気筒休止エンジン

気筒休止エンジンの仕組みと歴史

気筒休止エンジンは、低負荷時やアイドリング時にエンジンのシリンダーの一部、もしくは全てを休止させることで燃費の向上や排出ガスの削減を実現する内燃機関です。可変排気量エンジン、片バンク休止エンジン、可変シリンダーなど、様々な呼び名で呼ばれています。

エンジンの休止方法

気筒休止は、可変バルブ機構を用いて吸排気バルブを完全に閉じ、燃料供給を停止することで実現します。具体的には、ロッカーアームやバルブリフターといった部品を制御して、カムシャフトからのバルブへの動きを遮断するか、ゼロリフトのカムに切り替えます。これにより、シリンダー内の燃焼サイクルは停止しますが、ピストン自体の往復運動は続きます。休止中のシリンダーでは断熱圧縮・膨張に近い状態となり、作動気体による損失は小さくなりますが、機械的な摩擦損失は残ります。

燃費向上と排出ガス低減効果

気筒休止によって、エンジンの排気量が小さくなった状態となり、低負荷時ではスロットルバルブを開度大きく開けることで、同等の出力を維持できます。この結果、ポンピングロスが低減され、燃料消費量と排出ガス量の削減に繋がります。スロットル開度を制御するためには、ドライブ・バイ・ワイヤシステムが一般的に用いられます。また、稼働するシリンダー数が減るため、アイドリング時などでは燃料消費量の削減効果が顕著です。なお、気筒休止中も点火プラグは放電しており、これは気筒復帰時の失火を防ぐためです。

フライホイール効果

休止中のシリンダーのピストンは動き続けており、この動きが一種のフライホイール効果を生み出します。下死点付近でバルブが閉じると圧縮された空気が、上死点付近で閉じると負圧が、クランクシャフトの回転エネルギーを一時的に蓄えます。直列4気筒エンジンではアイドリング時の安定性に寄与しますが、V型6気筒エンジンなど片バンク休止を行う場合、振動が大きくなるため、アイドリング時は気筒停止を行わない場合もあります。

気筒休止エンジンの課題

気筒休止エンジンにはいくつかの課題があります。一つは、気筒休止時の振動の低減です。また、気筒休止への切り替え時の出力変化を小さく抑えることも重要です。GMの研究では、気筒休止による作動間隔が短いと、期待通りの燃費向上効果が得られないことが示されています。V型エンジンで片バンク休止を行う場合、触媒の温度維持のため、休止するバンクを切り替える必要があります。

さらに、最近のエンジンは可変バルブタイミング機構やEGR（排気ガス再循環）システムの進化により、気筒休止以外の方法でもポンピングロスを低減できるようになってきています。そのため、機構が複雑な気筒休止システムを採用するメリットは相対的に小さくなってきています。ただし、可変バルブタイミング機構の採用が難しいSOHCやOHVエンジンなどにおいては、気筒休止機構は依然として有効な技術です。

気筒休止エンジンの歴史

気筒休止エンジンの歴史は古く、1981年にはキャディラックがV型8気筒エンジンにこの技術を採用しましたが、トラブルが多かったためすぐに廃れました。その後、三菱自動車が1982年にミラージュに、メルセデス・ベンツが1990年代にV型12気筒やV型8気筒エンジンに採用するなど、多くのメーカーが技術開発に取り組んできました。ホンダ、クライスラー、GM、フォルクスワーゲン、ランボルギーニ、アストンマーティン、マツダなど、多くの自動車メーカーが様々な車種に気筒休止エンジンを搭載しています。近年では、直列3気筒エンジンへの採用例も出てきています。

まとめ

気筒休止エンジンは、燃費向上と排出ガス低減に有効な技術ですが、振動や出力変化といった課題も存在します。しかし、技術の進歩により、これらの課題は徐々に克服されつつあり、今後も様々な自動車メーカーによって改良と普及が進むと考えられます。

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