トヨタの昨今話題の低燃費エンジン”アトキンソンサイクル”について質問です。

Question

この方式は、元自動車技術者で評論家であった兼坂 弘氏
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%BC%E5%9D%82%E5%BC%98の著書””究極のエンジンを求めて””http://www.mechamania.net/topic/kanesaka.html
に書かれていたミラーサイクルエンジンと同じような気がいたしますが、詳しい方にご解説いただきたいです。
この試みはマツダのユーノス８００やスカイアクティブエンジンの方式と同じではないのですか？
兼坂氏は気筒内噴射（ご本人は○内射％と言っていた）が理想と笑わしてくれましたが、トヨタの方式は直噴より良いのでしょうか？

Answer 1

anfy7さんへ

少しエンジン工学史をば。f(^^;)

刻は1882。ジェームズ・アトキンソンさんは、当時未だ低い圧縮比で、大きい燃焼室に「多量に残留する排ガスが悪さをしているのでは? それをもっと良く排出したら?」と考えて、圧縮と膨張の行程長(ストローク)が違うエンジンを案出します。
130年の時間を経てホンダが現代で形にしたのがこちら。
http://www.honda.co.jp/factbook/power/cogene/201105/P11-12.pdf

この複雑な機構が災いし、製造コストは下がらず、高速回転化で高出力高効率化と言う流れに乗れず、何時しか廃れて行った訳です。

65年後。
北米で、天然ガスエンジンで発電機を作るノルドバーグの技術者だったミラーさんは、負荷急変(電気のスイッチがバチッと投入される)に対応する出力制御法の一つとして、吸気弁閉じ時期の可変機構で、吸気行程長を変える事を思い付きます。
これが、一般化して大量生産で安く成っていたオットーサイクルエンジンの構造のまま、アトキンソンサイクルを実現出来た事に成ったのです。
ミラーシステムによるアトキンソンサイクルの実現。
じゃあ長ったらしいから縮めてミラーサイクル、、、が本筋と思うのですが、マツダに先に実現されてしまったのが余っ程悔しかったんですかねぇ。某ヨタは「アトキンソンサイクルだぁ」と強弁する事に成ったのです。d(^-^;)
事実、シーケンシャルTurboも2WayツインTurbo等と「舌を噛みそうな」強弁をしてましたし。(苦笑)

と言う事で、ミラーサイクルの中でも遅閉じ式自然吸気。スロットルバルブ付き。
なので、おっしゃる通り

>マツダのユーノス８００やスカイアクティブエンジンの方式と
>同じではないのですか？
はい、全く同じです。(後追い、プリウスも d(^=^;)

インテークポート内に噴射と筒内直噴の優劣比較に付いては、お手数ですがこちら
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q10129943045
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q14131633839
をご一読下さい。
みんなおんなじです、成層燃焼やってるって書いて無いし。d(^^;)
私的には、後出しジャンケンなのに、圧縮比0.5だけ負けてるなぁ、と。。。w

Answer 2

結論から言えば同じです。一ついうと昨今話題といってもトヨタのアトキンソンサイクルは世に出て早15年は経つプリウスからやってますので最近というわけではありません。
ただハイブリッドと組み合わせない本格的なアトキンソンサイクル、いわゆるコンベ用のアトキンソンサイクルエンジンはトヨタでは今年出た1NR-FKEからですので確かに最近といえます。

冒頭のようにアトキンソンサイクルはユーノス８００やスカイアクティブと同じミラーサイクルです。アトキンソンサイクルはあくまで理論であり、ミラーサイクルはそれを達成する手段の一つという形となります。ですからミラーサイクルをアトキンソンサイクルとするのも間違いではなく、ホンダなども現行のアコードハイブリッドからはアトキンソンサイクルと呼称しています。

現行の車輌でのアトキンソンサイクルは一部を除き吸気遅閉じによるミラーサイクルが基本となります。遅く閉じることで吸気を戻し実質的な圧縮比が下がり膨張比＞圧縮比のミラーサイクルとなります。これはユーノス800から同じです。ただ違いとしてはユーノス800がリショルムコンプレッサーで過給していたのに対し現行のミラーサイクルの殆どが自然吸気という点でしょうか(日産ノートはルーツ式S/Cで過給していますが)。

そしてユーノス800にないもので、現在ミラーサイクルが普及している理由の一つとして可変バルブタイミング機構（VVT）の進歩が大きいです。従来のタイミング固定では吸気遅閉じのタイミングはかわりませんでしたがVVTにより、ある程度閉じるタイミングを調整できるようになった点が大きいです。これにより状況にあわせて充填効率（実質的な圧縮比）を上げることが可能となりました。
逆にミラーサイクルやアトキンソンサイクルを謳わない普通のエンジンでもVVTにより部分的(軽負荷時など)にミラーサイクルを取り入れている事も多くなっています。

特にコンベ用エンジンとしてはこのVVTが重要で、制御性やレスポンス、作動角度の広さなどが求められるため一般的な油圧式VVTではなく電動式VVTが使われています。スロットルは残っていますが、結構の割合で吸気をVVTで制御していたりします。

理論的にはVVTで通常のエンジン（オットーサイクル）と同じ吸気閉じにすれば、過給器やハイブリッドなどに頼らずとも単体の出力でも実用性に問題のないエンジンとなります。
しかし、高膨張比のミラーサイクルでオットーサイクルとすると高圧縮比からのノッキングを誘発するわけで、スカイアクティブGのミソは高膨張比でいかにノッキングを抑制しつつオットーサイクルに近づけるかという点となります。
これはスカイアクティブに限らずホンダやトヨタから出ているコンベ用のミラーサイクルも同じです。

理論的に言えば制御面の自由度やノッキング抑制などで直噴が理想なのは間違いありません。ただ現実的には他の回答者様が提示しているようなデメリットも存在します。最近では直噴では排出するPMの個数が多いという調査結果も話題にあがっていましたね。
少なくともコスト的には高圧のインジェクターやポンプが必要となるため高コストなのは間違いありません。その分のコストを他の部分にあてるというのも一つの方法でしょう。もちろん技術的な伸び代という部分では直噴の方に分があるかと思いますが、現状でのミラーサイクルにおいては直噴は必須の要件ではなく、熟成されたポート噴射を用い、既存の技術を発展させて対応する事で充分という判断だと言えるかと思います。トヨタにかぎらず直噴技術を持ったホンダもミラーサイクルはポート噴射としています。

おそらく国内の省燃費車は直噴よりもまずはデュアルインジェクションによるポート噴射に移行するのではないかと思います。既に日産、ホンダ、スズキ、ダイハツが採用していますので。