注目といえそうです。

自動車コラムニスト・山本晋也