압축비를 높이지 않고 팽창비만을 높인 엔진
엔진은 피스톤이 상하에 움직이는 것에 의해서, 그 실린더의 용적을 변화시킵니다.피스톤을 상승시켜 들이 마신 공기를 압축해, 연소시켰을 때의 에너지에 의해서 피스톤을 눌러 내립니다.각각 압축비, 팽창비라고 부릅니다만, 보통 엔진에서는 압축비와 팽창비는 이콜입니다.
그런데 고효율을 노리려고 하면, 더 팽창비를 갖고 싶어집니다.보통으로 생각하면 압축비를 높이면 변명입니다만, 그러나 압축비를 높게 해 나가면 가솔린엔진에서는 노킹이 발생해 버립니다.즉, 보통 엔진에서는 노킹이 발생하지 않는 상한으로, 압축비를 결정하고 있습니다.
그럼 압축비를 높이지 말고, 팽창비만을 높이는 방법은 없는 것일까요? 그것을 실현한 것이 밀러 사이클 엔진, 있다 있어는 앳킨슨 사이클로 불리는 것입니다.
압축비보다 팽창비를 크게 하는 방법은, 몇개인가 태어났습니다.Nissan의 가변 압축비엔진과 같은 콘롯드에 링크를 개입시키는 방법이, 기계적으로 실현되는 하나의 방법이었습니다.실제로 현재, Honda가 발전용 엔진에 그러한 사브콘롯드를 사용한 기구를 채용해 앳킨슨 사이클로 하고 있습니다.
그 후, 흡기계 속에 로터리 밸브를 짜넣어 흡기량을 제한하는 것으로, 외형의 압축비를 낮게 하는 방법도 있었습니다.이것은 Mazda가 Eunos800/Millenia(1993년)로 등장시킨 밀러 사이클의 수법입니다.
앳킨슨 사이클이 대대적으로 등장한 것은, 초대 Toyota Prius(1997년)입니다.흡기 밸브의 타이밍을 늦추는 것으로 흡기량을 줄이는 것으로, 실제의 압축비를 낮게 하는 수법입니다.그 때문에 엔진의 구조는 통상의 것과 변함없이, 노멀 엔진의 캠축과 피스톤을 변경했을 뿐의 Low cost인 물건이었습니다.같은 배기량에서도, 흡기량이 적기 때문에, 파워도 토르크도 나오지 않습니다.
또 아이들링에 가까운 저회전도, 4000 rpm를 넘는 고회전도, 서투릅니다.하이브리드 시스템의 발전·구동용 엔진으로, 발진·저속에서는 모터가 주역이군요.그 때문에 파워가 적은 앳킨슨 사이클을 채용할 수 있던 것입니다.
현재는 가변 밸브 타이밍 기구를 사용하고, 앳킨슨 사이클과 통상의 사이클을 새로 바꿀 수 있게 되어 있습니다.그 때문에 하이브리드용이 아니고, 보통 모델에서도 앳킨슨 사이클이 채용되고 있습니다.
흡기 밸브의 타이밍을, 통상보다 빨리 닫아 흡기를 제한하는지, 늦게 닫아 한 번 실린더에 들어간 흡기를 되밀어내는지, 몇개의 방법에 따라 앳킨슨 사이클을 성립시키고 있습니다.파워가 필요하게 되면, 통상의 모드에 새로 바꾸는 것입니다.
앳킨슨 사이클은, 연소 에너지의 회수율을 높이는 시스템입니다.연소 그 자체는 기본적으로 바뀌지 않습니다.그러니까 파워 모드에의 변경도 스무스하고 문제는 나오지 않습니다만, 연소 그 자체를 새로 바꾸게 되면 큰 문제점이 많이 나오게 됩니다.
https://www.webcartop.jp/2018/01/189318/
(일부 가필)
덧붙여2019년에 등장한 Hyundai의 CVVD도 같은 원리의 엔진입니다.
VVT를 흡기 측에 탑재해, 밸브를 닫는 타이밍을 늦추는 것으로 팽창비를 벌어 앳킨슨 사이클화하고 있습니다.
특징으로서는, 기존의 VVT라면 특허에 저촉하기 위해서, 캠축의 회전 중심을 이동시키는 수법을 취하고 있습니다.
단지, 이 수법이라면 아무래도 기구가 큰 스페이스를 필요로 해 버려, 흡기 측에 밖에 탑재를 할 수 없습니다.
VTEC(Honda)나 VVT-i(Toyota), MIVEC(Mitsubishi)와 같이 밸브 리프트량을 조정하는 것도 불가능합니다.
CVVD에서는 밸브 리프트 기구가 생략 되고 있다
https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1907/05/news060.html
덧붙여 오토 사이클과 앳킨슨 사이클의 변환이 생기는 엔진으로서는 2005년의 Honda의 R18A가 최초였다고 생각합니다.
圧縮比を高めず膨張比だけを高めたエンジン
エンジンはピストンが上下に動くことによって、そのシリンダーの容積を変化させます。ピストンを上昇させて吸い込んだ空気を圧縮し、燃焼させた時のエネルギーによってピストンを押し下げます。それぞれ圧縮比、膨張比と呼びますが、普通のエンジンでは圧縮比と膨張比はイコールなんです。
ところが高効率を狙おうとすると、もっと膨張比が欲しくなるのです。普通に考えると圧縮比を高めればいいわけですが、しかし圧縮比を高くしていくとガソリンエンジンではノッキングが発生してしまいます。つまり、普通のエンジンではノッキングが発生しない上限で、圧縮比を決めているのです。
では圧縮比を高めないで、膨張比だけを高める方法はないのでしょうか？ それを実現したのがミラーサイクルエンジン、あるいはアトキンソンサイクルと呼ばれるものです。
圧縮比よりも膨張比を大きくする方法は、いくつか生れました。Nissanの可変圧縮比エンジンのようなコンロッドにリンクを介する方法が、機械的に実現するひとつの方法でした。実際に現在、Hondaが発電用エンジンにそうしたサブコンロッドを使った機構を採用してアトキンソンサイクルとしています。
その後、吸気系のなかにロータリーバルブを組み込んで吸気量を制限することで、見た目の圧縮比を低くする方法もありました。これはMazdaがEunos800／Millenia(1993年)で登場させたミラーサイクルの手法です。
アトキンソンサイクルが大々的に登場したのは、初代Toyota Prius(1997年)です。吸気バルブのタイミングをずらすことで吸気量を少なくすることで、実際の圧縮比を低くする手法です。そのためエンジンの構造は通常のものと変わらず、ノーマルエンジンのカムシャフトとピストンを変更しただけのローコストなものでした。同じ排気量でも、吸気量が少ないので、パワーもトルクも出ません。
またアイドリングに近い低回転も、4000rpmを超えるような高回転も、苦手です。ハイブリッドシステムの発電・駆動用エンジンで、発進・低速ではモーターが主役ですね。そのためパワーが少ないアトキンソンサイクルが採用できたわけです。
現在は可変バルブタイミング機構を使って、アトキンソンサイクルと通常のサイクルを切り換えることができるようになっています。そのためハイブリッド用ではなく、普通のモデルでもアトキンソンサイクルが採用されています。
吸気バルブのタイミングを、通常よりも早く閉じて吸気を制限するか、遅く閉じて一度シリンダーに入った吸気を押し戻すか、いずれかの方法によってアトキンソンサイクルを成立させています。パワーが必要になれば、通常のモードに切り換えるわけです。
アトキンソンサイクルは、燃焼エネルギーの回収率を高めるシステムです。燃焼そのものは基本的に変わりません。だからパワーモードへの切り換えもスムースで問題は出ませんが、燃焼そのものを切り換えるとなると大きな問題点がたくさん出てくることになります。
https://www.webcartop.jp/2018/01/189318/
(一部加筆)
なお、2019年に登場したHyundaiのCVVDも同じ原理のエンジンです。
VVTを吸気側に搭載し、バルブを閉じるタイミングを遅らせることで膨張比を稼いでアトキンソンサイクル化しています。
特徴としては、既存のVVTだと特許に抵触するために、カムシャフトの回転中心を移動させる手法をとっています。
ただ、この手法だとどうしても機構が大きなスペースを必要としてしまい、吸気側にしか搭載ができません。
VTEC(Honda)やVVT-i(Toyota)、MIVEC(Mitsubishi)のようにバルブリフト量を調整することも不可能です。
CVVDではバルブリフト機構が省略されている
https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1907/05/news060.html
なお、オットーサイクルとアトキンソンサイクルの切り替えができるエンジンとしては2005年のHondaのR18Aが最初だったと思います。