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可変排気量エンジンとは、燃費向上を目的として、通常はシリンダーを休止させることでエンジンの排気量を変化させる自動車エンジン技術である。この技術は主に大型多気筒エンジンに用いられる。2005年以降、多くの自動車メーカーがこの技術を採用しているが、その概念自体はそれ以前から存在していた。
シリンダー休止は、軽負荷運転時の内燃機関の燃料消費量と排出ガス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%しか使用しません。このような状況では、スロットルバルブはほぼ閉じられており、エンジンは空気を吸い込むために作動する必要があります。これがポンピングロスと呼ばれる非効率性を引き起こします。一部の大排気量エンジンは、軽負荷時にスロットルを大きく絞る必要があるため、上死点におけるシリンダー圧力は小型4気筒エンジンの約半分になります。シリンダー圧力が低いと、燃費が悪化します。軽負荷時にシリンダー休止を使用すると、吸気マニホールドから空気を吸い込むシリンダーの数が少なくなり、吸気マニホールド内の流体（空気）圧力が上昇します。可変容量のない運転は、最大性能が要求されない場合でも各シリンダーに燃料が継続的に送り込まれて燃焼されるため、無駄があります。エンジンのシリンダーの半分を停止することで、消費される燃料の量が大幅に削減されます。ポンピング損失を低減することで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、高速道路走行時の燃料消費量を8～25パーセント削減できる。[ 1 ] [ 2 ]
シリンダー休止は、特定のシリンダー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されます。吸気バルブと排気バルブを閉じることで、燃焼室内に「エアスプリング」が形成されます。つまり、閉じ込められた排気ガス（前回の混合気燃焼で発生したもの）は、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は均等化効果をもたらし、全体としてエンジンへの余分な負荷は実質的に発生しません。最新のシリンダー休止システムでは、エンジンマネジメントシステムも使用され、休止中のシリンダーへの燃料供給をカットします。点火タイミング、カムタイミング、スロットル位置（電子スロットル制御による）の変更により、通常のエンジン動作とシリンダー休止間の移行もスムーズになります。ほとんどの場合、シリンダー休止は、軽負荷時に特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エンジンの場合、最大 6 気筒を休止できます。[ 1 ]
可変排気量エンジン全般に共通する課題は、冷却の不均衡と振動の2つである。
可変排気量エンジンの最も古い技術的前身は、19世紀後半に開発されたヒットアンドミスエンジンである。これらの単気筒定置式エンジンは、遠心ガバナーを備えており、エンジンが設定速度以上で運転されている間は、通常は排気弁を開いたままにすることで、シリンダーの運転を停止させていた。
第二次世界大戦中に行われた多気筒エンジンの最初の実験[ 3 ]は、 1981年にキャデラックの不運なL62「V8-6-4」エンジンで再び試みられました。この技術は、ベースエンジンとして350ディーゼルV-8エンジンを搭載したセビルを除くすべてのキャデラックモデルで標準機能となりました。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、必要な出力に応じてエンジンを8気筒、6気筒、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 ]オリジナルのマルチディスプレイスメントシステムは、対向する2つのシリンダーをオフにして、エンジンが3つの異なる構成と排気量を持つことを可能にしました。車には、エアコンの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、顧客には理解されず、予測不能な故障が多発したため、この技術はすぐに廃止された。[ 3 ]
1981年、アルファロメオはジェノヴァ大学と共同で、アルファロメオ アルフェッタの可変排気量エンジンの半実験版であるアルフェッタ CEM（Controllo Elettronico del Motore 、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発表した。[ 4 ] 130 PS（96 kW、128 bhp）の2.0リッターモジュラーエンジンは、燃料噴射と点火システムがエンジン制御ユニットによって制御され、必要に応じて4気筒のうち2気筒を停止させて燃料消費量を削減することができた。最初の10台は、実際の状況での動作と性能を確認するために、ミラノのタクシー運転手に割り当てられた。 [ 4 ] [ 5 ]アルファロメオによると、これらのテスト中に、シリンダー休止により、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量が 12% 削減され、通常の生産キャブレター式2.0 リットルと比較してほぼ 25% 削減されることがわかった。[ 5 ]最初の試作の後、1983 年に 1000 台の小規模シリーズが販売され、選ばれた顧客に提供された。[ 4 ] 991 台が生産された。この第 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なかった。
1982年、三菱はMD（モジュレーテッド・ディスプレイスメント）という独自の可変排気量システムを開発し、三菱の1.4L直列4気筒エンジン4G12 で初めて採用されたこの技術が成功裏に機能することを証明した。[ 6 ]キャデラックのシステムが失敗に終わり、4気筒エンジンが使用されたため、三菱は自社のシステムを世界初と称賛した。[ 7 ]この技術は後に三菱のV6エンジンにも採用された。[ 8 ]
このシステムは、時速70 km/h (43.5 mph)未満、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 エンジンに比べて概ね 20 パーセント向上しました。 [ 9 ]しかし、当時の情報源は、油圧ダンピング付きの特殊なエンジン 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作動すると不満を述べていました。[ 10 ]振動と不快感を最小限に抑えるために取られたその他の対策には、フレキシブル排気管の一部、冷却水温度が 70 ℃ に達するまでシステムを作動させないこと、および 70 パーセント重くなったフライホイールなどがありました。[ 11 ]三菱の取り組みは、主に自動車購入者からの反応がなかったため、短命に終わりました。[ 12 ]
三菱が独自の可変バルブタイミング技術を開発した翌年の1993年に、MIVEC -MD バリアントが導入されました。復活した MD 技術は、改良された電子エンジン制御により、4 気筒から 2 気筒への切り替えがほとんど知覚できないほどスムーズに行えるようになった第 2 世代になりました。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損失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量を 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、可変排気量機能によるものではありません。[ 8 ]モジュレーテッド ディスプレイスメントは 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向けのシリンダー休止システムを開発してきたが、その成功度合いは様々である。8気筒エンジンを4気筒で運転できるようにする自動車用シリンダー休止システム（ACDS）の1979年のEPA評価では、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、加速性能は著しく低下し、エンジンの負圧が失われることで、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という問題が生じた。[ 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、実際に実装されたバージョンは、手工具を使用してエンジンルーム内で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種類に応じて、シリンダー休止機構には主に2つのタイプがあります。1つ目はプッシュロッド式で、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調整します。ロックピンがずれると、リフターは圧縮され、バルブロッカーアームの下にある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ます。その結果、カムがロストモーション部品を押してもバルブは閉じたままになります。
2番目のタイプはオーバーヘッドカムエンジン用で、各バルブにロックされた一対のロッカーアームを使用します。一方のロッカーアームはカムプロファイルに追従し、もう一方のロッカーアームはバルブを作動させます。シリンダーが非作動になると、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除されます。一方のアームはカムシャフトに追従しますが、ロック解除されたアームは動かず、バルブを動かしません。[ 14 ]コンピューター制御により、シリンダーの非作動と再作動はほぼ瞬時に行われます。[ 15 ]
複数の自動車メーカーが、現在生産中のエンジンに気筒休止システムを搭載している。
ダイムラーAGのアクティブシリンダーコントロール（ACC）可変排気量技術は、2001年にCL600とS600に搭載された5.8リッターV12エンジンで初めて採用された。
メルセデス・ベンツは1990年代後半に、点火順序で1気筒おきに停止させるマルチディスプレイスメントシステムV12を開発した。このシステムは、2004年のダイムラークライスラー・ヘミを皮切りに、プッシュロッド式V8エンジンに広く採用された。
ホンダは2003年から、J系エンジンに可変シリンダーマネジメントシステムを導入した。ホンダのシステムは、シリンダーバンクを休止させることで作動し、6気筒、4気筒、3気筒と切り替える。
2005年、GMはクライスラーのMDSと同様にシリンダーの半分を停止させるアクティブフューエルマネジメントシリンダー非作動システム（第4世代スモールブロック）を導入しました。2018年、GMは、差し迫ったニーズに応じてさまざまな組み合わせで任意の数のシリンダーを停止させる、ダイナミックフューエルマネジメント[ 16 ]と呼ばれる改良システムを導入しました。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、この技術を組み込んだ6.2Lエンジンは、2019年のWard's 10ベストエンジンの1つに選ばれました。
2012年、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）を導入した。これは4気筒エンジンにACTを採用した最初のメーカーである。[ 19 ]
2015年、アルファロメオはジュリアとステルヴィオ・クアドリフォリオのV6エンジンにシリンダーバンク休止機構を導入し、軽負荷時には直列3気筒として作動できるようにした。[ 20 ]
2016年11月、フォードは1気筒の休止機能を備えた小型3気筒エコブーストエンジンを発表した。これは休止機能を採用したエンジンとしてはこれまでで最小であり、小型車にもその利点を適用できる。[ 21 ]
2017年11月、マツダは2018年モデルのCX-5全車に標準装備の気筒休止システムを搭載し、マツダ6モデルにも搭載可能になったと発表した。[ 22 ] [ 23 ]
2020年モデルイヤーの時点で、米国で販売された小型車両の約15%が気筒休止システムを採用しており、その大部分はマツダ（64%）、GM（44%）、ホンダ（24%）、FCA（23%）によって採用されている。[ 24 ]
可変圧縮比。このようなシステムで最もよく知られているのは、実験的なサーブ可変圧縮エンジンで、ヒンジ付き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更しました。他の実験的なシステムには、偏心軸上のスライド式クランクレースを使用するヘフリーエンジン[ 25 ]や、4バーリンク機構を使用し、個々のピストンを完全に停止できるという特徴を持つスカルツォピストン非作動エンジン[ 26 ]などがあります。現在、これらの設計のいずれかを使用する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水が漏れたりした場合に、エンジンコントローラーが半分のシリンダーへの燃料と点火を遮断するフェイルセーフモードが搭載されています。バルブの動作は変更されないため、非燃焼シリンダーがエンジンを空冷します。[ 27 ]