マツダはなぜガソリンを圧縮着火させられたのか — 火花で作った火の玉を、第二のピストンにする
エンジンの熱効率を上げる、と聞いたときに思い浮かぶのはたぶん圧縮比です。ぎゅっと縮めてから燃やせば効率がよくなる。実際マツダは2011年からの SKYACTIV-G でその道を進んできました。ところがマツダは次の一手として、その高圧縮比化に加えて比熱比という別の数字を選び、そのためにガソリンを火花で点火せずに圧縮着火させるという、長年どこも量産化できていなかった燃焼に手を出します。
この記事が読むのはマツダ技報 No.36（2019）に載った2本の論文、「新世代ガソリンエンジンSKYACTIV-Xの紹介」（P16、著者はエンジン性能開発部の3名）と「SKYACTIV-Xを実現する燃焼技術」（P24）です。技報はマツダが発行する自社の技術論文誌で、開発した当人が書いています。第三者の試乗記や比較テストではありません。作った側が自分の技術をどう説明したかとして読んでください。
先に結論です
- 熱効率を上げる視点は2つあり、技報は圧縮比と比熱比だと書いています。SKYACTIV-G が取り組んだ高圧縮比化が1st Step、比熱比の改善が2nd Step。技報の書き方は「1st Stepで取り組んだ高圧縮比化に加え，2nd Stepでは比熱比向上」で、圧縮比を捨てたわけではありません
- 比熱比を上げる手段がリーン燃焼（燃料に対して空気を多く入れて燃やす）ですが、技報によればNOxの発生を抑えつつ比熱比を大きく設定できるのは理論空燃比の2倍以上、空燃比で30以上の領域。そこまで薄いと火花で点火しても火炎が燃え広がらないという壁があります
- そこで圧縮着火（ディーゼルの燃やし方）をガソリンに持ち込むのですが、HCCI（予混合圧縮着火）には成立範囲が狭いという難題があります。技報は「燃焼安定性と燃焼騒音を満足させる要求温度範囲の3℃以内に制御することは非常に難しい。」と書いています
- 圧縮比を機構で変えて温度と圧力を合わせにいく道は、技報の見立てでは塞がっていました。「圧縮比15-30という大幅な圧縮比の変化が瞬時に必要となるが，実現できる機構は現時点では存在しない。」
- マツダの答えはスパークプラグを圧縮着火の制御因子として使うことでした。点火で生まれた膨張火炎球が第二のピストン（エアピストン）のように混合気を追加圧縮し、圧縮着火に適した温度と圧力を瞬時に作ります。技報はこれをいわば「可変圧縮比機能」と表現しています
- この燃焼方式が SPCCI（火花点火制御圧縮着火）です。ハードウェアのベース圧縮比は16.3で、そこから先を火の玉で埋める形になります
- 結果として技報が挙げる数字は、SKYACTIV-G 比で燃料消費率が平均10％改善、低車速で使用頻度の高い領域は最大で約20％以上改善、車両ではNEDCモード燃費で前モデル比 約30％改善（走行抵抗低減と M Hybrid の寄与を含む）です
- ただし SPCCI は常時ではありません。3つの燃焼モードが用意され、極冷間や高地、それにシステムに異常が起こった時は通常の火花点火に切り替わります。もっとも技報の書き方は「ほぼ全域で，圧縮着火CI燃焼の実現を可能とした。」で、例外のほうが狭いという位置づけです
熱効率の入口は圧縮比だけではない
技報は冒頭で、熱効率向上の視点を2つ挙げます。オットーサイクルの理論式から出てくる圧縮比と比熱比です。SKYACTIV-G で取り組んだのが前者、SKYACTIV-X で取り組んだのが後者にあたります。
比熱比は、燃やしたエネルギーのうちどれだけがピストンを押す圧力に変わるかに効いてくる数字です。技報の説明はこうです。
…リーン燃焼は，同じ量の燃料に空気を多く押し込むため，N2やO2といった動きやすい2原子分子が，従来よりも相対的に多く使われるようになるために，燃焼エネルギーの圧力への変換率が増す。
さらに、燃焼温度が下がること自体も比熱比を上げます。技報は「温度が高いと分子が移動したり，分子が分解するのにエネルギーを取られるため，温度を低くした方が比熱比は上がるのである。」と書いています。加えて、ガス温と壁温の差が小さくなるので冷却損失が減り、同じトルクを出すのに吸入空気量が多いのでスロットルの絞り損失（ポンプ損失）も減る。技報はこの3つを並べて「このように相乗効果で熱効率が飛躍的に向上する。」とまとめています。
薄く燃やすほど効くのに、薄いと火が広がらない
ここがこの技術の出発点にあるトレードオフです。技報によれば、過去にも火花点火のリーンバーンエンジンは商品化されていますが、理論空燃比の1.5倍程度でしかなかったため，燃費改善効果はそれほど大きくはなかった。一方で、NOx の発生を抑えつつ比熱比を大きく設定できるのは理論空燃比の2倍以上、空燃比で30以上の領域だと書かれています。
ところがそこまで薄くすると、今度は火炎伝ぱ燃焼の燃焼速度が落ちて燃焼安定性が悪化します。燃費と燃焼安定性が正面からぶつかるわけです。技報はこの関係を「燃費と燃焼安定性のトレードオフの関係をブレークスルーするためには，燃えにくい薄い空燃比でも安定して短時間に燃焼を完結させる手段が必要となり」と書き、その手段として、火炎伝ぱに依らず温度と圧力で燃焼反応を起こす圧縮着火を挙げます。
HCCIの窓は3℃しかない
ガソリンを完全に混ぜてから圧縮で着火させる方式は HCCI（予混合圧縮着火）と呼ばれ、研究自体は長く行われてきました。技報が挙げる課題は2つです。
1つめは成立範囲の狭さ。熱発生の位置が早すぎると燃焼騒音が悪化し、遅すぎると燃焼安定性が悪化する。両方を満たす温度の幅について、技報はこう書いています。
燃焼安定性と燃焼騒音を満足させる要求温度範囲の3℃以内に制御することは非常に難しい。
2つめは切り替えの難しさです。HCCI は成立範囲が狭いので従来の火花点火燃焼との併用が必要になりますが、その可燃範囲は外気温度や気圧といった大気の状態、それに燃料のオクタン価で伸び縮みします。技報は「…時々刻々と環境条件が変化する自動車に適用するには，過渡時やさまざまな環境下において，安定してSI燃焼⇔HCCI燃焼の切り替えが必要となるが，これらの制御が非常に難しいため，いまだに実用化に至っていないと考えられる。」と書いています。研究段階の技術ではあっても市販車には載ってこなかった、という状況の説明です。
圧縮比を機構で変える道は、この用途には届かなかった
では圧縮着火の制御因子である温度と圧力を、圧縮比を変えることで合わせにいけばよいのではないか。技報はその道をこう否定します。
圧縮比で制御しようとすると，Fig. 9に示すように広い運転領域で圧縮着火させるには，圧縮比15-30という大幅な圧縮比の変化が瞬時に必要となるが，実現できる機構は現時点では存在しない。
ここは当サイトとして補足しておきたいところです。可変圧縮比の機構そのものは、この論文と同じころに世の中へ出ています。日産は2018年に、コンロッドをマルチリンク機構に置き換えて圧縮比を8:1から14:1まで無段階に変えるエンジンを量産化しました（当サイトの日産VCターボの記事で扱っています）。その可変幅と、マツダが必要とした15〜30という幅は重なりません。しかも技報が要求しているのは幅だけでなくその変化が瞬時に起きることです。——この2つを並べて比べることは、どちらの資料も書いていません。当サイトによる整理です。同じ圧縮比を変えるという言葉でも、狙う場所が違えば要求される幅が違う、という話として読んでください。
ブレークスルーは、スパークプラグを制御装置として使うことだった
マツダが選んだのは、機構で圧縮比を変えるのではなく、燃焼室の中に一時的な圧縮を自分で作るやり方でした。技報の説明はこうです。
SKYACTIV-XではFig. 10に示すようにハードウェアによるベース圧縮比16.3に対し，スパークプラグの点火による膨張火炎球が，第二のピストン（エアピストン）のように，燃焼室内の混合気を追加圧縮し，瞬時にCIに最適な温度圧力を形成する，いわば「可変圧縮比機能」を実現している。
火花で点火した小さな火の玉が膨らむ。その膨らみが、まわりの薄い混合気を押して圧力と温度を上げる。ピストンがもう1つ増えたようなものだ、という説明です。プラグは点火装置ではなく圧縮着火のタイミングを決める制御装置として使われている、と読み替えるとわかりやすいかもしれません。技報も「スパークプラグを圧縮着火の制御因子，コントロール手段として活用する」という考えだと書いています。
この、火炎伝ぱと自己着火を併用する燃焼が SPCCI（Spark Controlled Compression Ignition＝火花点火制御圧縮着火）です。技報は「SPCCIとは，単に火花点火で圧縮着火をアシストするだけではなく，筒内温度／圧力，更には燃料噴射による混合気分布濃度／EGRの制御を含む，総合的な燃焼制御技術である。」と念を押しています。
安定した火種を作るために、混合気をわざと不均一にした
火の玉を第二のピストンとして使うには、まずその火の玉が毎回きちんとできなければいけません。ところが全体をリーンにしてしまうと、プラグの周りも薄くなって火が付きません。
技報が書いている解決は、「全体はCI燃焼のためのリーンな混合気を分布させた上で，プラグ周辺にのみ火花点火可能で，しかもNOxが激しく発生しない程度の濃度の混合気を燃料噴射の工夫と流動の組合せで実現した。」というものです。均一に混ぜるのが HCCI の前提だったところに、あえて濃さの分布を作っている。ここも発想の切り替えが効いている箇所です。
もう1つの敵がプリイグニッションです。高圧縮比のうえに予混合なので、負荷を上げると勝手に着火してしまう。これに対しては圧縮行程での燃料噴射で着火遅れ時間を制御する分割噴射を採用し、負荷の増大に合わせて圧縮行程噴射の割合を増やして、未燃混合気が圧縮される時間を最小化しています。ただし圧縮行程で噴くと燃料と空気が混ざる時間が減って煤が出やすくなるため、超高燃圧の燃料噴射システムと、燃焼室中心に配置された小径多噴孔をもつ燃料噴射弁を新たに開発した、と書かれています。
そして、制御が意図どおりに効いているかを走りながら確かめる仕組みもあります。技報の言い方は「それら制御が正しい燃焼を導いていることを常に答え合せをする」で、筒内圧センサーによる監視制御がそれにあたります。
本当の難所は、部分負荷と全負荷で圧縮比への要求が逆を向くこと
ここまでは、薄い混合気に火を付けるという話でした。ところがもう1本の論文「SKYACTIV-Xを実現する燃焼技術」は、もっと厄介な対立を最初に置いています。
部分負荷からの圧縮比要求と全負荷からの圧縮比要求は相反する。圧縮自己着火を応用する部分負荷性能と全負荷性能を両立させることが最大の燃焼課題である
ふだん走っている軽い負荷では、圧縮着火させるために圧縮比は高いほうがいい。ところがアクセルを踏み込んだ全負荷では、高圧縮比はノッキングのような異常燃焼を招きます。技報はこの状況を要約でこう書いています。「他方，高負荷条件においては高圧縮比化に伴い，伝ぱ燃焼に引き続き発生する自己着火燃焼が大きく生じる傾向となる。」
つまり同じ自己着火という現象が、部分負荷では起こしたいもの、全負荷では抑えたいものになる。技報の表現は端的です。
部分負荷SPCCI燃焼では自己着火燃焼を誘発するために火花点火伝ぱ燃焼を利用した。逆に，全負荷では自己着火燃焼の抑制と緩慢化が必要となる。
ここに至る前段として、この論文には選択の記録も残っています。圧縮開始温度を緻密に制御する道もあったが、「SKYACTIV-Xでは複雑な可変動弁系を採用せず，圧縮比を高める方策を採用することとした。」。高圧縮比を選んだ以上、全負荷側の宿題は自分で引き受ける、という順序です。そして結果については「SKYACTIV-Xでは全負荷の自己着火燃焼を穏やかにかつ安定的に発生させることにより，高圧縮比下でも十分な軸トルクを発生させることができた。」と書かれています。
薄く燃やすための工夫にも、素直ではない副作用があります。同じ論文は、伝ぱ燃焼はHCCI燃焼に比べて濃い混合比を要求するため「排出NOx濃度が高くなることが懸念される」と書き、成層化だけで燃焼安定度を確保しようとすると「高い排出NOx濃度が発生する結果となった。」とも書いています。前の節で触れた濃さの分布の作り方は、こうした試行の先にある答えのほうです。
日常で使うために、3つのモードを切り替える
ここが読み落とされやすいところです。SKYACTIV-X はいつでも圧縮着火しているわけではありません。技報は3つの基本となる燃焼モード（Layer）を挙げています。
- Layer1：SI燃焼。技報の記述は「極冷間や高地の条件で使うほか，システムに異常が起こった時に，安定した運転ができるモードとして使用する。」——つまり普通の火花点火です
- Layer2：大量のEGRを導入したG/FリーンSPCCI燃焼。外部・内部EGRを用いて低燃費を実現し、冷間時および中負荷領域に適用
- Layer3：EGRの少ない、A/F30を超えるA/FリーンSPCCI燃焼。軽負荷領域を大A/Fで低燃費を実現
技報は「各燃焼モードは成立条件がそれぞれ異なるために，実際の使い方においてはエンジン回転，負荷，さまざまな環境条件（温度，気圧，etc）に対して燃焼モードを切り替えるように制御している。」と書き、A/FリーンSPCCI燃焼の成立条件から外れたら G/FリーンSPCCI燃焼へ、さらに SI 燃焼へと段階的に落としていく制御だと説明しています。
裏を返すと、SPCCI が使える場面をどれだけ増やせるかが商品としての価値を決めることになります。技報が熱マネージメントに紙面を割いているのはそのためです。
熱を逃がさないための、水とカプセル
SPCCI 燃焼は筒内の温度を一定値以上に高めなければ成立しません。しかも薄く燃やすので、そもそも出てくる熱そのものが少ない。技報は熱マネージメントのコンセプトを「従来よりも少なく限られた熱エネルギーをいかに有効に活用するか」と書いています。
1つめが水流制御。冷却水が回ると熱がエンジン全体に拡散してしまうので、始動後の発熱量と構造体の熱容量から燃焼室周りの壁温を予測し、「信頼性や快適性（暖房性）から許容できる数分間は冷却水の流れを止め，筒内の暖機を向上させている。」。冷却水を流し始めてからも流調弁で流量を調整し、燃焼室の入口と出口の水温を見ながら筒内を適温に保ちます。
2つめがエンジンカプセル化。カプセルカバー、エンジン直貼り、アクティブエアーシャッター、アンダーカバー、スプラッシュシールドでエンジンの周りにホットゾーン空間を作ります。ここで見落とせないのが、技報がこの技術に与えている目的が2つあることです。
エンジン燃焼室温度を適温に保ち，かつ燃焼音に寛容なエンジン環境を整えることで，SPCCI燃焼頻度を上げる技術としてエンジンカプセル化を採用している。
後半の燃焼音に寛容なが、この燃焼方式の代償にあたります。同じ論文の別の節に理由が書かれていて、「SPCCI燃焼はこれまでのSI燃焼と比較すると，Fig. 19に示すように熱発生率の勾配が大きくなるために高周波の燃焼起振力が増加し，エンジンからの放射音が大きくなる。」。カプセルの構成についても技報は「エンジンの熱を逃がさず，温かい空気を溜め，かつエンジンから放射される音を吸音する機能を適正機能配分で実現している。」と書いています。保温と遮音を同じ部品で兼ねているわけで、熱を逃がさない工夫であると同時に、圧縮着火にすると音が増えるという事実への対処でもあります。
結果として何が変わったのか
技報が挙げている成果は次のとおりです。
- エンジンの燃料消費率は SKYACTIV-G 比で平均して10％改善。低車速での使用頻度の高い領域では、スーパーリーン燃焼の活用により最大で約20％以上改善し、技報は「最新のディーゼルエンジンSKYACTIV-Dと同等以上の燃費率を実現している」と書いています
- 車両では NEDCモード燃費で前モデルに対し約30％の燃費改善。ただしこれはエンジン単体の数字ではなく、技報も「車両の走行抵抗低減を行い，M Hybridも活用しながら」と条件を明示しています
- トルクは「SPCCI 燃焼とエアサプライの組み合わせにより，SKYACTIV-G に対し全域で約10%以上の大幅なトルク向上を実現した。」。この10％は自然吸気で出た数字ではなく、エアサプライ（過給）との組み合わせの結果です
- 燃費率マップの形も変わりました。技報は軽負荷域の燃費改善率が大きいことを挙げ、「“大排気量＝燃費が悪い”という既成概念を完全にブレークスルーしている。」と書いています
そして、この技術が世に出た位置づけについて、技報はこう書いています。「…量産ガソリンエンジンとしては世界で初めて市場導入することになる。」——マツダ自身の記述です。
まとめ
- SKYACTIV-X が狙ったのは、高圧縮比を捨てての比熱比ではなく高圧縮比に加えての比熱比。もう1本の論文は「ガソリンエンジンとしてこれまでに例のない高圧縮比16.3を採用した。」と書いています。リーン燃焼で効果が大きいと技報がするのは、NOxの発生を抑えつつという条件つきで空燃比30以上
- そこまで薄いと火花では燃え広がらないので圧縮着火が要るが、技報によれば HCCI は燃焼安定性と燃焼騒音を両立する要求温度範囲が3℃以内で、制御は非常に難しい。この3℃は HCCI の課題として書かれた数字で、SKYACTIV-X が到達した姿ではありません
- 技報は、圧縮比を機構で変える道について圧縮比15-30の変化が瞬時に必要で、実現できる機構は現時点では存在しないと書いている
- 解いた方法は、スパークプラグを制御因子にすること。膨張火炎球を第二のピストン（エアピストン）として使い、追加圧縮で温度と圧力を作る。ベース圧縮比は16.3
- ただし常時圧縮着火ではなく、極冷間や高地、システム異常時は通常の火花点火（Layer1）に切り替わる。とはいえ技報は「ほぼ全域で，圧縮着火CI燃焼の実現を可能とした。」と書いており、水流制御やエンジンカプセル化は使える場面をさらに広げるための技術
- 数字は、燃料消費率が SKYACTIV-G 比で平均10％改善・低車速で使用頻度の高い領域は最大約20％以上改善、車両の NEDC モード燃費は前モデル比 約30％改善（走行抵抗低減と M Hybrid を含む）
圧縮比を変える機構が無いなら、燃焼室の中に一時的な圧縮を自分で作ってしまえばいい——この置き換えが、研究止まりだった燃焼を市販車に載せた、というのがこの2本の論文の筋書きです。
この記事が扱っていないこと
- 実際に乗った印象は書いていません。当サイトは試乗していません。本文の数値と引用はマツダ技報の記述で、例外は日産VCターボの可変幅（当サイトの既存記事による）と、SKYACTIV-G が2011年からという時期の説明だけです
- 他社のエンジンとの優劣は判定していません。日産VCターボの可変幅に触れたのは同じ可変圧縮比という言葉でも要求される幅が違う、という整理のためで、マツダ技報2本に日産の記述はなく、当サイトの既存記事にも圧縮比の比較は書いていません
- 現在販売されている車種・グレードの構成、価格、カタログ燃費は扱っていません。技報は2019年の論文で、NEDC はかつて欧州で使われていた燃費測定モードです。購入を検討する場合は各車種の最新の公式情報をご確認ください
- SKYACTIV-X の NVH（音・振動）技術、熱マネージメント技術、燃焼予測技術、制御システムは、同じ号の別論文にそれぞれまとまっています。この記事はそれらを読んでいません（熱マネージメントについては、紹介論文の中で触れられている範囲だけを扱っています）
出典: マツダ技報 No.36（2019）「新世代ガソリンエンジンSKYACTIV-Xの紹介」（P16-23）および「SKYACTIV-Xを実現する燃焼技術」（P24-31）。マツダ株式会社が公開しているPDFを参照しました（いずれも2026年8月27日に取得）。日産VCターボの可変幅は当サイトの既存記事で扱っている日産自動車の発表内容によります。マツダ技報と日産の資料を並べた比較、および記事内の見出し・整理の言葉は当サイトによるものです。
