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直噴ターボとは?メリット3つとデメリット4つ!カーボンや耐久性のトラブル・不具合が多発?!

エンジンの進化の歴史はパワーアップの歴史でもありますが、エンジンのパワーアップにはいくつもの技術があります。

その中にはターボチャージャーや直噴エンジンという技術がありますが、それを組み合わせた「直噴ターボエンジン」というものも登場しています。

今回は直噴ターボエンジンについてご説明します。

直噴ターボとは

クラウン エンジン

直噴ターボエンジンはガソリンエンジンの技術の一つで、ターボチャージャーと直噴火技術を組み合わせたエンジンです。

それぞれの技術については以下の記事で詳しくご説明していますので、ここでは概要とこの2つの技術を組み合わせた場合の効果についてご説明します。

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ターボチャージャーの効果と弱点

エンジンのパワーアップの手段としてよく使われるものの一つにターボチャージャーがあり、少ない排気量でも出力を高める効果があるデバイスです。

ターボチャージャーはエンジンに吸い込む吸気を圧縮するデバイスで、排気ガスのエネルギーをタービンで回収してそのエネルギーでコンプレッサーを回転させて圧縮を行っています。

レシプロエンジンは空気と燃料の最適な混合比が決まっており、吸入する空気量が多ければ多いほど多くの燃料を燃焼させることができ、その分エンジンの出力を高めることができます。

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ターボエンジンは1.5倍程度上の排気量を持つ自然吸気エンジンと同程度の出力が期待でき、小型エンジンでも高い出力が実現できます。

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ですがターボエンジンには一つ弱点があり、エンジンの効率を高めるのに重要なエンジンの「圧縮比」を高くすることができません。

というのもガソリンエンジンには「ノッキング」という大きな課題が常につきまとっており、圧縮比が高くなって圧縮後の温度が高くなると、混合気内のガソリンが自然発火して異常燃焼する現象が起こります。

ノッキングによってエンジンには高い衝撃や振動、最悪の場合エンジンの故障につながるので、ノッキングは起きないようにしなければなりません。

ターボエンジンで圧縮された空気をシリンダーに送り込むとその分圧縮時の温度は上がってしまうため、ターボエンジンは一般的に圧縮比を低めにする必要があります。

自然吸気エンジンで10〜14程度の圧縮比が一般的なところ、ターボエンジンは9以下が一般的であり、エンジン本体としての効率は決して高くありません。

弱点を克服する直噴化

直噴エンジンとは燃料をあらかじめ混合して混合気を作るポート噴射と違い、シリンダーの内部に直接燃料噴射を行うエンジンです。

MEMO

直噴エンジンではシリンダーに最初に送り込まれるのは空気のみで、ピストンで圧縮されるのも空気のみです。

ピストンで圧縮された空気の中に燃料を噴射し、ほぼ同時期にスパークプラグで点火することで燃焼が始まります。

直噴エンジンはこの構造によりノッキングに強いという特性があり、燃料のない状態で空気だけ圧縮するのでその状態ではノッキングが起きません。

また燃料を超高圧で細かい霧のように噴射するので、噴射された燃料はすぐに気化して気化熱を奪い、シリンダー内の温度を下げることでノッキングに達する温度になりにくくなっています。

これらの効果によって直噴エンジンはポート噴射エンジンより圧縮比を高くすることが可能で、エンジンの効率アップおよび出力やトルクの面で大きなメリットを持ちます。

この特徴はターボチャージャーを組み合わせる上でも相性が非常によく、ターボチャージャーで吸気を圧縮してもノッキングは起きにくく、圧縮比の高い高効率のターボエンジンを実現できるのです。

これにより直噴ターボエンジンの圧縮比は10前後まで高めることができます。

MEMO

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直噴ターボの音

直噴ターボエンジンには一種独特のエンジンサウンドがあり、これは直噴エンジンの特徴とターボエンジンの特徴が重なったものとなります。


この車はスバル伝統の水平対向エンジンに直噴ターボの技術を組み込んだエンジンで、エンジン形式による特徴的なサウンドは水平対向エンジンなので結構静かです。

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ですが直噴ターボエンジンとなると、ターボエンジン特有の低く唸るようなサウンドに加え、直噴エンジンのノイズが混ざり、結構気になる音が多くなります。

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直噴エンジンは燃料を高圧で噴射している関係で燃料噴射インジェクターやポンプからのノイズが大きく、カチカチという独特な音は同じような燃料噴射系を持つディーゼルエンジンと似たものがあります。

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決して上質な音ではないので運転席でも気になることが多く、遮音材などで対策しても自然吸気エンジンよりはうるさくなってしまいます。

直噴ターボのメリット・デメリット

メリット、デメリット

直噴ターボエンジンにはその特徴的な構造からいくつものメリットがありますが、その一方でいくつかのデメリットもあります。

直噴ターボのメリット

直噴ターボエンジンのメリットは直噴技術とターボの組み合わせという相性の良さから生まれるものです。

高いエンジン効率の実現

前述でご説明している通り、直噴ターボエンジンの大きなメリットはその効率の高さであり、エンジン出力の向上を果たすことができます。

直噴ターボエンジンのメリットは圧縮比を向上できることとターボチャージャーによるパワーアップですが、どちらもエンジンの出力やトルクを全域に渡って向上させることができます。

ポイント

直噴化はエンジン全体の効率を高めているので、トルクが低回転から高回転まで高くなり、加速の良さが得られます。

また最高出力は直噴化に加えてターボチャージャーによる底上げが大きく、非常にパワフルなエンジンとなります。

また低速トルクが太くなることは街乗りなどでのエンジン回転数を低くする効果もあるので、おもに街乗りの燃費を向上させることもできます。

直噴ターボエンジンはそれまでのエンジン性能を大幅に向上させることができるので、現在でも世界中の自動車メーカーで最新エンジンとして活用しています。

ダウンサイジングターボへの活用

直噴ターボエンジンの効率の良さはエンジンパワーの向上にも活用できますが、一方で近年では「ダウンサイジングターボエンジン」という環境対策エンジンにも活用されます。

ダウンサイジングターボエンジンはドイツの大手メーカーであるフォルクスワーゲンが開発したコンセプトで、エンジンの小型化による燃費向上と、それに伴う出力低下を補うためにターボチャージャーを活用するエンジンです。

さらにダウンサイジングターボエンジンには直噴化技術が組み合わされることが多く、フォルクスワーゲンは一貫して小型直噴ターボエンジンを主力エンジンにしています。

ダウンサイジングターボエンジンの燃費改善効果は、ワンランク上の自然吸気エンジンの2割〜3割ほどの向上代があり、さらに直噴ターボによって性能面でも同等のスペックを誇ります。

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つまり2.5L 自然吸気エンジンの置き換え用として2.0L直噴ターボエンジンのダウンサイジングターボエンジンを採用し、燃費の向上を果たした上にスペックも同等というエンジンが実現できます。

このダウンサイジングターボエンジンはフォルクスワーゲンが市場に投入して以降世界的なトレンドとなっており、欧州メーカーを始めとして米国メーカー、日本メーカーでも直噴ダウンサイジングターボエンジンは増加しています。

なおダウンサイジングターボについては以下の記事でも詳しく解説しています。詳細まで知りたい方はこちらもあわせて参考にしてみてください。

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冷間始動時の排気ガス性能の高さ

直噴エンジンにはエンジンが冷たい時にエンジンスタートした時の排気ガスに対する性能が良いメリットがあり、それは直噴ターボエンジンにも引き継がれています。

これを冷間始動といいますが、その日初めてエンジンをかける時や一度エンジンが完全に冷えてから再始動するときなどには、エンジンがまだ温まっていないことで燃料の気化が悪く、排気ガスに有害な物質が多く混ざります。

ですが直噴エンジンは燃料の気化はシリンダー内部で行えるため、冷間始動時でも通常の燃焼状態に近く、排気ガスが普通のエンジンよりキレイなのです。

冷間始動時の排気ガスの有害物質は各国の排気ガス規制でも規制されている点であり、直噴ターボエンジンはそういった点で排気ガス規制に対して強く、規制をクリアしやすいエンジンとなります。

直噴ターボのデメリット

直噴ターボエンジンのデメリットは直噴化技術とターボチャージャーそれぞれのデメリットを合わせたものとなっており、組み合わせても改善できない部分もあります。

カーボン堆積の問題

さきほど直噴エンジンは冷間始動による排気ガス浄化が優秀と説明しましたが、一方で燃焼中にカーボンの排出が多いというデメリットがあり、それはエンジン内部にカーボンが堆積してしまう原因となります。

カーボンとは不完全燃焼した燃料の燃え残りであり、ディーゼルエンジンなどでは排気ガス規制の面で大きな課題となるものです。

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ですが直噴エンジンでもディーゼルエンジンほどではないにせよカーボン排出が多く、ポート噴射型エンジンに対して排気ガス浄化の面でデメリットとなります。

直噴エンジンは燃料をシリンダー内に噴射して気化をさせますが、全ての燃料が気化するには時間が短く、気化しなかった燃料が燃え残ってカーボンとなるのです。

この時生成されるカーボンは非常に細かな粒状黒鉛なのですが、そのカーボンはエンジン内のエンジンオイルと混ざって粘度の高いスラッジを生み出します。

そして生まれたスラッジはエンジンの各所に堆積する結果となり、バルブ周辺やEGR系の排気ガス循環装置、循環させた先の吸気系などさまざまな部分に積もっていきます。

その状態で長年運転しているとスラッジはバルブの密閉を悪化させたり吸気抵抗になったりと、さまざまな障害を起こす原因となってしまうのです。

なお直噴エンジンのカーボンについては以下の記事でも詳しく解説しています。詳細まで知りたい方はこちらもあわせて参考にしてみてください。

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エンジンノイズ、振動の多さ

これは前述の直噴ターボエンジンのサウンドの原因と一緒ですが、直噴エンジンのエンジンノイズの多さと振動の多さはデメリットとなります。

直噴エンジンの高圧燃料インジェクターや高圧燃料ポンプは独特のノイズを発生させる原因であり、ガソリンエンジンにしては大きなエンジンサウンドとなってしまいます。

また直噴エンジンとターボチャージャーによる高い出力はエンジンに大きな振動を起こす原因にもなり、高圧燃料系以外のノイズ源になっています。

またエンジン本体で起こる振動も高く、普通のガソリンエンジンに比べるとうるさくて振動の大きなエンジンと言えるでしょう。

エンジン本体の耐久性

直噴ターボエンジンはエンジン本体の耐久性に対してはデメリットが多く、負荷の高さはその分エンジンを頑丈にしなくてはいけないという面が出てきます。

直噴ターボエンジンの高い圧縮比と燃焼効率、高出力などの特徴はエンジンに高い負荷をかけることとなりますが、その影響は

  • エンジンの本体系
  • ピストン
  • ピストンリング
  • クランクシャフト
  • コンロッド

などの主要な運動系に悪影響があります。

その負荷に耐えられるようにこれらの部品は頑丈に設計しなくてはならず、部品の耐久性や寿命も高くしなくてはなりません。

そのため直噴ターボエンジンの本体系部品は大きく重たくなりがちで、コストも高い傾向にあります。

メンテナンスの重要性

直噴ターボエンジンはその特性からエンジンオイルの交換が非常に重要で、自然吸気ガソリンエンジンより半分ぐらいのインターバルで交換しなくてはなりません。

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まずターボチャージャーですが、ターボチャージャーは内部のベアリングの冷却と潤滑のためにエンジンオイルを使用しており、エンジンオイルの劣化に対して悪影響を与えるものです。

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ターボチャージャーには常に1,000℃近い高温の排気ガスが流れ込んでいるため、その回転部分のベアリングは非常に高温となり、冷却水では冷却できません。

注意

また焼き付き防止のためにもエンジンオイルが必要で、ターボエンジンは一般的にエンジンオイルの劣化が速いのです。

加えて直噴エンジンは前述したカーボン堆積の問題があるので、エンジンオイルが劣化して粘度が高くなるとスラッジの生成が多くなり、やはりエンジンに悪影響を与えます。

直噴ターボエンジンには専用オイルがあり、スラッジが生成されにくいオイルとなっているので、それを使う必要もあります。

一般的に直噴ターボエンジンは5,000kmの走行距離ごとにエンジンオイル交換が必要であり、メンテナンスが大変という一面があります。

直噴ターボの評価・口コミ

直噴ターボエンジンに対する評価などはTwitterにさまざま投稿されており、ヒジョに興味深いものです。今回はその中からいくつかご紹介します。

直噴ターボエンジンの素晴らしいパワー

いま世界中でダウンサイジングターボを基本とした直噴ターボエンジンが多数登場しており、小型ながら非常に高性能なエンジンとなっています。

2.3Lエンジンは前まではあまりパワフルなエンジンではなかったのですが、直噴ターボ化によって3.5Lエンジン並の性能を発揮することができ、10年前にはここまでの性能向上は考えられなかったものです。

エンジンはまだまだ進化代を残しているのがよくわかります。

燃費の良さと税金の安さ

直噴ターボ化によるダウンサイジング化は燃費の向上に大きな効果がありますが、それとともに日本では税金に対してもメリットがある場合があります。

日本はエンジンの排気量によって税金が決まりますので、ダウンサイジング化して税金のランクが一つ下げられれば車の維持費を大きく下げることが出来ます。

全ての直噴ターボエンジンが可能なわけではありませんが、そういったメリットもあります。

スラッジ除去には薬品も効果的

直噴ターボエンジンの大きな問題であるスラッジの堆積に対してはさまざまな対策用品が発売されており、RECSという薬剤も効果があると言われている一つです。

スラッジ除去を推進する薬剤のスプレーであったりオイル添加剤であったりといくつもの種類がありますが、こういったものを併用することでエンジンをキレイに保つことができるのです。

MEMO

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直噴ターボの搭載車

直噴ターボエンジンは現在様々な車種に搭載されており、自動車用エンジンの主流の一つでもあります。

その中から何車種かをご紹介します。

トヨタ クラウン

トヨタ クラウン

直噴ターボエンジンは欧州車を中心に採用が広がりましたが、ここ10年ぐらいで国産車にも広く採用されるようになりました。

その代表車種がトヨタのフラッグシップモデルであるクラウンで、最新車種には2.0L 直噴ターボエンジンが搭載されています。

クラウンは数世代前まで自然吸気エンジンが主流だったのですが、燃費の向上や環境性能の向上の為に小型の直噴エンジンが増えてきました。

また近年は小型の直噴ターボエンジンが増えてきており、現行クラウンに搭載されています。

スペック2.0Lターボ2.5Lハイブリッド
エンジン形式8AR-FTSA25A-FXS
エンジンスペック1,998cc 直列4気筒DOHC16バルブ 直噴ターボ+インタークーラー2,487cc 直列4気筒DOHC16バルブ 直噴 ハイブリッド
最高出力180kW (245PS)/5,200rpm-5,800rpmエンジン:135kW (184PS)/6,000rpm
モーター:105kW (143PS)
システム最高出力:166kW (226PS)
最大トルク350N・m (35.7kgf・m)/
1,650rpm-4,400rpm
エンジン:221N・m (22.5kgf・m)/
3,800rpm-5,400rpm
モーター:300N・m(30.6kgf・m)
燃費(JC08モード)12.8km/L23.4km/L

※直列4気筒、DOHC、エンジンの詳細は以下の記事をご参照ください。

BMW 直4エンジン直列4気筒エンジンの特徴!どんな音?搭載車を日本車/外車の車種からそれぞれ紹介! エンジンDOHCエンジンとは?仕組み/構造は?ツインカムとの違いとは?!

現行のクラウンは2.0L 直噴ターボエンジンがベースグレードで、それ以外はハイブリッドエンジンとなっています。

ハイブリッドエンジンにも2.5Lの直噴自然吸気エンジンが搭載され、出力や燃費の面で有利なエンジンとなっていますが、ターボチャージャーの有無はそのスペックの差に大きく表れています。

2.0Lエンジンは排気量が少ないのですがターボチャージャーの効果によって最高出力、最大トルクとも2.5Lハイブリッドエンジンより高く、直噴ターボエンジンの性能を遺憾なく発揮しています。

燃費に関しては流石にハイブリッドには及びませんが、その分コスト的なメリットは大きいです。

なおクラウンについては以下の記事でも取り上げているので、興味のある方はこちらもあわせて参考にしてみてください。

クラウン フロントからクラウン(ハイブリッド/ターボ)の試乗レビュー!乗り心地の感想・インプレッション! 【画像/写真】クラウンの内装/インテリア!運転席周りや後部座席から荷室/トランクまで紹介!

スバル レガシィ

スバル レガシィ

スバルも直噴ターボエンジンには積極的で、同社のフラッグシップモデルであるレガシィを始めとする車種に搭載されています。

現行のレガシィは北米への適用が強くなって2.5L自然吸気エンジンのみとなりましたが、先代の5代目レガシィまでは直噴ターボエンジンと自然吸気エンジンの2種類が搭載されていました。

スペックレガシィ B4 BMG型レガシィ B4 2.5i Bスポーツ
エンジン形式FA20FB25
エンジンスペック1,998cc 水平対向4気筒 DOHC 16バルブ 直噴 デュアルAVCS インタークーラーターボ2,498cc 水平対向4気筒 DOHC 16バルブ
最高出力300ps(221kW)/5,600rpm173ps(127kW)/5,600rpm
最大トルク40.8kgf・m(400N・m)/2,000rpm~4,800rpm24.0kgf・m(235N・m)/4,100rpm

※水平対向4気筒、インタークーラターボ、エンジンの詳細は以下の記事をご参照ください。

スバル 水平対向エンジン水平対向4気筒エンジンの特徴!どんな音?搭載車を日本車/外車の車種からそれぞれ紹介! ポロ エンジンインタークーラーターボとは?仕組み/構造は?ターボチャージャーとの違いまで解説!

こちらも排気量的にはFB25エンジンの方が高いのですが、FA20直噴ターボエンジンはそれを大きく凌駕する出力とトルクを誇ります。

最高出力は2倍近い開きがあり、トルクも1.5倍と、直噴ターボエンジンの性能は非常に高いものがあります。

また最大トルクの発生回転数が2,000rpmからと非常に低く、強力な加速と街乗りでも良好なレスポンスの良さを発揮します。

レガシィはスバルのフラッグシップモデルにふさわしく高いスペックのエンジンが搭載されており、走りを重視するスバルの精神がエンジンにも詰まっています。

なおレガシィについては以下の記事でも取り上げているので、興味のある方はこちらもあわせて参考にしてみてください。

スバル レガシィ【画像】レガシィはかっこいいのか?デザインについて徹底分析! スバル レガシィレガシィは速いのか?加速性能から0-100km/h加速タイムまで解説!

スズキ ワゴンR

 

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ワゴンRはスズキのベストセラー軽自動車で、登場から現在までトールワゴンのスタンダードです。

現在のワゴンRには自然吸気のターボエンジンが搭載されますが、以前のワゴンRには直噴ターボエンジンも搭載されてきました。

2003年発売の3代目ワゴンRには直噴ターボエンジン仕様のK6Aエンジンが搭載されており、ワゴンRのスポーツグレードであるスティングレー専用エンジンでした。

当時は軽自動車では珍しい直噴ターボエンジンの搭載が話題となりました。

スペック直噴ターボエンジンポート噴射ターボエンジン
エンジン形式K6A(直噴仕様)K6A
エンジンスペック658cc 水冷直列3気筒DOHC12バルブ 直噴ICターボ658cc 水冷直列3気筒DOHC12バルブ 直噴ICターボ
最高出力64ps(47kW)/6,500rpm60ps(44kW)/6,000rpm
最大トルク10.5kgf・m(103N・m)/3,500rpm8.5kgf・m(83N・m)/3,000rpm

※水冷、直列3気筒、エンジンの詳細は以下の記事をご参照ください。

ポルシェ 水冷エンジン水冷エンジンのメリット5つ!バイクだけでなく車にも搭載されてる?! 日産 NOTE 直3エンジン直列3気筒エンジンの特徴!どんな音?搭載車を日本車/外車の車種からそれぞれ紹介!

ワゴンRは軽自動車なので最高出力には64馬力という上限があり、直噴ターボエンジンといえどポート噴射のターボエンジンと馬力はそこまで変わりません。

ですが最大トルクはかなり差があり、2割程度は直噴ターボエンジンのほうが高くなっています。

ワゴンRのエンジンはどちらもターボエンジンなので大きな構造の差は直噴化の有無ですが、それはエンジンの最大トルクという面に大きく表れています。

なおワゴンRについては以下の記事でも取り上げているので、興味のある方はこちらもあわせて参考にしてみてください。

ワゴンR 外装ワゴンRの口コミ/評判!価格から外装や走行性能まで全てチェック! スズキ ワゴンRワゴンRの燃費は悪い?街乗りや高速の実燃費は?改善し向上させる方法まで解説!

直噴ターボの今後

直噴ターボエンジンは現在さまざまなメーカーで採用されているエンジンであり、性能重視にしても環境性能重視にしても現在のエンジンの主力機種と言えます。

かつては直噴ターボエンジンというと燃費が悪いイメージがありましたが、ダウンサイジングターボエンジンの普及とともに燃費も悪くないというイメージに変わってきており、今後も自動車用エンジンの主流として発展していくことでしょう。

なおターボについては以下の記事でも取り上げているので、興味のある方はこちらもあわせて参考にしてみてください。

ターボエンジンターボ車の注意点4つ!乗り方から手入れ/メンテナンスまで解説! GT-R エンジンターボチャージャーとスーパーチャージャーの違い2つを比較!両方搭載も可能?!