日産の量産型可変圧縮比エンジンの仕組みとは

100年ぶりの大進化か

レシプロエンジンも生まれてから100年が経っているが、基本的な仕組みは変わっていない。
吸気や排気のバルブタイミングや点火タイミングについては既に可変機構が登場している。
しかし、聖域である圧縮比については可変機構が市販車レベルでは登場していなかった。

今回、日産の日産の可変圧縮比エンジンは、100年ぶりの進化ともいうべき大発明なのである。
圧縮比は、ガソリンとの混合気を圧縮すればするほどパワーが増加する。大きくなる。
しかし、低回転域から高回転域までを同じ圧縮比で両立させるには無理があった。
圧縮比は、高めるとノッキングというエンジンを壊す衝撃が起きやすくなるのです。

理想的な圧縮比可変システム

理想的には、高回転時のみ圧縮比を抑え、低回転時は圧縮比を上げるのが効果的である。
今までは実験研究レベルでは実現していたのだが、それが量産体制、市販化に繋げたのが今回の日産エンジンになる。

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世界初の可変圧縮比エンジン「VC-T」

2016年9月29日開幕のパリ・モーターショーに、世界初の可変圧縮比エンジン「VC-T」を出展。
具体的な機能と動きを解説する。
エンジンは、シリンダーの中にガソリンと空気が混ざった混合気を入れて燃焼させ、その爆発的な膨張でピストンを動かす仕組みになる。
シリンダー内に入れた混合気にそのまま火をつけても、それほど大きな力は得られないため、点火する前に混合気を圧縮することで、爆発力が飛躍的にアップするのです。
圧縮率を上げれば上げるほど、エンジンパワーは向上する。
ただし、ある程度まで圧縮比を上げると、ノッキングという弊害が発生してしまいます。
ノッキングとは、燃焼室内で起きる異常燃焼で、ピストンに穴を開けるなど、エンジンを破壊してしまう現象になります。
よって、高性能なエンジンを開発するには、ノッキングを回避しつつ、圧縮比を上げてパワーを両立させるかがキーになります。

ノッキングと圧縮比アップの両立で燃費が向上する

ガソリンと空気同じ量であれば、圧縮比を上げるとパワーが向上するということは、燃料が少なくても済むということである。
結果、効率が良くなることで低燃費になるため、現在のエコエンジンに求められる機能なのである。

現在の直噴エンジンは、回転数に応じて直接燃焼室内に高圧のガソリンを噴射することで高効率を実現させている。
圧縮比も11.0を実現し以前のようなターボ車ではあり得ない高圧縮比を実現している。

最高出力は270ps、最大トルクは39.8kgmを発生

2リッター直列4気筒可変圧縮・直噴ターボエンジンの最高出力は270ps、最大トルクは39.8kgmを発揮しています。
最新の直噴ターボエンジンでも同様のパワートルクを発生しているため、低速・高速域とのパワーの両立と燃費の向上がどこまで行われているのかが、キーになるでしょう。
燃費のスペックは現時点で未定です。

過去の可変圧縮比エンジンは実用化に至らなかった

今回の日産が世界で初めて実用化した可変圧縮比エンジンは、ノッキングを避けながら圧縮比を高める仕組みをとなっています。
過去、可変圧縮比の仕組みは数多く発表されていますが、その多くは製造の過程で実用化に至らなかったようです。
圧縮比を変化させるには、ピストンとクランクシャフトの間をつなぐコンロッドの長さを変化させる必要があるからです。
コンロッドとクランクシャフトは、非常に高い剛性と軽量さが求められるパーツのため、可変の仕組みを組み込むためには、複雑化が避けられなかったためです。

圧縮比を14:1から8:1まで変化

日産VC-Tエンジンは、クランクシャフトにリンク機構を追加することで、コンロッドの実可動長を変化させる効果が得られ圧縮比を可変させます。
圧縮比を変更時、アクチュエータアームを動かし、アクチュエータアームの動きと連動して、コントロールシャフトが回転します。
ピストンとの間にあるマルチリンク機構の角度が変わります。
高圧縮比にする場合には、マルチリンク機構の角度を垂直方向に近づけ、低圧縮比にする場合には水平方向に近づけるイメージです。
VC-Tの場合、ピストンとコンロッドはそのままで、その先のマルチリンク機構が、カウンターシャフトとカウンターウェイトの役割を果たしているようです。

日産から発表は2005年のことですが、技術発表から実用化の発表まで、じつに10年以上もかかったことになります。
14:1はマツダがスカイアクティブテクノロジーで実現した高圧縮比から、パワー重視のターボエンジンの8.1圧縮比と可変範囲が広くなります。

この仕組みと直噴燃料噴射、ターボの組み合わせにより高効率が実現されます。
今回、日産がプレミアムブランドのインフィニティより搭載することは、高コストエンジンを意味しています。
クランク上のリンクという新しい仕組みですが、ハイブリッド車のようなバッテリーとモーター、ATの仕組みに比べればシンプルであり、将来的には他モデルへの搭載も予想されます。

今後の課題は信頼性確保とコストダウン

クランクケースやリンク、コンロッドなどの重要部品、高剛性の部位であるため今後の信頼性確保が重要となってくると思われます。
レース用エンジン、特にルマン24時間などの過酷さを極めるレース用エンジンなどに搭載してアピールしてほしいものです。

可変圧縮比エンジンのデメリットとは

ピストンとクランクを繋ぐコンロッド部分は、相当の負荷がかかるため頑丈に出来ている。
その駆動部分をリンク構造により可変させるため、仕組み的かなりの重量増加となる。

  • 従来のカムシャフトやバルブの可変コントロールの仕組みよりも強度が求められ重量増加となる。
  • 今までに無い仕組みのため、従来に無かったトラブル発生も予想される。
  • リンク部分の仕組みによりエンジン高さや幅が大きくなる。
  • 複雑な仕組みによるコスト増で、高価なグレードから搭載予定

市販化にあたり、耐久性のテストなどは十分行われていると思われますが、登場時点の出物はリスクが高いかもしれません。

現在の最新エンジンや他メーカーとの比較・まとめ

やはり、100年間市販車としては実現しなかっただけに、信頼性に不安が残りますが市販車としての品質は確保されていることでしょう。
現在の2リッター直噴ターボでも250psオーバー、400nm台のトルクを達成しているだけにスペックだけ見るとズバ抜けて突出していないようです。
技術的視点では凄いと思われますが、ユーザー視点で、現行直噴ターボに比べてどれだけアドバンテージを感じられるのか微妙かもしれません。

BMWのプラグインハイブリッド車では、同等パワーを実現しているだけに比較対象としてもモータートルクが勝ってしまうと思われます。

  • BMW740e i-performance
  • 直列4気筒直噴ターボガソリンエンジン:最高出力258ps、最大トルク400Nm
  • EVモーター:95ps、250Nm

BMWでは、直噴ターボ+モーター+プラグインの市販モデルを1シリーズから7シリーズまで搭載しており、すでにトヨタやレクサスのNAエンジン+モーターだけの仕組みが古臭く見えます。
いまだにトヨタのハイブリッドが一番進んでいると考えている方も多いのでしょうが、最新プリウスですら世界的に見れば突出した存在ではありません。

日産もVC-Tエンジンをモーターと組み合わせたり、安価モデルまで普及させるなど、他メーカーの追従を許さない進化も予想されます。
直近ではQXのSUVモデルへの搭載が予定されています。

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