世代を重ねるごとに､駆動技術のマイルストーンとして君臨してきた｢ポルシェ911｣のテクノロジーとは
「ポルシェ911」のドライブテクノロジーは、絶え間ない革新と独自の伝統を物語るものだ。目下のハイライトは、99世代の高性能パーシャルハイブリッド化だろう。
60年に及ぶ911の駆動技術開発の中間成果は、倍の排気量、4倍のパワー、そして変わらない基本コンセプトだ。「私たちは、6気筒ボクサーエンジンの改良性と適応性の高さに何度も驚かされます」と、911/718シリーズのオペレーティング・エクセレンス責任者であるトーマス・クリッケルベルク氏は言う。
今後、電気式排気ガスターボチャージャーが採用され、より大きな出力と推力、そして低排出ガスが実現される予定だという。では7年目に突入した「911/718」が、何度も再発明されてきた素晴らしい基盤とは何なのだろうか？
メツガーエンジン
1963年、ポルシェが未来の911を発表したとき(当時はまだ『901』として知られていた)、その6気筒ボクサーエンジンはリッターの排気量で96kW(130PS)のパワーを発揮した。
「コンパクトな設計、軽量、最高のパフォーマンス」と、ポルシェのボクサーエンジン製造のスペシャリスト、アルブレヒト・ロイシュトレ氏は今日に至るまでその資質を総括する。彼は1993年まで、このエンジンが有名になった設計エンジニア、ハンス・メツガーの下で働いていた。
ターボチャージャー付き911
911は世代を重ねるごとに、駆動技術のマイルストーンとなる。モータースポーツでテストされたターボテクノロジーは、1974年に911の生産に間に合った。排気ガスターボチャージャーと燃料噴射の組み合わせにより、930型はヨーロッパで191kW(260PS)を発揮し、性能と効率の面で競合他社を圧倒した。
当初から厳しい排ガス規制をクリアしていた。「振り返ってみると、ターボ過給は内燃エンジンの世界全体に革命をもたらしたことがわかります」とクリッケルベルク氏は言う。ターボエンジンは、高温の排気ガスから得られるエネルギーを利用するもので、そうしなければ無駄になってしまうエンジニアの夢なのだ。
ターボエンジンの中心はターボチャージャーで、タービンホイールとコンプレッサーホイールが互いにしっかりと固定されている。タービンはエンジンの排気ガスを動力源とし、毎分20万回転近い回転数を達成する。コンプレッサーホイールも同じ速度で回転し、圧縮空気をシリンダーに送り込む。新鮮な空気が加わることで燃焼が促進され、エンジンの性能が向上する。
エンジン部品に過度の負担がかからないように、排気ガスの流れによってターボチャージャーに発生する圧力を制限する必要がある。ブースト圧がある限界に達すると、排気ガスはウェイストゲートと呼ばれるバイパスバルブを通って排出される。
インタークーラーによる性能向上
ポルシェのエンジニアは、継続的な開発作業に基づいてターボの原理を改良した。空気は圧縮されることで高温になり、タービン側も高温になる。これはシリンダーへの充填や噴射された燃料の燃焼に悪影響を及ぼすのだ。
1978年モデルから、圧縮された吸気は燃焼室への途中で冷却されるようになった。クーラーはグリル下の堂々としたリアスポイラーに取り付けられている。この精巧なインタークーラーによって、特定の市場では1kW(300PS)まで性能が引き上げられ、エンジンの驚異的な弾力性が実現される。
「ターボエンジン固有のもうひとつの問題は、加速時のレスポンスの遅れです。低速域では、911ターボは自然吸気エンジンの弱点と同じように加速に反応しますが、約3,500rpmから絶大な推進力を発揮します。より優れたドライバビリティを実現するためには、この”ターボラグ”を解消する必要がありました」と開発者のクリッケルベルク氏は説明する。
【写真5枚】ターボチャージングは燃焼エンジンの世界に革命をもたらした
ビトゥルボ：嵐のような開発
ポルシェは第4世代の「911ターボ(993型)」で解決策を提示した。300kW(408PS)を誇る当時最強の量産ポルシェは、1995年春に発売された。初めて2基のターボチャージャーと2基のインタークーラーを搭載した3.6Lパワーユニットは、大きな衝撃を与えた。
1つの大きなタービンよりも2つの小さなタービンの方が加速が速い。特に、小さいローターの慣性モーメントが小さいことがプラスに働いている。「そして、パワーを確実に路面に伝えるために、993ターボには強化された全輪駆動が標準装備された」とクリッケルベルク氏は付け加える。
エンジン制御とセンサーの進歩、そして最新の排気後処理装置のおかげで、空冷911の最後の世代のターボモデルは、当時の市販車の中で最も低排出ガスであったと考えられている。
水冷で1世紀へ
新型「ポルシェ911」の生みの親であるアウグスト・アハライトナーは、1990年代後半に5代目911(996型)の6気筒ボクサーエンジンを空冷から水冷に切り替えたことを”新技術への切符”と呼んだ。アハライトナーは当時、技術製品企画の責任者で、2001年から2018年まで911シリーズの責任者だった。水冷化は、さらなる性能向上、効率的な消費、排ガス規制や騒音規制への適合のための必須条件だった。
ポルシェの設計エンジニアは、燃焼室ごとに4つのバルブを備えたシリンダーヘッドを開発した。1970年には早くも空冷4バルブによるV1エンジンの予備テストが908型で行われ、その後の917への搭載が計画された。アルブレヒト・ロイシュトル氏は「このアイデアは、1980年代の911シリーズの生産開発で再び取り上げられ、964世代のテストベンチで試されました。しかし、シリンダーヘッドは文字通り溶けてしまったんです」と話した。
959スーパーカーと同様、耐久プロトタイプで成功を収めた962もすでに水冷シリンダーヘッドを採用していたのだ。当時、空冷の廃止をめぐってさまざまな議論が巻き起こったが、996世代は、ゲームチェンジャーとしての成功を証明した。
可変タービンジオメトリー
2006年、911ターボ(997型)は、パワーとトルクを10％以上向上させるという顕著な性能向上で話題を呼んだ。とりわけ、可変タービンジオメトリー(VTG)という世界的にもユニークな新技術のおかげである。これは、タービンブレードを通過する排気ガスの角度と断面を調整することで、より広い回転数範囲でターボチャージャーの効率を最適化するものだ。
「VTGの開発は先駆的なもので、VTGは20年近くガスエンジンのターボ技術におけるUSPとなっています」とトーマス・クリッケルベルグ氏は説明する。「タービンへの排気ガスの流れを変えるには、華氏1,832度を超える温度で小さなブレードを特別に修正できる必要があり、スペースシャトルにも使われた材料が使われているんです」
より少ない排気量、より高い出力と効率
水冷とVTGの導入に続く次のマイルストーンは、2015年に991世代のベーシックモデルであるカレラとカレラSにターボチャージャーを搭載したことだ。クリッケルベルグ氏は「排気量を減らすと同時に、性能も大幅に向上させることができました。ビターボチャージャーを採用した新世代のエンジンでは、当初、合計で20PSの出力向上が実現されました」と言う。
スポーティなハイブリッド化
設計エンジニアは、2024年夏の現行911世代(992型)のオーバーホールで、6気筒ボクサーエンジンを完成させるための新たな道を再び探っている[911カレラGTS：燃料消費量*複合値(WLTP)11.0-10.5L/100km、CO排出量*複合値(WLTP)251-239g/km、COクラスG]。
新型911カレラGTSは、特に軽量な高性能ハイブリッドパワートレインを搭載した初の公道走行可能な911だ。新しく開発された革新的なエンジンは、パワーの大幅な向上と加速の改善を可能にするだけでなく、将来の排出ガス規制にも対応できるようになっている。
「911に最適なハイブリッドシステムを選択するために、私たちはあらゆるアイデアとアプローチを開発し、テストしました。その結果、911全体のコンセプトに適合し、その性能を大幅に向上させるユニークなエンジンが誕生しました」と、911および718シリーズの責任者であるフランク・モーザー氏は語る。
この技術の核心は、電動アシストターボチャージャーだ。排気ガスで動くタービンとコンプレッサーの間に電気モーターがある。その機能とは、加速時に瞬時に高速に達し、ブースト圧を遅滞なく即座に高めることである。ターボチャージャーは、小型電気モーターによって、いわば翼を与えられているのだ。
「この技術によって、自然吸気エンジンに近いレスポンスが可能になります」と、911燃焼・ハイブリッドシステムプロジェクトマネージャーのマティアス・ホフシュテッター氏は説明する。「そして、加速の数値は私たちの電気自動車スポーツカーに匹敵します。低速での加速はセンセーショナルなものです」
「従来の技術では、将来の排ガス規制を遵守しながら、意図した性能向上を実現することはできませんでした。複数の対策が望ましい結果につながった。排気量は3.0Lから3.6Lに増加し、内燃エンジンは電気アシストによりターボチャージャーがつから1つになりました」
「これにより重量が軽減され、エンジンもコンパクトになりました」と設計エンジニアのロイシュトル氏は説明する。高電圧システムの結果、オルタネーターとエアコン・コンプレッサーを電気で駆動できるようになり、ファン・ドライブが不要になった。クランクケースが0％平らになったことで、パルス制御インバーター給電やDC/DCコンバーターなどの追加コンポーネントのためのスペースが生まれたのだ。
「911をこれ以上長く、広く、重くしたくなかったんです」とホフシュテッター氏は言う。つまり、重量管理と顕著な性能向上を両立させたのだ。当初GTSバージョンに搭載される電動アシストターボチャージャー付きエンジンは、398kW(541PS)と610Nmのトルクを発揮する。
パワートレインには、強化された新しい8速デュアル・クラッチ・トランスミッション(PDK)に組み込まれた永久磁石式同期モーターも搭載されている。これはアイドリング回転数から最大150Nmの駆動トルクでボクサーエンジンをアシストし、最大40kWのパワーを発揮する。
「プラグイン・ハイブリッドのような全電動走行は、T-ハイブリッドとしての911の目的ではありませんでした。なぜなら、バッテリーが大きすぎたり重すぎたりすることも避けたかったからです」とホフシュテッター氏は1.9kWhの容量について説明する。
その代わりに、電動アシスト・ターボチャージャーのシステム上の利点である排気エネルギーの回生が活かされている。排気ガスターボチャージャーの電気モーターは、発電機としても機能し、最大11kW(15PS)の電力を発生させ、排気ガスエネルギーから取り出す。
これはシンプルかつ魅力的な原理である。電気モーターはスピードコントロールのように働く。毎分回転数が上がってブースト圧が急上昇すると、モーターがタービンを減速させる。これにより電気が発生し、バッテリーまたは電気エンジンに供給される。
この効率的なエネルギー回生のおかげで、比較的小型のバッテリーは日常的な使用には十分すぎるほどで、特にセル化学はT-ハイブリッドのニーズを念頭に置いて特別に設計されている。「この技術によって、バッテリーは短時間に大量のエネルギーを供給することができ、比較的短時間で充電することができます」とホフシュテッター氏は説明する。
電動ターボチャージャーのもうひとつの利点は、おなじみのウェイストゲートが不要になることだ。これにより、この形式では世界初となる。「かつてタービンをバイパスしていたエネルギーは、未使用のまま蒸発していました」とホフステッターは説明する。「圧力調整によって電気エネルギーが発生する。これはエンジンの効率にプラスに働き、燃料消費量にも影響する。
「ターボチャージャーとハイブリッド化、エネルギー回生、エンジン内摩擦の低減、冷却の最適化、最適な燃焼室設計との組み合わせは、将来の排ガス・排出ガス規制を遵守するための完璧な方程式です」と、エンジン開発者のロイシュトル氏は要約して言う。「同時に、性能と効率という点で、ますます高まる期待にも応えています」
この方式の実現は、「関係者全員の卓越したチームワークによるもの」だという。911に搭載される6気筒ボクサーエンジンは、かつてハンス・メッツガーが初代911のために発明した革新的なエンジンの伝統を完全に受け継ぎ、コンパクトなパワーハウスであり続けている。
