製品進化とマネジメント風景 第４話 エンジン進化のマネジメント
先日、娘と話している時のことです。娘は、車好きで、通りかかった車の機種をほぼ全て言い当てられます。ですが、エンジンにはあまり興味を示しません。「外から見えないし、構造も複雑そうで、おまけにガソリン、ディーゼル、ハイブリッドなど、タイプも色々あって良く分からない」そうです。私が、「最近は、電気自動車が少しずつ出てきたが、実は、100年くらい前には、蒸気エンジン自動車と電気自動車とガソリンエンジン自動車があって、互いに競っていた。その時は経済性と利便性でガソリンエンジンが勝った。もし、今回、電気自動車が勝つとしたら100年越しのリベンジになるね」。
そう言うと、少し興味を持ち始め、ポツポツと質問し始めました。娘は理科系なのでロジカルな話が割りと好きなのです。私の専門は航空エンジンなので、当然、他のエンジンも含めてその長短所について、ある程度は知っています。しかし、その誕生から今日までの進化の紆余曲折を整理が出来ているわけではありません。また、技術が事業として成立する製品になるためには社会的ニーズが不可欠です。さらに、ニーズを先読みして製品開発に踏み込むマネジメント判断も必要です。娘との会話のネタにもなりそうだし、一度、しっかり整理してみることにしました。
世界初のエンジンと言えば、やはり18世紀初期に発明されたニューコメンの蒸気エンジンまで遡らざるを得ません。その頃は、燃料が木炭から石炭に変わり、地中深く掘削して石炭を掘りだすために揚水ポンプ需要があり、それまでは馬を動力として水を汲みだしていました。しかし、石炭需要が増えるにつれて揚水量も増え、馬を代替できるより強力な動力が求められていました。
蒸気圧を使って地下の水を地上に放出する装置は、17世紀半ばには実用化されていました。ですから、18世紀初期には、ある程度の設計理論もありました。ニューコメンは、技術的にも成熟し、また需要も旺盛であると判断し、1711年に会社を設立、1712年には約6馬力のピストン式蒸気機関を造って揚水能力を実証しました。熱効率は0.5%からせいぜい1%と低かったのですが、揚水ニーズは非常に強く、これに対抗できる代替手段が無かったため、大掛かりな装置であるにもかかわらず需要が高く、事業的にも成功しました。
18世紀後半になると、ワットが蒸気を復水するコンデンサーを発明し、ニューコメンの蒸気エンジンの欠点を改善して熱効率を約5％まで高めました。アプローチとしては、従来技術の改良です。その際、工作機械精度の向上が大きな役割を果たしたことは第2回のコラムで述べた通りです。ニューコメンのエンジンによって、既に揚水市場が存在していたので、ワットのエンジンは、より経済性の優れる代替品として市場に普及していきました。ワットは、ピストンの往復動を回転運動に変換し、揚水以外にも紡績機や製粉機の駆動用動力として用いられました。
19世紀になると、ワットのピストン型蒸気エンジンをベースとして、多くの人々の研究努力によって出力大型化と高圧化による燃費改善を実現され、定置用だけでなく移動体用にも進化していきました。具体的には、舶用と機関車用エンジンです。
大出力化の需要はずっと続き、19世紀末には、パーソンズが蒸気タービンを実用化しました。これはエンジンアーキテクチャー上の１つの大きな変化です。アイデア自体は17世紀には存在していましたが、設計技術、製造技術が伴わず実現できませんでした。19世紀末には、技術面と需要面の両方が整い、事業化の機が熟していたということです。ピストン往復動は間欠式であり、一方、蒸気タービンは連続式であり、単位時間あたりに処理できる蒸気量は後者が圧倒的に大きく、よって、大出力化が容易でした。
その結果、まずは舶用エンジンに採用され、船の大型化とスピードアップに貢献しました。一方、ボイラーと蒸気タービンの組合せは発電用にも採用されました。蒸気の高圧化による熱効率向上に加え、最も安価な重油を燃料として使えることがメリットとなり、発電用としては100年経った今日でも使われ続けています。どちらの事例も、技術成熟度と製品需要の両面で機会を正しく捉えて投資した経営者が成功しました。
一方、同じく19世紀後半から末にかけて内燃機関が発明されました。現在のガソリンエンジンの祖先であるオットーサイクルエンジンが発明され、定置用として使われ始めました。これもエンジンアーキテクチャー上の大きな進化です。
用途は、工場動力源であった蒸気機関の置き換えです。蒸気機関と同様にピストン形式が踏襲されました。蒸気機関との違いは、ピストン内部に燃料を入れて燃焼させることです。燃料は、当初はガスを用いていましたが、後にガソリンになりました。ガソリンは、石炭と比べると高い燃料ですが、このエンジンの熱効率は初期段階にもかかわらず約15%と蒸気機関よりもかなり高く、しかも始動性が良かった。さらに小型で工場等に後から導入・設置できることがセールスポイントとなり、普及しはじめました。
そして、ダイムラーとベンツが移動体用のガソリンエンジンを発明します。最初は2～3馬力と小さく、自転車（2輪）用として最初に考えていたようですが、ニーズが乗用車にあると分かり、乗用車として世に出しました。燃料が石炭から石油への変わり目にあったこともあり、事業は成長していきました。
ガソリンエンジンの弱みは、燃費を改善しようとして圧力比を上げると、異常燃焼によるノッキングが発生することです。また、ガソリンは、同じ石油系燃料でも高級な部類に入るので、熱効率は良くても燃料そのものは石炭や重油と比べると高いという問題がありました。
ディーゼルは、ダイムラーとベンツのガソリンエンジン発明の約10年後、ピストン内の空気圧力を高めて火花点火無しに燃料を自己発火させるエンジンを発明し、これをディーゼルエンジンと名付けました。熱効率は当初から約25%とガソリンエンジンを大きく上回っていました。しかも、ガソリンよりも安い石油系燃料を使えるので、蒸気機関とガソリンエンジンが使われている市場の代替が狙えました。
まずは、定置用として、次いで小型船用として適用されはじめました。機関車用、自動車用としては発進時のエンスト問題解決が大変だったようです。ガソリンエンジンとディーゼルエンジンは、その後、燃料そのものの改質、燃料噴射制御、ターボチャージング、インタークーリング等の技術を追加し、今日では前者の熱効率は30%程度、後者は自動車用で40%程度、大型の舶用などでは50%程度まで上がりました。
熱効率的には、ディーゼルエンジンを上回る移動体用の熱機関は見当たらず、王者の地位にいます。陸上では、乗用車はもちろん、バス、トラック、ダンプカー等の建設機械、農業トラクターなどに使われ、船舶用としても一部を除いて蒸気エンジンをほぼ駆逐してしまいました。ディーゼルエンジンは、ＬＮＧ等のガスを燃料とするガスエンジンにも進化し、中小型の発電用としても存在感を持っています。ディーゼルエンジンの将来性に目を付けて、自社技術としてしっかり投資してものにした会社は、20世紀の間は繁栄を享受できたと思います。
なお、今年になって、内閣府のSIPプログラムの研究成果として、乗用車クラスのガソリンエンジン、ディーゼルエンジンにおいて、ともに熱効率が50%を超えたというニュースが出てきました。前段では、従来の常識的な数字を記載していましたが、近いうちに50%という数字に塗り替えられる可能性が出てきました。
ボイラーと蒸気タービンの組合せは非常に大きくて重いので、自動車用として一時、開発されましたが、無理がありました。よって、ピストン式の内燃機関が、向かう所敵なしで、陸海空を支配するかに見えました。ただ、このエンジンにも１つ弱点がありました。ピストン往復動式の欠点は、間欠的にしか空気を吸い込めないことです。エンジンは、吸い込んだ空気量に合わせて燃料を吹き込むので、出力を上げるためには大型化する必要があります。しかし、大型化すると、通常、出力増のペースよりも重量増のペースの方が速いので、出力重量比の低い重いエンジンとなってしまいます。
この問題を解決したのがガスタービンエンジンでした。ガスタービンエンジンは連続的に空気を吸い込みます。よって、その空気量に応じて燃料を吹き込むことが出来るので、ピストンエンジンでは実現できない大出力を実現できます。しかも軽量です。その結果、航空用はこの形式が主流となり、今も空の王者として君臨しています。海においても、高速船ではガスタービンが適用されます。
ガスタービンは単体では、熱効率はディーゼルと比べると低く、大型のものでもせいぜい40%程度です。理由は排気温度が高くなりやすく、多くのエネルギーを捨てているためです。しかも、例外はありますが、通常は灯油を使います。よって、ガスタービン単体では、熱効率が高くて安い燃料を使えるディーゼルエンジンに勝てる市場は、一部のニッチ市場だけでした。
しかし、ガスタービンに、長い歴史と実績のある蒸気タービンをくっつけてコンバインドサイクル化すると、世界最高効率のエンジンに変身します。大型のものでは60%を超える熱効率です。用途としては発電との相性が抜群であり、今では1000MW級の発電までが可能となっています。米国GE社は、1920年代には発電用としてのガスタービンの将来性を見抜き、その後、航空エンジン分野に展開し、長期に渡って両分野のトップを維持してきました。この両分野においてトップ３となった会社はＧＥ以外にありません。経営と技術の二人三脚無しには絶対に出来ないことだと思います。
移動体用のエンジンでは、最近、内燃機関と電動化のハイブリッドが１つの潮流になりつつあります。最初にハイブリッド化されたのは1991年の産業用ディーゼルエンジン（トラック用）であり、次が1997年の乗用車用ガソリンエンジン、そして2011年には自転車にまで回生機能が付くようになりました。航空用ガスタービンエンジンについても、ハイブリッド化の議論がされ始めています。ハイブリッド化のメリットは、燃料費とメンテナンス費用を含めた運用コストの低減と同時に環境性の向上です。環境性としては、燃焼排気物としてのCO2（二酸化炭素）、NOx（窒素酸化物）、PM（粒子状物質）に加え、騒音や振動の低減があります。
上記にエンジン進化の概要を整理しましたが、エンジンの進化には一定のパターンがあることが分かると思います。どのエンジンも、まずは小出力、しかも定置式から出発します。市場は、たいてい既存市場の代替から入ります。代替するためのメリットは燃料費削減を代表とする経済性です。市場に参入して事業基盤が出来ると、大出力化ニーズが出てくるのでこれに応えます。
一方、定置式で市場に認められると、次は、移動体向けのアプリケーションに進みます。移動体向けでも最初は小出力で市場に入りますが、足場が固まると大出力化ニーズが出てきて、これに対応しはじめます。こうなると、次は経済性が強く求められるようになり、要素技術の開発競争になります。その際、技術開発は効果が大きい大出力のものから適用され、そこで実証されると、徐々に小出力に展開されていきます。そして、普及が進んで数が増えてくると、今度は環境性が求められるようなります。さらに環境性も、はじめは短期的な要求への対応ですが、今日では長期的なサステナビリティまで気にされるようになりました。
エンジンは、定置用、船用、車用、飛行機用とも化石燃料を使っていますが、サステナビリティの観点では、有限であることと、温室効果等の悪影響も指摘されていることから何らかの対応が求められています。現在は、太陽光、風、海流などを電気に変える方向に向かっていますが、電気は長期間蓄えられないという大きな欠点があります。当面は、2次電池を使ったハイブリッド化やICTによるきめ細かい制御が主たる対策に見えますが、電力貯蔵手段として、リチウムイオン系の2次電池よりも長期間劣化せずに保存できる技術が発明されるかどうかは重要です。このような技術が発明されると、世の中の進む方向が変わってくると思われるからです。この辺りは、別の機会に議論したいと思います。
貴社のエンジン技術開発の方向性は定まっていますか？ どのようなシナリオを想定し、何を本命に、何をバックアップに設定しましたか？ 本命を継続するか、バックアップに移行するかの判断は、どのような基準に基づいて行いますか？
参考文献
- エンジン進化の軌跡 荒井久治 1998年
- ディーゼルエンジンと自動車 鈴木孝 2008年
- 火力発電総論 瀬間徹 2002年
- 日本マリンエンジニアリング学会誌 第44巻 第４号 2009年