ミラーサイクルにターボをつける意味を教えて下さい。 ミラーサイクルというのは通常のエンジンよりも吸気量を減らすことによって、吸気時よりも燃焼時の燃焼室の容積を仮想的に大きくし、熱

Question

効率の向上を図ろうとするものだと思うのですが、それに過給器をつけると言うのは一体どういうことなのでしょうか？

過給器で多くの混合気を送り込んで、その後わざわざ吸気バルブを遅閉じにしてその混合気を追い出すことになんのメリットがあるのでしょうか？
だったら初めから加給しないで遅閉じもしなければいいのでは？

補足

少し調べをすすめたら、低出力時は通常のミラーサイクルでエンジンを動かし、高出力が要求される場面でターボを使ってミラーサイクルの欠点をカバーするというような文章を見つけました。 なんだか個人的には期待はずれなのですが、真相はそうなのでしょうか？

Answer 1

ミラーサイクルのメリットは高圧縮化が主眼だけど、ガソリンEGで厄介となるポンピングロスを低減できるのもデカイ。

それと、ミラーサイクルに過給器を付けるメリットは、遅閉じで減らされた吸気量を補填出来るのがある。加えて追い出された混合気をインタークーラーで再度冷やせるので、圧縮比を高く保て、結果的に熱損失が減る。なのでユーノス800にはインタークーラーが2発搭載されていた。

元々マツダは、世界に先駆けてダウンサイジング計画を行い、紆余曲折の末に辿り着いたのがユーノス800のKJ-ZEMだった。このEGのスペックを見ると分かるけど、2.3Lで3L並の出力と2L並の燃費を叩き出している・・正しく世界初のダウンサイジングEGと言う訳だ。。

質問者からのお礼コメント

ありがとうございました。

Answer 2

alfonso_capneさんへ

そもそもの発想点・着眼点が違っちゃっている様です。

>通常のエンジンよりも
オットーサイクル、ですね?

>吸気量を減らすことによって、
>吸気時よりも燃焼時の燃焼室の容積を仮想的に大きくし、
>熱効率の向上を図ろうとするもの
ここら辺の話の繋がり・脈絡に、納得されてますか? 完全に。d(^^;)
何故吸気量を減らすと熱効率がUpするのか?
私だったらこの説明じゃ解りません。(苦笑)

と言う事で、そもそも、の話から紐解いてみたいと思います。長く成りますが、お付き合い下さいナ。


エンジンとは、燃焼で得た高圧を膨張させて仕事に変換し、取り出す物である。
ここ迄は良いですか? d(^^)

膨張させるんだから、どの位膨張させたら良いのか、考える必要が有りますね。
勿論、大きく膨張させればさせる程良い、理論的にはネ。d(^^;)
実際はどうか?
ここを考える事が肝なんですヨ

排気量を一定にしたまま、膨張比を高めて行く。とエンジンデザイン的にはロングストローク型に成って行きます。これ自明ですネ
で、表計算softで、ピストンとシリンダーの擦動面積を計算してみて下さいな。ロングストロークに成れば成る程、面積、つまり摩擦損が嵩んで来ます。
効率はUpする一方で、摩擦損も嵩んで来る。ので、両者は拮抗し、何処かでピークを描く。
高過ぎたら却って摩擦損が勝っちゃう。
これが識者の暗算で、近年は計算もされる様に成って、ピストンにコンロッドが直結する様な構造のエンジンでは膨張比14辺りがピークに成ると判って来たのでした。
勿論これは構造によって違い、車載ディーゼル何か足下にも及ばない位の、地球上で熱効率最高の座を競い続けている大型舶用ディーゼル
http://www.khi.co.jp/knews/backnumber/bn_2006/pdf/news141_02.pdf

では、圧縮比にして11〜12の間に最高点が来ています。

話を戻して・・・
車載出来る規模では、膨張比14が理想。だが、圧縮比14だと
・圧縮上死点温度が高過ぎて自己不正着火で壊れちゃうガソリン
・圧縮上死点温度が低過ぎて冷間始動や低回転低負荷時の綺麗な燃焼が獲得出来ないディーゼル
と言う事で、中々達成出来ない日々が続いて来たのでした。
そんな中から、吸気弁閉じ時期を充填効率最高に成るタイミングからズラす事で、圧縮比だけを下げるという、ミラーシステムに拠るアトキンソンサイクル型が徐々に増えて来ました。
レギュラーガスで10.5位、ハイオクでも12位が限界と判断され、それ以上の膨張比はミラーサイクルで、という判断なのでしょう。

>それに過給器をつけると言うのは一体どういうことなのでしょうか？
別に、、、特にどうと言う事は無いと思うんですが。。。(^^;)

>過給器で多くの混合気を送り込んで、
圧縮して濃くした空気を吸わせる、という解釈の方が良さそうにも思いますが。。。

>その後わざわざ吸気バルブを遅閉じにして
>その混合気を追い出すことに
>なんのメリットがあるのでしょうか？
膨張比です、肝は。

>だったら初めから加給しないで
>遅閉じもしなければいいのでは？
オットーサイクルでは越えられない限界を超えるには、圧縮比、では無い、膨張比をもっと高めるしか無い、と考えたから、ですネ。


で、、、過給にミラーサイクル、つまり高膨張比サイクルを組み合わせると、裏ドラが出ます。
過給圧を活かす為に低圧縮比化した。
この時に大事な膨張比も下げてしまうと、つまりオットーサイクルのままだと、膨張し切れず高温なままの排気がポートを通過する事に成るので、エンジンが受け取る熱が非常に厳しい状況を招きます。
だから、過濃混合気や気化潜熱を使って、内側から冷やした。
これじゃあ、過給で燃費低減に成りません。燃料冷却せずに高過給圧を自在に使いこなせる様に成らなければ。。。
で、吸気弁閉じ時期を変える事で高膨張比なままにすれば、過給しても熱負荷が減ります。燃料冷却が減らせる。
だから、ミラー or アトキンソンサイクルと過給は相性が良い筈なのです。

で、、、ダウンサイジングの話が出て来る。
過給する。出力、トルクがUpする。
なら、同じ出力レベルに留めて、排気量を絞る。と、上記した様に擦動面積減で摩擦損が減る。
同じ出力を発揮するのに、差っ引かれる「税金」が減るのだから、熱効率は向上する、という図式なのです。
自動車における発案者は
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%BC%E5%9D%82%E5%BC%98
に成りましょうか(-人-)

今は、ダウンサイジングは過渡期です。アイドル回転から大気圧の2倍という高過給圧を常用し、排気量半分ってな大胆な縮減をしなければ。
その為には、理想の高膨張比14と一緒に、スロットル弁も廃止しなければなりません。
又、その頃に成ったらチンケなTurboじゃ役不足で、内部圧縮を持つ事で高効率な機械式過給器を装備する事が第一に成るでしょう。

って事で、話が少し逸れ掛けましたが、目指すべき理想への発展途上である、と考えたらどうかと思います。d(^^)

Answer 3

＞高出力が要求される場面でターボを使ってミラーサイクルの欠点をカバーする

その通りです。
ミラーサイクルは、圧縮比を下げ膨張比を高くして燃焼膨張時の熱効率を上げる効果と、スロットルで吸気を絞る事により生じるポンピング損失を減らす効果が有ります。

なので低出力時は熱効率が高くなるのですが、高出力を出そうと吸気量を増やすと圧縮熱が上がるので異常燃焼のノッキングが出てしまいます。

圧縮熱を上げないで吸気量を増やすのが、ターボ＋インタークーラーです。
限度は有りますが、過給で上がった空気の温度を下げてから吸気するので、ピストン上昇での圧縮熱をあまり上げないで圧縮する事が出来ます。

以上が過給ミラーサイクルで、マツダが昔市販し、最近はＶＷ系でライトサイジングと歌っています。日産ノートのスーパーチャージャーも同様の思想です。


以上なのですが、
ターボを使わないでミラーサイクルの欠点を無くしたのがマツダのＳＫＹＡＣＴＩＶです。
高圧縮比で高出力を出そうと吸気量を増やして圧縮熱が上がっても、異常燃焼のノッキングを起こさない燃焼を実現しています。

高圧縮比１３以上の圧縮熱の高い状態でピストンが上死点を越えると低温酸化反応という熱が発生し、ピストンが下がり始めてから火花点火をしても異常燃焼のノッキングが発生せず、熱効率も余り悪くならない事を発見しました。

Answer 4

それしかないと思いますよ。

今の流れのダウンサイジングターボでしょうけど、これは通常状態でどれだけ燃費を下げられるかが勝負でしょう。

熱効率云々の話が出てくるとややこしいけど、簡単に言えば、吸い込む空気の量を制限して（バルブタイミングなどで）、吸入する空気量を減らしているわけです。
高圧縮比のエンジンが多く見えますけど、これも見かけの話で、吸い込む空気が半分になるのであれば、圧縮比も半分くらいになるはず。

V-TEC のようにバルブの開閉タイミングをコントロールすればいいのかもしれないけど、V-TECは基本的に高速－低速の切替ですよね。

エンジン自体のバルブタイミングを変えないようにすれば耐久性では有利だし、ターボの利かせ方で、吸入する空気の量はリニアに変えることができますよね。

それが目的じゃないかな？

ターボを使わなくてもよくなれば、低燃費の動作になるわけだし。


でも、直噴のシステムがなければ、こんなことはできなかったでしょうね。

Answer 5

熱効率を決める要素のひとつとして膨張比がありますが・・・
圧縮比を増やさず膨張比だけ増やしたいというオットーサイクルでは実現不能なサイクルを、膨張比はそのままで圧縮比を下げることで実現したのがミラーサイクル。

当然ながらミラーサイクルですと同じ排気量でも吸気量はオットーサイクルより減少してしまうので最高出力は下がってしまうという欠点があります。

一方でガソリンエンジンで過給を行う場合、ノッキング対策のため圧縮比はあまり上げられません。オットーサイクルでの場合、圧縮比を下げるということは膨張比も下げるということであり、結果熱効率も下がってしまいますが・・・ミラーサイクルでは熱効率(膨張比)を下げずに過給できるという利点を得られます。

ちなみに今日のミラーサイクルは可変タイミングの吸気カムで実現しているので可変幅にもよりますがオットーサイクル寄りの動作も可能です。

Answer 6

詳しくは知りません
ただ、追い出す混合気
いわゆるゼリーのようなパッケージを思い出すと良いのではないでしょうか？
ビニールのフタを開けると溢れんばかりの汁が出てくるじゃないですか？
あれと同じでシリンダーに均等に混合気を満たしたい
たぶんそうだと思う
気筒にスワロールした混合気が均一に気筒内で満たされれば、容量いっぱいの爆発が均一に起こるのではないかと推論します。

あくまで推論で違うかなー

Answer 7

＞・・・その後わざわざ吸気バルブを遅閉じにしてその混合気を追い出すことになんのメリットがあるのでしょうか？

排気バルブを閉じているのに、漏れ出すようなら故障ですね。