【自動車用語辞典:低燃費技術「アトキンソンサイクルとミラーサイクル」】圧縮比よりも膨張比を高めて熱効率を向上させる技術

■可変動弁機構の普及とともに一般的な技術に

●ミラーサイクルはアトキンソンサイクルの簡易型

低燃費技術として、最近多くのエンジンで採用されているアトキンソンサイクルとミラーサイクルは、メーカーによって呼び方が違うだけで、基本的には同じ技術です。

両者の違いを含めて、その機構とメリットについて解説していきます。

●圧縮比と膨張比

圧縮比とは、「シリンダー内の空気または混合気(空気+燃料)が、ピストン上昇によってどれくらい圧縮されるのか」の割合を示す指標で、次の計算式で表されます。

圧縮比=(燃焼室容積+排気量)/燃焼室容積

一方で膨張比は、「燃焼ガスが、ピストン下降によってどれくらい膨張するか」の割合を示す指標で、通常は圧縮比と同じ値を示します。

熱効率は、燃焼エネルギーがピストンを押し下げる機械的エネルギーにどれだけ変換されるかの割合です。したがって、熱効率は膨張比に依存しますが、一般には圧縮比=膨張比なので、両者を区別せず、代表して圧縮比が使われることが多いです。

●アトキンソンサイクルとは

通常のエンジンでは、吸気、圧縮、燃焼、排気行程の各行程の長さは、同じ(圧縮比=膨張比)です。アトキンソンサイクルは、特殊な機構によって圧縮行程(圧縮比)よりも、膨張行程(膨張比)を長くした熱サイクルです。

ガソリンエンジンでは、ノッキングが発生するため、圧縮比の上昇には限界があります。そこで、アトキンソンサイクルによって、圧縮比をノッキングしない値に抑えて、膨張比だけを上げて熱効率を上げようとするコンセプトです。

ただし、アトキンソンサイクルを実現するための機構が複雑で、機械損失が大きいなどの課題が解決できなかったため、自動車用としては実用化されていません。

●ミラーサイクルとは

アトキンソンサイクルの圧縮比<膨張比を、吸気弁の閉弁時期の調整で実現したのが、ミラーサイクルです。具体的には、高い熱効率を確保するため、膨張比を高く設定した上で吸気弁の閉時期を遅らせる、あるいは早めることによって実圧縮比を下げます。

吸気弁遅閉じの場合、ピストンが下死点から上昇し始めても、吸気弁は開いたままなので圧縮は始まりません。このとき、シリンダー内に吸入された吸気はピストンの上昇によって、吸気ポート側に押し戻されます。

圧縮行程は、吸気弁が閉じてから始まるので、実質的な吸気行程は短くなり、圧縮行程<膨張行程という関係が成立します。

ミラーサイクルは、アトキンソンサイクルを簡易的に実現した手法なのです。

●アトキンソン/ミラーサイクルのメリットとデメリット

アトキンソン/ミラーサイクルによる燃費向上の要因は、高い膨張比による熱効率の上昇と吸気弁遅閉じよるポンプ損失の減少です。

吸気弁の遅閉じは、排気量を小さくしたのと等価です。排気量が小さくなると、同じ出力を得るためには、スロットル開度を大きくする必要があるのでポンプ損失が減少します。

また排気量が小さくなれば、出力が低下します。これが大きなデメリットなので、出力不足を挽回するため、ターボなど過給機を組み合わせることが必須です。

●ミラーサイクルはアトキンソンサイクルの手法のひとつ

ほとんどのメーカーは、アトキンソンサイクルと呼び、マツダはミラーサイクルと呼んでいます。どちらが正しいということではなく、広義で表現するか、狭義で表現するかの違いだけです。ミラーサイクルは、アトキンソンサイクルを実現するひとつの手法なのです。


アトキンソン/ミラーサイクルは、吸・排気弁の開閉時期を自在に制御できる可変動弁機構の普及とともに、ごく一般的な技術になりました。また、ダウンサイジング直噴ターボとの組み合せも積極的に進められています。

(Mr.ソラン)

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