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プリウス技術検討室
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【エンジン】最新エンジンにみる、効率向上技術
いつか、最近のエンジン技術について書こうと思っていたのですが、幸い、ソーラーパネルの話から、冷却系の話になったので、ご紹介を…
私、最近のエンジンで好きなエンジンというと、
BMWとプジョーが共同開発した1.4／1.6Lのエンジンがあります。
非常にツボを抑えた美しい設計ながら、意欲的な取り組みもあります。
最近 日本の自動車メーカーは、ことエンジン技術においては欧州メーカーの後追いが多いので、このエンジンの技術もそのうち日本のエンジンでも採用されるかもしれません。
ちなみにプリウスの1NZ-FXE(1.5L）はこちら↓
実はこのBMWのエンジン、今月号のCAR GRAPHIC('08/8）に特集が組まれていたので、もうそちらに参照でもいいかなと思いました(^^
ただ、バルブトロニックがらみの記事が多く、自分の気に入った部分の紹介がなかったので、無理にでも紹介します(＾＾;
なお、MotorFan illustrated vol.5 エンジンのP69 にも同エンジンの記載があるので、そちらもご参照ください。
◆冷却機構の可変制御による暖機促進
プリウスの１NZ-FXEでは、エンジン起動中は常にウォーターポンプ（WP）が作動しています。
このため、冷却水はエンジン内を常に循環しています。
（ラジエータ側にいくかはサーモスタットで切り替えられる）
WPはベルトで駆動されています。
冷却の点では、常にエンジン内を冷却水が循環するのはOKなんですが、暖機性能の向上（早く燃焼室の温度を上げたい）という点では、始動時は冷却水を循環させたくないのです。
方法として、
(1) 電動WPによる切り替え制御
(2) ベルト駆動を切り替える機構により、WP作動切り替え
(3) エンジン内冷却水経路切り替え
などがありますが、
BMWはすでに直6系で(1)を、直4で(2)を採用しています。
制御の細やかさという点では(1)がよいでしょうが、コスト等を勘案すると(2)もいいでしょうね。
(2)の場合、ウォーターポンプ（WP)のプーリーとベルトの間に可動式のプーリーがあって、可動プーリーが両者から離れるとWPは動作せず、
可動プーリーがWPとベルト両者に接すると摩擦でWPを駆動する仕組みになっています。（可動プーリーの切り替えは電動みたいです）
銀色の円盤がWPのプーリーで、その脇の黒い円盤が可動プーリーです。
黒い円盤プーリーが右斜め上方向に動いたりします。
必要な分、燃焼室・シリンダーヘッドの温度を早く温める技術として
冬場の暖機で有効だと思うので、次期型で採用してほしいなぁ…。
（冷却水をアクティブに温度上昇させるヒーターとかあっても面白いかも･･･ってこれはエンジンブロックヒーターですね）
◆可変容量オイルポンプ
エンジン内にオイルを循環するオイルポンプは従来、エンジン回転数に応じて吐出量が決まってしまい、
高回転域では必要以上のオイル循環を行い結果的に駆動ロスになるケースがあります。
そこで、ある回転数以上では吐出量をセーブする機構があります。
THSではそれほど高回転域を用いるわけではないですが､必要最低限のオイルポンプ仕事に抑える機構はあってもいいかなぁ･･･。
◆等長エキゾーストマニホールド
そこまでは不要というかもしれませんが、BMWの直4は、写真を見てもエキゾーストマニホールドが等長になるように狙って、排気干渉効率の向上を狙っているように見えます。
（このエンジンはターボの搭載も加味して、冷却性能確保のために前方排気となっています。前面のウネッとしたパイプがエキマニですね）
このあたり、BMWのこだわりが感じられます。
◆樹脂製インテークマニホールド
プリウスの1NZ-FXEエンジンで合点が行かなかったのが、吸気を導くインテークマニホールドとサージタンクがアルミ鋳造製であったことです。
当時のトレンドがすでに樹脂製で軽量化だったんですが・・・
次期型と噂される2ZR-FXEは樹脂製になりそうな感じですね。（ベースエンジンが樹脂製ですし）
あとは･･･個人的には、冬場の暖機中の損失、特にオイル粘度が高いことによる摩擦損失増大が気になっています。
（油温が適正になれば、機械摩擦損失も小さくなるのですが）
オイル粘度のグラフを見ると特性が直線になっていますが、実は縦軸が対数目盛りなんですね。
60℃と10℃の粘度を比較すると10倍ちかい違いになるのです。
ということで、低温始動時の機械損失を低減する目的で、オイルヒーター（クーラーでなく）みたいなアプローチも面白いかなと思っています。
１ｃｃの燃料から、どれだけ無駄なくエネルギーを取り出すか･･･
いろんな損失（排気損失、冷却損失、機械摩擦損失）を低減していくか、将来のエンジンにとても興味があります。
エンジン話は、あと次期型ベースと噂される2ZR-FE型（1800ｃｃ）の話と、あと点火系、燃料系について少し触れたいと思います。
ピストン部の写真を追加しました。
ピストンの側面の黒くなっているところが樹脂コーティングです。
▼ この記事へのコメント ▼
オイルヒーターで。
“水冷オイルクーラー”なんてのが市販されてますが
この効果を逆手にとって、オイルヒーターになると思います。
確か逆手に取らなくても、この効能は書いてあったような…(^^ゞ
プリを買ったときにディーラーに5W-30の純正オイルをキープしておくことを勧められて購入してしまいました。
エンジン稼働率の低いプリはオイルの粘度は燃費と密接な関係がありますよね。
今になって，0W-20にしておけば良かったと後悔しています。トヨタの純正オイルの0W-20はモリブデン配合なんですよね<(｀^´)>
話はちょっとそれますが･･･
最近のピストンのスカート部分には樹脂コーティングしてあるって知ってました？
私はグリル塞ぎをしませんので、プリウスの冷却水の温度変化が一番、気になります。ノーマルのプリウスの最大の弱点は、水温管理だと思っているくらいです。
冷却水の強制的な管理ができれば、半ハイブリッドの短時間での解消や冬場の暖房での水温低下防止などが解消できて、燃費向上につながるように思います。
このエンジン、良さそうですね！
細部にわたってコダワリましたという姿勢が見えます。
わたし的には、VWの1.4L TSI エンジンに興味があります。
情報をお持ちでしたら、いつか特集をお願いしたく思います。m(_ _)m
さん
> “水冷オイルクーラー”なんてのが市販されてますが
> この効果を逆手にとって、オイルヒーターになると思います。
-----------------
エンジン冷却水をバイパス循環させるのでしょうか？
冷却水も冷えている暖機状態の効果じゃないですよね。
プリウスで冷却水温よりも油温が低く推移するケースがあることから、定常運転時における効果でしょうか？
ピストンのスカート部の樹脂コーティング。
樹脂の配合はメーカーによって様々ながら、
二硫化モリブデンやグラファイト等をアラミド樹脂で固めてコーティングしていたりします。結構特殊な加工ですね。普通に思う樹脂のイメージとちょっと異なります。
ピストンが燃焼ガスの圧力を受けて下降するときに、
ピストンがシリンダーに押し付けられる横方向の力
（ピストンサイドフォース）が発生します。
シリンダー壁側は膨張行程で燃焼ガスにさらされるので、
満足な潤滑状態を保てません。
そこで、ピストンのサイドスカート部に油膜保持を目的とした条痕加工というのがなされています。
（完全に平滑でなく、加工筋目が残っているのですね）
で、その筋目のある表面に上記の樹脂コーティングを施し、摩擦低減・耐久性向上を狙った例が近年増えています。
まぁ、スカート部はシリンダー壁に”ぶつかりながらすべる”といった部分なので、ピストンのアルミ表面が出ているよりも効果が断然高いのでしょうね。
一方、エンジンのカム部やクランク部では、樹脂コーティングの例はないですね。
（ピストン部の写真追加しました）
＞冷却水も冷えている暖機状態の効果じゃないですよね。
ぶぶ〜！
水温の上昇は油温より早いのです。
しかも温度の安定度が高いし。
＼(◎o◎)／！ノォォォォ！
ピストンの写真見ました。
ということは上記のピストンの写真にはコンロッドが縦に入るということですね。
コンロッドの軸受メタルのオレンジ色･･･気になりますね。
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【エンジン】最新エンジンにみる、効率向上技術
私、最近のエンジンで好きなエンジンというと、
BMWとプジョーが共同開発した1.4／1.6Lのエンジンがあります。
非常にツボを抑えた美しい設計ながら、意欲的な取り組みもあります。
最近 日本の自動車メーカーは、ことエンジン技術においては欧州メーカーの後追いが多いので、このエンジンの技術もそのうち日本のエンジンでも採用されるかもしれません。
ちなみにプリウスの1NZ-FXE(1.5L）はこちら↓
実はこのBMWのエンジン、今月号のCAR GRAPHIC('08/8）に特集が組まれていたので、もうそちらに参照でもいいかなと思いました(^^
ただ、バルブトロニックがらみの記事が多く、自分の気に入った部分の紹介がなかったので、無理にでも紹介します(＾＾;
なお、MotorFan illustrated vol.5 エンジンのP69 にも同エンジンの記載があるので、そちらもご参照ください。
◆冷却機構の可変制御による暖機促進
プリウスの１NZ-FXEでは、エンジン起動中は常にウォーターポンプ（WP）が作動しています。
このため、冷却水はエンジン内を常に循環しています。
（ラジエータ側にいくかはサーモスタットで切り替えられる）
WPはベルトで駆動されています。
冷却の点では、常にエンジン内を冷却水が循環するのはOKなんですが、暖機性能の向上（早く燃焼室の温度を上げたい）という点では、始動時は冷却水を循環させたくないのです。
方法として、
(1) 電動WPによる切り替え制御
(2) ベルト駆動を切り替える機構により、WP作動切り替え
(3) エンジン内冷却水経路切り替え
などがありますが、
BMWはすでに直6系で(1)を、直4で(2)を採用しています。
制御の細やかさという点では(1)がよいでしょうが、コスト等を勘案すると(2)もいいでしょうね。
(2)の場合、ウォーターポンプ（WP)のプーリーとベルトの間に可動式のプーリーがあって、可動プーリーが両者から離れるとWPは動作せず、
可動プーリーがWPとベルト両者に接すると摩擦でWPを駆動する仕組みになっています。（可動プーリーの切り替えは電動みたいです）
銀色の円盤がWPのプーリーで、その脇の黒い円盤が可動プーリーです。
黒い円盤プーリーが右斜め上方向に動いたりします。
必要な分、燃焼室・シリンダーヘッドの温度を早く温める技術として
冬場の暖機で有効だと思うので、次期型で採用してほしいなぁ…。
（冷却水をアクティブに温度上昇させるヒーターとかあっても面白いかも･･･ってこれはエンジンブロックヒーターですね）
◆可変容量オイルポンプ
エンジン内にオイルを循環するオイルポンプは従来、エンジン回転数に応じて吐出量が決まってしまい、
高回転域では必要以上のオイル循環を行い結果的に駆動ロスになるケースがあります。
そこで、ある回転数以上では吐出量をセーブする機構があります。
THSではそれほど高回転域を用いるわけではないですが､必要最低限のオイルポンプ仕事に抑える機構はあってもいいかなぁ･･･。
◆等長エキゾーストマニホールド
そこまでは不要というかもしれませんが、BMWの直4は、写真を見てもエキゾーストマニホールドが等長になるように狙って、排気干渉効率の向上を狙っているように見えます。
（このエンジンはターボの搭載も加味して、冷却性能確保のために前方排気となっています。前面のウネッとしたパイプがエキマニですね）
このあたり、BMWのこだわりが感じられます。
◆樹脂製インテークマニホールド
プリウスの1NZ-FXEエンジンで合点が行かなかったのが、吸気を導くインテークマニホールドとサージタンクがアルミ鋳造製であったことです。
当時のトレンドがすでに樹脂製で軽量化だったんですが・・・
次期型と噂される2ZR-FXEは樹脂製になりそうな感じですね。（ベースエンジンが樹脂製ですし）
あとは･･･個人的には、冬場の暖機中の損失、特にオイル粘度が高いことによる摩擦損失増大が気になっています。
（油温が適正になれば、機械摩擦損失も小さくなるのですが）
オイル粘度のグラフを見ると特性が直線になっていますが、実は縦軸が対数目盛りなんですね。
60℃と10℃の粘度を比較すると10倍ちかい違いになるのです。
ということで、低温始動時の機械損失を低減する目的で、オイルヒーター（クーラーでなく）みたいなアプローチも面白いかなと思っています。
１ｃｃの燃料から、どれだけ無駄なくエネルギーを取り出すか･･･
いろんな損失（排気損失、冷却損失、機械摩擦損失）を低減していくか、将来のエンジンにとても興味があります。
エンジン話は、あと次期型ベースと噂される2ZR-FE型（1800ｃｃ）の話と、あと点火系、燃料系について少し触れたいと思います。
ピストン部の写真を追加しました。
ピストンの側面の黒くなっているところが樹脂コーティングです。
“水冷オイルクーラー”なんてのが市販されてますが
この効果を逆手にとって、オイルヒーターになると思います。
確か逆手に取らなくても、この効能は書いてあったような…(^^ゞ
エンジン稼働率の低いプリはオイルの粘度は燃費と密接な関係がありますよね。
今になって，0W-20にしておけば良かったと後悔しています。トヨタの純正オイルの0W-20はモリブデン配合なんですよね<(｀^´)>
話はちょっとそれますが･･･
最近のピストンのスカート部分には樹脂コーティングしてあるって知ってました？
冷却水の強制的な管理ができれば、半ハイブリッドの短時間での解消や冬場の暖房での水温低下防止などが解消できて、燃費向上につながるように思います。
細部にわたってコダワリましたという姿勢が見えます。
わたし的には、VWの1.4L TSI エンジンに興味があります。
情報をお持ちでしたら、いつか特集をお願いしたく思います。m(_ _)m
> “水冷オイルクーラー”なんてのが市販されてますが
> この効果を逆手にとって、オイルヒーターになると思います。
-----------------
エンジン冷却水をバイパス循環させるのでしょうか？
冷却水も冷えている暖機状態の効果じゃないですよね。
プリウスで冷却水温よりも油温が低く推移するケースがあることから、定常運転時における効果でしょうか？
樹脂の配合はメーカーによって様々ながら、
二硫化モリブデンやグラファイト等をアラミド樹脂で固めてコーティングしていたりします。結構特殊な加工ですね。普通に思う樹脂のイメージとちょっと異なります。
ピストンが燃焼ガスの圧力を受けて下降するときに、
ピストンがシリンダーに押し付けられる横方向の力
（ピストンサイドフォース）が発生します。
シリンダー壁側は膨張行程で燃焼ガスにさらされるので、
満足な潤滑状態を保てません。
そこで、ピストンのサイドスカート部に油膜保持を目的とした条痕加工というのがなされています。
（完全に平滑でなく、加工筋目が残っているのですね）
で、その筋目のある表面に上記の樹脂コーティングを施し、摩擦低減・耐久性向上を狙った例が近年増えています。
まぁ、スカート部はシリンダー壁に”ぶつかりながらすべる”といった部分なので、ピストンのアルミ表面が出ているよりも効果が断然高いのでしょうね。
一方、エンジンのカム部やクランク部では、樹脂コーティングの例はないですね。
（ピストン部の写真追加しました）
ぶぶ〜！
水温の上昇は油温より早いのです。
しかも温度の安定度が高いし。
ピストンの写真見ました。
ということは上記のピストンの写真にはコンロッドが縦に入るということですね。
コンロッドの軸受メタルのオレンジ色･･･気になりますね。