アトキンソンサイクル

アトキンソンサイクル（英: Atkinson cycle）は、ピストン式の内燃機関であるオットーサイクルを基盤としつつ、熱効率の向上を目指して考案された内燃機関の理論サイクル、またはそれを実現したエンジンの一形式です。1882年にイギリスのエンジニア、ジェームズ・アトキンソンによって開発されました。

基本原理

一般的なオットーサイクルでは、混合気を圧縮する行程（圧縮比）と、燃焼ガスが膨張してピストンを押し出す行程（膨張比）の比率は等しくなります。このため、膨張が終わった時点でも燃焼ガスはまだ高い圧力と温度を持っており、このエネルギー差は排気ガスとして外部に捨てられてしまいます。これは熱機関の効率を制限する要因となります。

アトキンソンサイクルの基本的な考え方は、この熱効率の限界を超えるために、圧縮行程よりも膨張行程を長くすることにあります。具体的には、燃焼後の作動ガスが、圧縮を開始する時点と同じ圧力まで十分に膨張できるように行程を延長します。これにより、排気ガスが持つエネルギーの一部をより多く取り出し、エンジンの効率を高めることが可能になります。理論サイクルとしての目的は、圧縮比の絶対的な値に関わらず、膨張比を圧縮比よりも大きくすることで排熱を最小限に抑える点にあります。

機構と歴史

アトキンソンが当初考案したエンジンは、複雑なリンク機構を組み合わせることで、ピストンの上死点と下死点の位置をストロークごとに変化させ、圧縮行程と膨張行程の長さを物理的に変える方式でした。しかし、この機構は非常に複雑であったため、高速での運転が難しく、エンジンの最高出力を高めるのに限界がありました。このため、当時のレシプロエンジン市場において主流となることはありませんでした。

長い間、その理論は優れていても実現が困難とされていましたが、現代になって技術の進歩により実用化が進んでいます。例えば、2013年には本田技研工業（ホンダ）が、比較的シンプルな4節マルチリンク機構「EXlink」を開発しました。これは、ガスコジェネレーション用エンジン（ガスを燃料とする汎用エンジン）として実用化されており、ノッキングの心配が少ない低い圧縮比（8.5）を採用しながらも、それよりも大幅に大きい膨張比（12.3）を実現しています。

ミラーサイクルとの関係

現在の自動車、特にトヨタやホンダの一部のハイブリッド車やガソリンエンジン車などで「アトキンソンサイクルエンジン」と呼ばれるものの中には、厳密には別の技術であるミラーサイクルを採用しているケースが多く見られます。ミラーサイクルは、1950年代にラルフ・ミラーによって考案された手法です。実際の物理的な圧縮比はオットーサイクルと同様に高く（例えば14程度）設定しつつ、吸気バルブを閉じるタイミングを通常よりも遅らせることで、シリンダー内に取り込む混合気の量を調整し、実質的な圧縮比（有効圧縮比）を低下させます。これにより、物理的な膨張比が高く保たれるため、アトキンソンサイクルと同様の高膨張比効果を得ることができます。

ミラーサイクルの大きな利点は、エンジンの基本的な構造を変えることなく、主にバルブのカム形状や制御を変更するだけで実現できる点にあります。これにより、既存の部品を流用しやすく、製造コストを抑えることができます。一方で、吸気量を制限するため、同じ排気量のオットーサイクルエンジンと比較して最大出力が低下するという欠点があります。この出力不足を補うために、過給機（スーパーチャージャーやターボチャージャー）と組み合わせて使用されることが一般的です。

熱力学的な「サイクル」として理論を考える場合、ミラーサイクルはアトキンソンサイクルの理論的な効果を間接的に再現したものと見なすことも可能です。「アトキンソンサイクルのミラー手法」と呼ばれることもあります。しかし、内燃機関の具体的な「機構」や「作動原理」を議論する際には、物理的なリンク機構で行程比を変える本来のアトキンソンサイクルと、バルブタイミング制御で実効圧縮比を変えるミラーサイクルとは明確に区別する必要があります。なお、英語圏では、過給機を組み合わせたものをミラーサイクルと呼び、自然吸気で高膨張比を実現したものをアトキンソンサイクルと呼ぶ傾向が見られます。

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