Atkinsonサイクルエンジンの仕組み

アトキンソンサイクルエンジンは、オットーサイクルエンジンとほぼ同じ4ストローク工程を持つ内燃機関です。ただし、出力が低くなるという欠点があります。一方で燃料をより効率よく利用でき、そのため燃費の良い数値を実現できます。

もともと、現在の仕組みとは異なり、アトキンソンサイクルエンジンは、吸気・圧縮・膨張・排気の4つの工程をクランクシャフト1回転で行っていました。オットーサイクルのエンジンは、同じ工程を行うのにクランクシャフトを2回転させる必要があります。

現在では、この概念が変更され、オットーサイクルエンジンとアトキンソンサイクルエンジンの主な違いは、圧縮行程の一部（約半分）の間、吸気バルブが開いたままになっていることです。これは吸気カムシャフトのカムを変更することで実現され、混合気の圧縮によるエンジンの損失が大幅に減少するという利点があります。

アトキンソンサイクルエンジンの仕組み

アトキンソンサイクルエンジンでも、ガソリンエンジンと同じ4つの工程が行われ、吸気、圧縮、爆発、排気が行われます。ただし、この種のエンジンでは圧縮工程中に吸気バルブの閉じるタイミングが遅く、そのため実質的な圧縮比が低下します。実際の圧縮は吸気バルブが閉じるまで有効に始まらず、そのため従来の4ストロークのオットーサイクルで吸気バルブがより早く閉じる場合と比べ、圧縮比が半分程度になることもあります。

この変更により、圧縮行程中（事前に吸入された空気と燃料の混合気が圧縮される時）、吸気バルブが開いたままであるため、混合気の一部が吸気マニホールドに押し戻されます。

エンジンの圧縮比は、圧縮行程の空気量に燃焼室の空気量を加えたものを、燃焼室の空気量で割った値です。

圧縮行程では、この比は8:1となります。吸気バルブが閉じた時点から数え始めるためです。一方、膨張行程では13:1となり、これはバルブが閉じた状態でピストンが下降する行程（仕事が行われる唯一の行程）に相当します。

この非対称性のため、作動行程が終わり排気バルブが開こうとする時点では、シリンダー内の圧力はほぼ大気圧となります。一方、通常のガソリンエンジンではわずかに高く、つまりピストンを下に押していた力が完全には利用されていないということになります。

さらに、ピストンが上昇行程で進むと吸気マニホールドが満たされます（吸気バルブは行程のほぼ半分まで開いたままであることを思い出してください）。その結果、内部の圧力が上昇し（常に大気圧より低いため）、他のシリンダーへの充填を促進するとともに、ガスの逆流による損失を最小限に抑えます。

アトキンソンサイクルエンジンの機械的負荷は、オットーサイクルエンジンより小さいです。圧縮比が低いため、機構の耐久性が高まります。

また、その製造コストは通常のガソリンエンジンとほぼ同等です。重量、騒音、排ガス排出量も、高価で重く騒音の大きいディーゼルエンジンとは異なります。

アトキンソンエンジンの欠点

これまでは、これらのエンジンの長所だけを取り上げてきました。ここでは、なぜこれらのエンジンがハイブリッド以外のモデルに搭載されないのかを説明します。

主な欠点は、混合気の圧縮量が少ないため、点火時にピストンヘッドにかかる押し出し力が通常のエンジンより小さく、出力の低いエンジンにつながることです。例として、第3世代 Toyota Prius の1,800 cm§h40Fordh41§エンジンは、出力がわずか100 CVしか発生しません。

行程の構成上、これらのエンジンの最高回転数は約5,000 rpmに制限され、比出力（排気量あたりの出力）も低いため、同じ出力を排気量の小さいエンジンで得ているような印象を運転者に与え、車にパワーがないと感じさせてしまいます。

しかし、ハイブリッド車では、パワーの感覚は電気モーターと、エンジンを最適な回転数に保つCVT（無段変速機）（Transmisión por Variador Continuo）によってもたらされるため、この感覚は生じません。

簡単に言えば、ハイブリッド車における内燃機関の役割は、加速をやめた後に慣性を維持することだけであり、それ以外は電気モーターが担当します。

なぜアトキンソンサイクルなのか

アトキンソンサイクルエンジンは、ハイブリッド車の導入と販売に伴って普及しました。これは、内燃機関と電気モーターを組み合わせて動作することを意味します。

オットーサイクルを基にしたアトキンソンサイクルは、ハイブリッド車で広く使用されており、全体の効率を高め、燃料消費を低く抑えることができます。しかし、より先進的な技術の登場に伴い、1882年にJames Atkinsonが開発した仕組みと同じ動作を実現するためにバルブのタイミングが変更されました。

これにより、より高い圧縮比が得られ、オットーサイクルよりずっと早く混合気の爆発が起こり、熱効率が向上します。前述のとおり、これは吸気バルブの閉じるタイミングを遅らせることで実現され、ガスが再び燃焼室内に流れ戻ることを可能にし、より高い圧縮比を実現します。

現在この駆動システムを採用している車種には、Toyota Prius、Ford Escape、Lexus RX 450h、Hyundai Sonata、Chevrolet Volt、KIA Niro、Hyundai Elantra、KIA Forteなどがあり、韓国のメーカーはこの方式を積極的に採用し、その車種ラインナップを拡大しています。