アトキンソンサイクル

アトキンソンサイクルエンジンは、1882 年にジェームズ・アトキンソンによって発明された内燃機関の一種です。アトキンソンサイクルは、出力密度を犠牲にして効率を高めるように設計されています。

このアプローチのバリエーションは、一部の現代の自動車エンジンで使用されています。当初は、初期のトヨタ プリウスなどのハイブリッド電気アプリケーションでのみ見られましたが、後期のハイブリッド車と一部の非ハイブリッド車には、可変バルブタイミングのエンジンが搭載されており、パートタイムの動作レジメンとしてアトキンソンサイクルで動作できるため、アトキンソンサイクルで動作している間は優れた経済性が得られ、従来のオットーサイクルエンジンとして動作しているときは従来の出力密度が得られます。

アトキンソンは、短い圧縮行程と長い膨張行程を持つ3つの異なる設計を生み出した。最初のアトキンソンサイクルエンジンである差動エンジンは、対向ピストンを使用した。2番目で最もよく知られた設計はサイクルエンジンで、オーバーセンターアームを使用してクランクシャフトの1回転で4つのピストンストロークを生み出した。往復エンジンは、クランクシャフトの1回転で4ストロークサイクルの吸気、圧縮、動力、排気行程を実現し、オットーサイクルエンジンをカバーする特定の特許を侵害しないように設計された。^[1]アトキンソンの3番目で最後のエンジンであるユーティリティエンジンは、他の2ストロークエンジンとほとんど同じように作動した。

アトキンソンの設計に共通するのは、エンジンの膨張行程が圧縮行程よりも長いことです。この方法により、エンジンは従来のピストン エンジンよりも高い熱効率を実現します。アトキンソンのエンジンは、ブリティッシュ ガス エンジン カンパニーによって製造され、他の海外メーカーにもライセンス供与されました。

現代のエンジンの多くは、従来とは異なるバルブタイミングを使用して、圧縮行程を短くし、動力行程を長くする効果を生み出しています。ミラーはこの技術を4ストロークエンジンに適用したため、アトキンソン/ミラーサイクルと呼ばれることもあります。米国特許番号2817322、日付1957年12月24日。^[2] 1888年、カロンはフランスの特許を申請し、1889年のパリ博覧会でエンジンを展示しました。カロンガスエンジン（4ストローク）はミラーと同様のサイクルを使用していましたが、スーパーチャージャーはありませんでした。これは「カロンサイクル」と呼ばれています。^[3]

ヒューゴ・ギュルドナーは1914年の著書で、1887年にオットー・ケーラーが初めて提案した設計に基づいて、1891年にケーティングが短い圧縮行程と長い膨張行程を持つガスエンジンを初めて製造した会社であると主張した。このエンジンにはエンジン負荷に依存するバルブトレインもあり、エンジン負荷が増加すると吸気行程と圧縮行程が増加した。一方、低負荷と中負荷では圧縮が低下し、最終的に効率が低下した。^[4]

ブリストルのロイ・フェデンは、1928年にブリストル・ジュピターIVエンジンの配置をテストした。可変遅延タイミングにより、給気マニホールドに一部の空気を吹き戻すことで、離陸時の作動圧力を持続的に低減できる。^[要出典]

現代のエンジン設計者は、アトキンソン型サイクルがもたらす潜在的な燃料効率の向上に気づき始めている。^[5]

アトキンソンサイクルが初めて実装されたのは1882年で、後のバージョンとは異なり、対向ピストンエンジン、アトキンソン差動エンジンとして構成されていました。^{[6] [7]}このエンジンでは、1本のクランクシャフトが、非線形性のあるトグルジョイントリンクを介して2つの対向ピストンに接続されていました。半回転の間、一方のピストンはほぼ静止したままで、もう一方のピストンがそれに近づいて戻り、次の半回転では、2番目のピストンはほぼ静止したままで、最初のピストンが近づいて戻りました。

したがって、各回転で、1 つのピストンが圧縮行程と動力行程を提供し、次にもう 1 つのピストンが排気行程と充電行程を提供します。動力ピストンは排気行程と充電行程の間引き込まれたままなので、圧縮行程と動力行程中に覆われたポートの後ろにあるバルブを使用して排気と充電を行うのが実用的であり、そのためバルブは高圧に耐える必要がなく、多くの蒸気エンジンで使用されているより単純なタイプ、またはリード バルブでもかまいません。

1887 年にアトキンソンが設計した次のエンジンは、「サイクル エンジン」と名付けられました。このエンジンは、ポペット バルブ、カム、オーバーセンター アームを使用して、クランクシャフトの 1 回転ごとに 4 回のピストン ストロークを生み出しました。吸気および圧縮ストロークは、膨張および排気ストロークよりも大幅に短くなりました。

「サイクル」エンジンは、ブリティッシュ エンジン カンパニーによって数年間製造、販売されました。アトキンソンは他のメーカーにも製造のライセンスを与えました。エンジンのサイズは数馬力から 100 馬力までありました。

アトキンソンの3番目の設計は「ユーティリティエンジン」と名付けられました。^[8]アトキンソンの「サイクル」エンジンは効率的でしたが、そのリンクは高速運転ではバランスをとるのが困難でした。アトキンソンは、サイクルをより高速エンジンとして適用できるようにするには改良が必要であることに気づきました。

この新しい設計により、アトキンソンはリンケージをなくし、最高 600 rpm の速度で動作し、1 回転ごとにパワーを生成できる、より従来型でバランスのとれたエンジンを作ることができました。しかも、圧縮ストロークが短く、膨張ストロークが長い「サイクル エンジン」の効率性はすべて維持されています。ユーティリティは、排気ポートがストロークのほぼ中央にあることを除いて、標準的な 2 ストローク エンジンとほとんど同じように動作します。

膨張/パワー ストローク中、カム作動バルブ (ピストンがストロークの終わりに近づくまで閉じたまま) は、ピストンが排気ポートを通過するときに圧力が逃げるのを防ぎます。排気バルブはストロークの底部近くで開き、ピストンが圧縮方向に戻る間も開いたままになり、ポートがピストンで覆われるまで、シリンダーに新鮮な空気が入り、排気が逃げます。

排気ポートが覆われると、ピストンはシリンダー内の残りの空気を圧縮し始めます。圧縮中に小さなピストン燃料ポンプが液体を噴射します。点火源は、アトキンソンの他のエンジンと同様に、おそらく高温のチューブでした。この設計により、圧縮が短く、膨張ストロークが長い 2 ストローク エンジンが誕生しました。

ユーティリティ エンジンは、アトキンソンの以前の「差動」および「サイクル」設計よりもさらに効率的であることがテストで判明しました。生産された数は非常に少なく、現存するものは 1 つもありません。英国特許は 1892 年のもので、#2492 です。ユーティリティ エンジンの米国特許は知られていません。

理想的なアトキンソンサイクルは、次の要素で構成されます。

• 1–2等エントロピー、または可逆断熱圧縮
• 2–3等容積加熱（Qp）
• 3–4等圧加熱（Qp'）
• 4–5 等エントロピー膨張
• 5～6 等容積冷却（Qo）
• 6–1 等圧冷却（Qo'）

20 世紀後半には、「アトキンソン サイクル」という用語は、改良されたオットー サイクルエンジンを表すために使われるようになりました。このエンジンでは、吸気バルブが通常よりも長く開いたままになり、吸気マニホールドへの吸気の逆流が可能になります。この「シミュレートされた」アトキンソン サイクルは、初期のプリウスのトヨタ 1NZ-FXEエンジンとトヨタ ダイナミック フォース エンジンで最もよく使用されています。

有効圧縮比は低下しますが (空気が圧縮されずにシリンダーから自由に抜けている間)、膨張比は変わりません (つまり、圧縮比は膨張比より小さくなります)。現代のアトキンソン サイクルの目標は、パワー ストロークの終了時に燃焼室内の圧力を大気圧と等しくすることです。これが起こると、利用可能なエネルギーはすべて燃焼プロセスから得られます。空気の任意の部分に対して、膨張比が大きいほど、より多くのエネルギーが熱から有用な機械エネルギーに変換されます。つまり、エンジンの効率が高くなります。

4 ストローク アトキンソン サイクル エンジンの、より一般的なオットー サイクル エンジンに対する欠点は、出力密度が低いことです。圧縮行程のうち吸入空気の圧縮に充てられる部分がより少ないため、アトキンソン サイクル エンジンは、同様の設計およびサイズのオットー サイクル エンジンほど多くの空気を吸入しません。同じタイプの吸気バルブ動作を使用しながら、出力密度の低下を補うために強制吸入も利用するこのタイプの 4 ストローク エンジンは、ミラー サイクルエンジンとして知られています。

アトキンソン サイクルはロータリー エンジンで使用できます。この構成では、オットー サイクルと比較して、出力と効率の両方が向上します。このタイプのエンジンは、1 回転あたり 1 つの出力フェーズと、元のアトキンソン サイクルの異なる圧縮量と膨張量を維持します。

排気ガスは圧縮空気掃気によってエンジンから排出されます。アトキンソンサイクルのこの改良により、ディーゼルや水素などの代替燃料の使用が可能になります。

この設計の欠点としては、ローターの先端がハウジングの外側の壁に非常にしっかりと密着する必要があること、不規則な形状の高速振動部品間の摩擦によって機械的損失が発生することが挙げられます。詳細については、以下の外部リンクを参照してください。

ヘラクレス W-2000バイクのザックスKC-27 ヴァンケル エンジンは、アトキンソンサイクルを採用しています。減圧カプセルは、入ってくる電荷のための二次経路を開きます。^{[引用が必要]}

アトキンソンサイクルを使用する改良型オットーサイクルピストンエンジンは燃費効率は良いが、従来の4ストロークエンジンに比べて排気量当たりの出力が低いという欠点がある。^[9]断続的に出力が必要になる場合は、より多くの出力が必要なときに電動モーターでエンジンの出力を補うことができる。これがアトキンソンサイクルベースのハイブリッド電動ドライブトレインの基礎となっている。これらの電動モーターはアトキンソンサイクルエンジンとは独立して、またはアトキンソンサイクルエンジンと組み合わせて使用​​することができ、必要な出力を最も効率的に生成する手段となる。このドライブトレインは、1997年後半に初代トヨタプリウスで初めて生産された。

2018 年 7 月現在^[update]、多くの量産ハイブリッド車のドライブトレインでアトキンソン サイクルのコンセプトが採用されています。たとえば、次のような場合です。

• シボレー ボルト
• クライスラー パシフィカ（前輪駆動）プラグインハイブリッドモデルミニバン
• フィアット 500 ハイブリッドとフィアット パンダ ハイブリッド
• フォード C-Max（前輪駆動 / 米国市場向け）ハイブリッドおよびプラグインハイブリッドモデル
• フォード エスケープ/マーキュリー マリナー/マツダ トリビュート電動 (前輪駆動および四輪駆動)、圧縮比 12.4:1
• フォード フュージョン ハイブリッド/マーキュリー ミラン ハイブリッド/リンカーン MKZ ハイブリッド電気式（前輪駆動）圧縮比 12.3:1
• フォード・マーベリック^[10]
• ホンダアコードプラグインハイブリッド^[11]
• ホンダ アコード ハイブリッド（前輪駆動）
• ホンダ シティ（ハイブリッド）
• ホンダクラリティプラグインハイブリッド^[12]
• ホンダ CR-V (ハイブリッド 2020年～現在)
• ホンダインサイト（前輪駆動）^[13]
• ホンダ フィット（前輪駆動）第3世代エンジンの一部は、アトキンソンサイクルとオットーサイクルを切り替えます。
• ヒュンダイ ソナタ ハイブリッド（前輪駆動）
• ヒュンダイ エラントラアトキンソンサイクルモデル
• ヒュンダイ グレンジャーハイブリッド（前輪駆動）
• ヒュンダイ アイオニックハイブリッド、プラグインハイブリッド（前輪駆動）
• ヒュンダイ パリセイド3.8 L ラムダ II V6 GDi
• インフィニティ M35hハイブリッド（後輪駆動）
• Kia Forte 147 hp 2.0 ガソリンのみ (前輪駆動)
• キア ニロハイブリッド、プラグインハイブリッド（前輪駆動）
• キア オプティマ ハイブリッド キア K5ハイブリッド 500h (前輪駆動)、圧縮比 13:1
• キア カデンツァハイブリッドキア K7ハイブリッド 700h (前輪駆動)
• Kia テルライド3.8 L ラムダ II V6 GDi
• キア セルトス2.0L (前輪駆動)
• レクサスCT200h（前輪駆動）
• レクサス ES 300h（前輪駆動）
• レクサス GS 450hハイブリッド電気（後輪駆動）圧縮比13:1
• レクサスRC F（後輪駆動）
• レクサス GS F（後輪駆動）
• レクサス HS 250h（前輪駆動）
• レクサス IS 200t (2016) ^[14]
• レクサスNXハイブリッド電気（四輪駆動）
• レクサス RX 450hハイブリッド電気自動車（四輪駆動）
• レクサスUXハイブリッド電気（四輪駆動）
• レクサスLC（後輪駆動）
• マツダ マツダ6 (2013年モデル、2014年モデル)
• メルセデス ML450 ハイブリッド（四輪駆動）電気
• メルセデスS400ブルーハイブリッド（後輪駆動）電気
• 三菱アウトランダーPHEV（2018年モデル、プラグインハイブリッド4輪駆動）^[15]
• スバル クロストレック ハイブリッド（2018年モデル、2019年モデル、全輪駆動）
• トヨタ カムリ ハイブリッド電気自動車（前輪駆動）圧縮比12.5:1
• トヨタ アバロン ハイブリッド（前輪駆動）
• トヨタ ハイランダー ハイブリッド（2011年以降）^[16]
• トヨタ プリウス ハイブリッド電気自動車（前輪駆動）（純粋に幾何学的な）圧縮比は 13.0:1
• トヨタ ヤリス ハイブリッド（前輪駆動）圧縮比13.4:1
• トヨタ オーリス ハイブリッド（前輪駆動）
• トヨタ タコマV6 (2015年から2016年モデル)
• トヨタ RAV4 ハイブリッド(2015 年から 2016 年モデル)
• トヨタ シエナ（2016年モデルは2017年モデル、ハイブリッドは2021年モデルから）
• トヨタ ヴェンザ（2021年モデルよりハイブリッド化）
• トヨタ C-HR ハイブリッド(2016年～現在)
• トヨタ ヤリス クロス ハイブリッド(2021年現在)
• トヨタ イノーバ ハイブリッド(2022年現在)

1887年の特許（US 367496）は、クランクシャフトの1回転以内にガスエンジンの4ストロークサイクルの4ストロークすべてを得るために必要な機械的連結について説明しています。^[1]また、1886年のアトキンソン特許（US 336505）への言及もあり、これは対向ピストンガスエンジンについて説明しています。^[7]「ユーティリティ」の英国特許は1892年のものです（#2492）。

• 内燃機関の歴史
• 可変バルブタイミング
• 可変バルブリフト

• 米海兵隊遠征動力源に適した原動機の比較、オークリッジ国立研究所
• リブララトエンジン – ロータリーアトキンソンサイクルエンジンの開発
• ロータリーアトキンソンサイクルエンジン 2020-06-19にWayback Machineでアーカイブ– このエンジンの詳細と、従来のエンジンおよびヴァンケルエンジンとの比較を示します
• プリウスのあまり知られていない燃費の秘密 - プリウスがアトキンソンサイクルを利用してオットーサイクルエンジンよりも良い結果を出す方法
• Find A Grave の James Atkinson – 個人情報