可変容量

可変容量とは、通常は気筒を休止させることでエンジンの排気量を変更し、燃費を向上させる自動車エンジン技術です。この技術は主に大型の多気筒エンジンで使用されています。この概念は以前から存在していましたが、2005 年現在、多くの自動車メーカーがこの技術を採用しています。

気筒休止は、軽負荷運転時の内燃エンジンの燃料消費量と排出量を削減するために使用されます。一般的な軽負荷運転では、ドライバーはエンジンの最大出力の約 30 % のみを使用します。これらの状態では、スロットルバルブはほぼ閉じており、エンジンは空気を吸い込むために動作する必要があります。これにより、ポンピング ロスと呼ばれる非効率が発生します。一部の大容量エンジンでは、軽負荷時にスロットルを大きく絞る必要があるため、上死点でのシリンダ圧力は小型の4 気筒エンジンの約半分になります。シリンダ圧力が低いと、燃料効率が低下します。軽負荷時に気筒休止を使用すると、吸気マニホールドから空気を吸い込むシリンダが少なくなり、流体 (空気) 圧力が上昇します。可変容量でない操作は、最大パフォーマンスが必要ない場合でも各シリンダに燃料が継続的に送り込まれて燃焼するため、無駄があります。エンジンのシリンダの半分を停止すると、消費される燃料の量が大幅に削減されます。ポンピング損失を減らして各作動シリンダー内の圧力を高め、シリンダーに送り込まれる燃料の量を減らすことで、高速道路での燃料消費量を8～25パーセント削減できます。 ^{[1] [2]}

気筒休止は、特定の気筒の吸気バルブと排気バルブを閉じたままにすることで実現します。吸気バルブと排気バルブを閉じたままにすることで、燃焼室に「空気ばね」が生まれます。つまり、閉じ込められた排気ガス（前回の燃焼から保持された）がピストンの上昇行程中に圧縮され、下降行程中にピストンを押し下げます。閉じ込められた排気ガスの圧縮と減圧には均衡化効果があり、全体としてエンジンに余分な負荷がほとんどかかりません。最新の気筒休止システムでは、エンジン管理システムを使用して、無効化された気筒への燃料供給もカットします。通常のエンジン動作と気筒休止の間の移行も、点火時期、カムタイミング、スロットル位置の変更（電子スロットル制御による）を使用してスムーズに行われます。ほとんどの場合、気筒休止は、特に軽負荷時に効率が悪い比較的排気量の大きいエンジンに適用されます。V12の場合、最大 6 つの気筒を無効化できます。^[1]

すべての可変排気量エンジンで克服しなければならない 2 つの問題は、不均衡な冷却と振動です。^{[引用が必要]}

可変容量エンジンの技術的前身となる最も古いエンジンは、19 世紀後半に開発されたヒット アンド ミス エンジンです。これらの単気筒固定エンジンには、エンジンが設定速度以上で動作している限り、通常は排気バルブを開いたままにしてシリンダーの動作を停止させる遠心調速機が装備されていました。

第二次世界大戦中に行われた最初の多気筒エンジンの実験^[3]は、1981年にキャデラックの不運なL62「V8-6-4」エンジンで再試みられました。この技術は、350ディーゼルV-8エンジンをベースエンジンとして搭載していたセビルを除くすべてのキャデラックモデルの標準機能になりました。キャデラックはイートン社と共同で、業界初のエンジン制御ユニットを使用して、必要なパワーに応じてエンジンを8気筒から6気筒、さらに4気筒に切り替える革新的なV-8-6-4システムを開発しました。^[3]オリジナルの多排気量システムは、反対側の気筒のペアをオフにすることで、エンジンが3つの異なる構成と排気量を持つようにしました。車には、エアコンディスプレイにエンジンのトラブルコードを表示するなど、精巧な診断手順がありました。しかし、このシステムは問題が多く、顧客に誤解され、予期せぬ障害が相次いだため、すぐに廃止されました。^[3]

1981年にアルファロメオはジェノバ大学と共同でアルファロメオ アルフェッタの半実験的な可変排気量エンジン バージョンであるアルフェッタ CEM ( Controllo Elettronico del Motore、または電子エンジン管理) を開発し、フランクフルト モーター ショーで公開しました。^[4] 130 PS (96 kW; 128 bhp) 2.0 リッター モジュラー エンジンは、エンジン コントロール ユニットによって制御される燃料噴射および点火システムを備えており、必要に応じて 4 つのシリンダーのうち 2 つを停止して燃料消費を削減できます。最初のバッチ 10 個はミラノのタクシードライバーに割り当てられ、実際の状況での操作とパフォーマンスを検証しました。^{[4] [5]アルファロメオによると、これらのテストでシリンダーの休止により、可変排気量のない CEM 燃料噴射エンジンと比較して燃料消費が 12%、通常生産の}キャブレター付き2.0 リッターと比較してほぼ 25% 削減されることがわかりました。^[5]最初の試験の後、1983年に1000台の小規模なシリーズが選ばれた顧客に提供され、販売されました。 ^[4] 991台が生産されました。この2回目の実験段階にもかかわらず、プロジェクトはそれ以上発展しませんでした。

1982年、三菱はMD（Modulated Displacement）という独自の可変排気量技術を開発し、この技術が三菱の1.4L 4G12 直列4気筒エンジンで初めて使用されて、正常に機能することを証明しました。^[6]キャデラックのシステムは失敗に終わり、4気筒エンジンが使用されたため、三菱は独自のものを世界初と称しました。^[7]この技術は後に三菱のV6エンジンに使用されました。^[8]

このシステムは、時速70km（43.5マイル）以下、アイドリング時、減速時にシリンダー1番と4番のバルブを無効にすることで機能しました。燃料消費量は、通常の4G12エンジンよりも約20％改善されました。^[9]しかし、当時の情報源は、油圧ダンピングを備えた特別なエンジンマウントにもかかわらず、2気筒モードではエンジンが非常に荒く動くと不満を漏らしていました。^[10]振動と不快感を最小限に抑えるために講じられた他の努力には、フレキシブル排気管の一部、冷却水の温度が70℃に達するまでシステムを作動させないこと、およびフライホイールを70％重くすることが含まれていました。^[11]三菱の努力は、主に自動車購入者からの反応がなかったため、長続きしませんでした。^[12]

1993年、三菱が独自の可変バルブタイミング技術を開発してから1年後、MIVEC -MD型が導入されました。復活したMD技術は、電子エンジン制御が改良され、4気筒から2気筒への切り替えをほとんど気づかれないように行えるようになった第2世代となりました。MDモードでは、MIVECエンジンは4気筒のうち2気筒のみを使用するため、ポンピング損失によるエネルギーの無駄が大幅に削減されます。さらに、エンジン摩擦による動力損失も削減されます。^[7]条件によっては、MIVEC-MDシステムは燃料消費を10～20パーセント削減できますが、この削減の一部は可変バルブタイミングシステムによるものであり、可変容量機能によるものではありません。^[8]変調容量は1996年頃に廃止されました。^[8]

多くの企業がアフターマーケット用の気筒休止システムを開発してきたが、成功の度合いはさまざまである。1979年にEPAが実施した自動車用気筒休止システム（ACDS）の評価では、8気筒エンジンを4気筒で稼働させることが可能になったが、一酸化炭素と窒素酸化物の排出量が当時の排出基準の法的制限を超えて増加していることが判明した。^[13]燃費は向上したが、加速は著しく低下し、エンジンの真空が失われることで、システムが4気筒モードのときにブレーキアシストが危険なほど失われることになった。^[13]これらの問題に加えて、同社は車内から切り替え可能な油圧制御システムを提案したが、実装したバージョンは、エンジンルーム内で手工具を使用して手動で変更する必要があった。^[13]

現在、エンジンのバルブトレインのタイプに応じて、2 種類のシリンダー休止機構が使用されています。1 つ目はプッシュロッド設計で、ソレノイドを使用してリフターのロック ピンに供給される油圧を変更します。ロック ピンが所定の位置から外れると、リフターが折りたたまれ、バルブ ロッカー アームの下の対応するプッシュロッドを持ち上げることができなくなり、カムが空転した部分を押してもバルブが閉じたままになります。

2 つ目のタイプはオーバーヘッド カム エンジン用で、各バルブに 1 組のロックされたロッカー アームが使用されています。1 つのロッカーはカム プロファイルに追従し、もう 1 つのロッカーはバルブを作動させます。シリンダーが停止すると、ソレノイド制御の油圧によって 2 つのロッカー アーム間のロック ピンが解放されます。1 つのアームがカムシャフトに追従している間、ロックされていないアームは動かず、バルブを動かさないままです。^[14]コンピューター制御により、シリンダーの停止と再始動はほぼ瞬時に行われます。^[15]

現在、いくつかの自動車メーカーでは、気筒休止機能を備えたエンジンを生産しています。

ダイムラー AG のアクティブ シリンダー コントロール(ACC) 可変容量技術は、2001 年に CL600 および S600 の 5.8 L V12 でデビューしました。

メルセデス・ベンツは1990 年代後半に、点火順序に従ってシリンダーを 1 つおきに停止するマルチ ディスプレイスメント システム V12 を開発しました。このシステムは、2004 年のダイムラークライスラー ヘミから、プッシュロッド V8 エンジンに広く採用されました。

ホンダは2003 年からJ ファミリーエンジンに可変シリンダー マネジメントを導入しました。ホンダのシステムは、シリンダー バンクを非アクティブにして、6 シリンダーから 4 シリンダー、さらに 3 シリンダーに切り替えることで機能します。

2005年、GMはアクティブ燃料管理気筒休止システム（ジェネレーションIVスモールブロック）を導入しました。これはクライスラーのMDSに似ており、気筒の半分のスイッチをオフにします。2018年にGMはダイナミック燃料管理^[16]と呼ばれる改良システムを導入しました。これは緊急のニーズに応じて、さまざまな組み合わせで任意の数の気筒を停止します。このシステムは、カリフォルニアの企業Tula Technology ^[18]が開発した技術であるダイナミックスキップファイア[ ^{17]に基づいており、これを組み込んだ6.2Lエンジンは、2019年の}ウォードのベスト10エンジンの1つに選ばれました。

2012年にフォルクスワーゲンはアクティブシリンダーテクノロジー（ACT）を導入しました。これは4気筒エンジンでこれを採用した最初のメーカーです。^[19]

2016年11月、フォードは、シリンダーの1つをデアクティベーションするコンパクトな3気筒エコブーストエンジンを発表しました。これはデアクティベーションを使用するこれまでで最も小さなエンジンであり、小型車にもその利点を適用できるようになります。^[20]

2017年11月、マツダは2018年CX-5全モデルに標準の気筒休止機能を搭載し、マツダ6にも搭載可能と発表した。^{[21] [22]}

2020年モデル時点で、米国で販売されている小型車の約15％が気筒休止システムを使用しており、主にマツダ（64％）、GM（44％）、ホンダ（24％）、FCA（23％）が使用しています。^[23]

可変圧縮比。最もよく知られているシステムは、実験的なサーブ可変圧縮エンジンで、ヒンジブロックを使用してピストンをヘッドに近づけたり遠ざけたりすることで、燃焼室のサイズを変えました。他の実験的なシステムには、偏心シャフト上のスライドクランクレースを使用するヘフリーエンジン^[24]や、4リンクを使用し、個々のピストンを完全に停止できる特徴を持つスカルツォピストン不活性化エンジンなどがあります。^[25]現在、これらの設計を採用した量産車はありません。

さらに、キャデラックのノーススター エンジン シリーズやフォードのモジュラーエンジン、デュラテックエンジンなどの一部のエンジンには、エンジンが過熱したり冷却剤がなくなったりすると、エンジン コントローラーが燃料をカットし、シリンダーの半分に点火するフェイルセーフ モードが備わっています。バルブの動作はそのままで、非燃焼シリンダーはエンジンを空冷します。

• ベントレーは2015年に可変容量型Lシリーズエンジンの改良版を発表した。
• ダイムラークライスラーの マルチディスプレイスメントシステム（MDS）はクライスラーのモデルに使用されました
• ダイムラークライスラーの アクティブシリンダーコントロール（ACC）はメルセデスベンツのモデルに使用されました。
• ゼネラルモーターズ V8-6-4 (キャデラック)
• ゼネラルモーターズ キャデラック シックスティーン(キャデラック)
• ゼネラルモーターズ アクティブ燃料管理
• ホンダ 可変シリンダーシステム（VCM）

• カムレスエンジン
• サーブ可変圧縮エンジン
• スタートストップシステム