プリウスのエンジンについて

質問

プリウスは熱効率最優先でアトキンソンサイクルを使用していますが、そもそも1800ccで98馬力/5200rpmしか出ないのなら、1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。オットーサイクルなら6000回転ぐらいは簡単に回せてさらに1割排気量が減らせて1200ccの3気筒になります。
アトキンソンサイクルで膨張比を大きく取って熱効率を上げているのはわかりますが、1200ccにすれば3気筒になって一気筒減らせます。気筒数が4⇒3になるという事は同じ回転数でも内部抵抗的には回転数が3/4になったのと同じでかなり内部抵抗が減らせます。一気筒減れば当然軽くなるし製作費も安くなります。日本では1500ccを下回れば税金も安くなります。ヨーロッパの場合は1400ccとか1200ccを下回ればさらにメリットがあります。だからゴルフは1.2TSIとか1.4とか細かく分けて作ります。だからホンダのインサイトは普通に1300ccなのだろうと思います。
そもそも圧縮比を上げたりCooled EGRを入れたりするのは低負荷域での実効圧縮比を上げて熱効率を上げるためですが、プリウスは低負荷の時はエンジンを止めてしまうので低負荷を気にする必要はありません。CooledEGRには高負荷時に燃焼最高温度を抑えてNOXを抑制する効果はありますが。

と考えてくると、プリウスのエンジンなんてわざわざここまで大きな排気量でアトキンソンサイクルにする必要なんてなかったように思いますが、わざわざ一気筒増やしてますアトキンソンサイクルにする必要性があったのでしょうか？
1200CC、3気筒のエンジンと比べて4気筒で1800ccのアトキンソンサイクルは実際にどれだけのメリットがあるのでしょうか？

回答No.10

kagakusuki

>部分負荷であればFIT3やSKY-Gの1300ccのエンジンだって1300ccよりは少ないです。部分的にミラーサイクルにしたりEGRを入れたりしてかなり実吸気量を減らしています。

　その事に関しては既に、

>SKYACTIVやFIT3のエンジンのバリエーションにはプリウスのエンジンと同様のアトキンソンサイクルのものがありますから、同等レベルの熱効率が実現されていても何の不思議もありません。

と述べております。

>なんども繰り返しになりまして申し訳ございませんが今までのご回答は部分負荷、全負荷のいずれでしょうか？

　それも既に、何度も回答済みでの事です。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.9

kagakusuki

>回答者様の回答には全文目を通しておりますが、残念ながら全て全負荷なのか部分負荷なのか言及がありません。

>そもそも1334CCというのを持ち出されたのは回答者様のほうです。こちらは回答を読んでそれを受けて確認させて頂いているだけにすぎません。今更その1334CCではないと言われましても・・・

　回答No.2にて

>御質問文で

>>プリウスは低負荷の時はエンジンを止めてしまうので低負荷を気にする必要はありません。

>と書いておられたのは質問者様御自身ではありませんか。

と述べた上で、更に、回答No.3にて

>>つまり全負荷ではないからさらにバルブを遅く閉じて実吸気を減らすわけでしょう。

>　全く違います。
>　13.5などという高圧縮比で運転したのでは、筒内の混合気を断熱圧縮した際の温度上昇でノッキングが発生するため、それを避けるために空気の吸入量を低く抑えているのです。
>　プリウスのエンジンでは、それが全力運転なのです。

と明記しております。
　又、1334ccに関しても回答No.1にて最初から、

>使用する燃料の量もまた1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事になります。

と書いているのを、質問者様が勝手に「1334cc丁度」と解しているだけです。
　その事は既に、回答No.5において、

>何度か申し上げております様に、プリウスのエンジンである2ZR-FXEエンジンの吸気量は1334ccでは御座いません。「1334cc"よりも少ない"」です。

と書いた事ですし、回答No.5に書いてあるという事も前回の回答で

>>何度か申し上げております様に、プリウスのエンジンである2ZR-FXEエンジンの吸気量は1334ccでは御座いません。「1334cc"よりも少ない"」です。

>と書いております。

と書いたばかりです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

なんども繰り返しになりまして申し訳ございませんが今までのご回答は部分負荷、全負荷のいずれでしょうか？
「1334ccよりも少ない」とのコメントから部分負荷の議論のように思えますが、ご本人に確定して頂ける事を期待します。

部分負荷であればFIT3やSKY-Gの1300ccのエンジンだって1300ccよりは少ないです。部分的にミラーサイクルにしたりEGRを入れたりしてかなり実吸気量を減らしています。
ご回答では「プリウスアトキンソンサイクルが実吸気量が1334ccより少ないから効率がいい」と書かれていますが、「プリウスアトキンソンサイクル”だけ”が実吸気量が1334ccより少ない」という事ではありませんのでご回答の根拠が失われています。

回答No.8

kagakusuki

>「プリウスのエンジンが吸い込む空気の量は1334ccよりも少ない」というのはプリウスの部分負荷の話だと思います。

　全く違います。
　既に回答No.1で、

>この閉弁時期の61°とは、エンジンの構造上、設定する事が可能な閉弁時期を最低でも61°以上にしか出来ないという事なのですから、実際のプリウスがエンジンを動かしている時には、その閉弁時期は下死点後61°よりも更に遅くなっている場合が大半だと思われます。

と説明済みですし、回答No.3、5でも

>>つまり全負荷ではないからさらにバルブを遅く閉じて実吸気を減らすわけでしょう。

>全く違います。
>13.5などという高圧縮比で運転したのでは、筒内の混合気を断熱圧縮した際の温度上昇でノッキングが発生するため、それを避けるために空気の吸入量を低く抑えているのです。

>何度か申し上げております様に、プリウスのエンジンである2ZR-FXEエンジンの吸気量は1334ccでは御座いません。「1334cc"よりも少ない"」です。

と書いております。
　1334ccまでしか吸気を吸い込む事が出来ない構造をしているというのに、通常時に1334ccで運転していたのでは気圧が下がったり、湿度が上がったりする事で酸素分圧が低くなった際に、吸気量を増やす事が出来ずに効率が低下してしまうではありませんか。
　折角、可変バルブタイミング機構を組み込んであるというのに、何故、態々そんな効率の悪い事をしなければならないのです？

お礼

ご回答ありがとうございます。

＞単なる自説の主張の様な質問ではない事を投稿する事は規約に反する禁止事項

私の主張とは何でしょうか？ お尋ねします。

私は3気筒オットーと4気筒アトキンソンの各々の良い部分と悪い部分を並べて合計したらどちらが得かと問うているにすぎません。どちらが得かは合計しないとわからないと思っています。

＞何を回答しても内容を読んでもらえないのでは、

回答者様の回答には全文目を通しておりますが、残念ながら全て全負荷なのか部分負荷なのか言及がありません。目を通したうえで全負荷なのか部分負荷なのかと確認させて頂いておりますが回答が得られておりません。明確にして頂ければ幸いです。

そもそも1334CCというのを持ち出されたのは回答者様のほうです。こちらは回答を読んでそれを受けて確認させて頂いているだけにすぎません。今更その1334CCではないと言われましても・・・

まず全負荷なら全負荷、その時の実吸気量が1334ccではないというのなら実吸気量何ccで考えるのか決めて頂ければ何度もご回答頂くこともないでしょうし読まれる方もすっきりすると思います。

補足

補足します。私は何の主張もしているつもりはありませんが、明らかにしたい点を明確にしておきます。

・プリウスのアトキンソンサイクル4気筒
・上記の実吸気量とほぼ同等の吸排気量で最大出力も同等の3気筒

どちらが得で合理的かを部分負荷、全負荷に分けて論じて頂ければさいわいです。

回答No.7

kagakusuki

>すみませんがNo1では回答されておりません。

　そんな事は御座いません。回答No.1ではちゃんと

>プリウスのエンジンが吸い込む空気の量は1797cc×0.7424≒1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事であり、使用する燃料の量もまた1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事になります。

と書いております。
　そして、

>エンジンの出力性能に関してもメーカーが発表したカタログ値なのですから疑う余地は無い

のですから、

>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。

という、質問者様御自身が主張されている事が、もし本当であるのならば、

>吸気量がそれよりも少ない2ZR-FXEエンジンの方がより少ない燃料しか必要としないという事です。

という事になります。
　ですから、

>＞>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。
> ＞という事なのであれば、吸気量がそれよりも少ない2ZR-FXEエンジンの方がより少ない燃料しか必要としないという事です。

>それが本当かどうかというのが質問の主旨です。

という事に関して不明な点は、

>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。

という、質問者様御自身が主張されている事が、本当かどうかという事のみになります。
　ですから、

>御質問の趣旨とは、

>>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。

>という、質問者様御自身が主張されている事が、本当かどうかという事を知りたいという事なのでしょうか？

と確認している訳です。

お礼

ご回答ありがとうございます。

>プリウスのエンジンが吸い込む空気の量は1797cc×0.7424≒1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事であり、使用する燃料の量もまた1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事になります。

「プリウスのエンジンが吸い込む空気の量は1334ccよりも少ない」というのはプリウスの部分負荷の話だと思います。

そもそも回答者様がおっしゃる通り両者ともストイキで燃やすのだから出力が同じなら実吸気量は同じです。ディーゼルじゃあるまいし。

部分負荷の場合は昔のエンジンではスロットルで絞っていましたが、最近の1334ccエンジンは部分的にミラーサイクルやCooledEGRを導入しているので1334ccも吸いません。つまり実吸気1334ccで1334cc吸わないエンジンはプリウスだけではありません。だから答えになっていないと申し上げています。

(ミラーサイクルを入れればプリウスと同じだという反論が予想されるので参考までに書いておきますが、私の乗っているアテンザGJ20はミラーサイクルやCooledEGRを入れて2000ccで154馬力でます。3気筒にすればちょうど1330ccで100馬力です。プリウスアトキンソンサイクルは1800ccで98馬力しか出ませんが、そのような出力低下はありません。)

で、部分負荷の想定の回答なのでそのように受け取りますが、部分負荷ではプリウス不利です。
アトキンソンサイクルは膨張比を大きくしてより多くの仕事をさせる考え方ですが、部分負荷では仕事全体が小さいのでオットーとアトキンソンの差は小さいです。
一方、部分負荷でも摩擦等のエンジンの内部抵抗や冷却損失などは減りませんから、内部抵抗ではシリンダ容積1800ccのエンジンと1334ccのエンジンでは明らかに前者が不利です。差し引くと取り出せる仕事が逆転してしまう可能性があります。

本当は燃料消費櫃の等高線図があると一発ですね。

回答No.6

kagakusuki

>＞>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。
> ＞という事なのであれば、吸気量がそれよりも少ない2ZR-FXEエンジンの方がより少ない燃料しか必要としないという事です。

>それが本当かどうかというのが質問の主旨です。

　仰る事が良く解りません。

>吸気量がそれよりも少ない2ZR-FXEエンジンの方がより少ない燃料しか必要としないという事です。

という事に関しては、既に回答No.1において証明済みで、エンジンの出力性能に関してもメーカーが発表したカタログ値なのですから疑う余地は無い筈です。
　という事は、御質問の趣旨とは、

>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。

という、質問者様御自身が主張されている事が、本当かどうかという事を知りたいという事なのでしょうか？

お礼

すみませんがNo1では回答されておりません。再掲します。

1797cc(実吸気1334cc)は以下の通り、オットーサイクルよりも効率が悪化する要因を抱えています。それでも本当にアトキンソンサイクルは効率が良くなるのでしょうか？
・アトキンソンサイクルは一気筒増えるのでその分吸排気損失、摩擦損失、冷却損失が増えます。摩擦損失は回転数を4/3倍に上げたのと同じで、さらに摺動距離も13.5/11.0倍になります。1気筒増える分慣性マスが増えて加速も不利です

さらにアトキンソンサイクルは下記のとおり部品点数も増えますので重くなって燃費に不利です。この車両重量増を入れても燃費は良いのでしょうか？
・1気筒多くなるのでシリンダやカムシャフトなど増えます。

ついでに総合的な経済性の観点からも疑問を呈しておきます。

さらにアトキンソンサイクルは一気筒分だけ部品点数も増えますので製作費が増えます。バルブ制御部品も結構高いそうです。
・製作費増を補えるくらい燃費は良いのでしょうか？

さらにアトキンソンサイクルは1350ccで済むところを1800ccにしているので税金も余計いかかります。
・税金の差を補えるくらい燃費が良いのでしょうか？

回答No.5

kagakusuki

>1350ccのオットーサイクル＋モーターあり(HV)
>1797cc(実吸気1334ccの)＋モータあり(HV)

>の比較でのご回答を希望していますので、よろしくお願いします。

　何度か申し上げております様に、プリウスのエンジンである2ZR-FXEエンジンの吸気量は1334ccでは御座いません。「1334cc"よりも少ない"」です。
　理論空燃比で燃焼させる場合には、吸気量と1行程ごとに消費する燃料の量は吸気量に比例するのですから、

>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。

という事なのであれば、吸気量がそれよりも少ない2ZR-FXEエンジンの方がより少ない燃料しか必要としないという事です。

お礼

＞「2ZR-FXEエンジンの吸気量は1334ccでは御座いません。「1334cc"よりも少ない"」

補足ありがとうございます。1334ccというのはご回答に合わせただけです。

最大熱効率の場合にはほぼ全負荷でいいと思いますが、実用燃費には部分負
荷も加えないといけないので話がややこしくなります。それはお互い承知の事として全負荷の場合だけで話を進める事があるのもお互い承知の事と思っています。

＞>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。
＞という事なのであれば、吸気量がそれよりも少ない2ZR-FXEエンジンの方がより少ない燃料しか必要としないという事です。

それが本当かどうかというのが質問の主旨です。

回答No.4

kagakusuki

>ここで「部分負荷の時もエンジンを動かし続けねばならない非ハイブリッドの3気筒エンジンが」という話が出てくること自体、話の意味が違うと思いますが、いかがでしょうか？

　そもそも

>さらにいつも全負荷で使うわけではないのだから、部分負荷では意外と3気筒化し1200ccのエンジンを使った方が有利かもしれません。

と言って、燃費に影響するほど部分負荷で回す事が多いエンジン(即ち非ハイブリッド車用のエンジン)の話を持ち出してきたのは質問者様の方です。

お礼

ご回答ありがとうございます。

やはり間違っておられましたね。初めの質問文を読めばわかる事と思いますがプリウスのエンジンについてアトキンソンを1350ccオットー、1200Ccオットーにしてはどうかというのが趣旨です。モーターをなくせとは一切書いておりません。

1200ccのオットーサイクル＋モーターあり(HV)
1350ccのオットーサイクル＋モーターあり(HV)
1797cc(実吸気1334ccの)＋モータあり(HV)

でお願いします。

回答No.3

kagakusuki

>＞1気筒減らして3気筒にしてしまいますと、回転数を4/3倍に上げ無ければ同じ性能を出せなくなるのですから、

>いいえ、違います。1797CCでも実吸気が1334CCなら1334CC分の馬力しか出ません。同じ吸気量でストイキで燃やすのだから同じ回転数で同じ仕事になります。ただもう少し正確に言うと、アトキンソンサイクルのほうが膨張比が大きい分仕事が多くなるのと、アトキンソンサイクルのほうが圧力の低い2.5の膨張過程が増える分だけBEMP(平均筒内圧力)が下がるので馬力は低下します。その意味ではむしろアトキンソンサイクルのほうが回転数を上げないと馬力は同じになりません。

　違っていのは質問者様の方です。
　その1334cc分の馬力しか出ないアトキンソンサイクルと同じ性能を、3気筒にして排気量が1334ccの3/4にまで減ってしまったのエンジンで出すためには3気筒エンジンの回転数を4/3倍以上にあげねばなりません。

>つまり全負荷ではないからさらにバルブを遅く閉じて実吸気を減らすわけでしょう。

　全く違います。
　13.5などという高圧縮比で運転したのでは、筒内の混合気を断熱圧縮した際の温度上昇でノッキングが発生するため、それを避けるために空気の吸入量を低く抑えているのです。
　プリウスのエンジンでは、それが全力運転なのです。

>つまり1334ccで無理に高回転回す場面ではプリウスの1797cc(実吸気量が1334cc)でも同じように無理に高回転回すことになります。

　全く違います。
　プリウスはハイブリッド車なので、その様な高出力が必要となる場面では、電動モーターの力も加える事で、エンジンの回転数を増やす事なく高出力を達成します。
　それに対し、1334ccの3/4倍よりもはるかに多い排気量である1200ccのオットーサイクルのエンジンでは、プリウスの1797ccのエンジンよりも多くの吸気量(燃やす燃料も3/4倍よりも多い)を必要としているのにもかかわらず、

>オットーサイクルなら6000回転ぐらいは簡単に回せてさらに1割排気量が減らせて1200ccの3気筒になります。

と、むしろ回転数を高くしなければ同じ性能が出せない訳ですから、4気筒エンジンと比べて無理を多くしているという事になります。

　質問者様は、一部の細々とした事のみにばかり目を向けて反論を繰り返しておられるようですが、実際には、プリウスの1797ccアトキンソンサイクルエンジンと同等の性能を、オットーサイクルのエンジンで得るためには

>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力が出せます。オットーサイクルなら6000回転ぐらいは簡単に回せてさらに1割排気量が減らせて1200ccの3気筒になります。

などの様に、プリウスの1797ccアトキンソンサイクルエンジンよりも多くの燃料を必要とするエンジンとしなければならない以上、アトキンソンサイクルの方がメリットがある事になるという事を忘れてはいけません。

お礼

ご回答ありがとうございます。

もしかすると今まで頂いた回答は全て
1350ccのオットーサイクル＋モーター無し(非HV)
1797cc(実吸気1334ccの)＋モータあり(HV)
で比べていますか？

私の初めの質問文にあるように「4気筒1797cc(実吸気1334cc)のアトキンソンサイクル」のエンジンを「3気筒1334ccオットーサイクル」に置き換えるだけです。

1350ccのオットーサイクル＋モーターあり(HV)
1797cc(実吸気1334ccの)＋モータあり(HV)

の比較でのご回答を希望していますので、よろしくお願いします。

回答No.2

kagakusuki

>まずおっしゃる通り「1797cc×0.7424≒1334ccのエンジン」を13.5/10.0倍仕事をさせているエンジンです。2.5の部分は圧が下がりますので1334ccのエンジンと比べて単純に13.5/10.0倍ではありませんが。アトキンソンサイクルのメリットはそれが全てです。

　それが全てなどではではありません。
　圧縮行程の前半では、シリンダー内の空気を吸気マニホールド内に押し戻しているだけで、筒内の圧は上昇しないのですから、吸気を圧縮するために要する損失が1334ccのエンジン並みに少なくなる事を忘れてはいけません。
　それに比べれば摩擦損失など微々たるものに過ぎません。

>一方で一気筒増えるので摩擦損失、冷却損失が増えます。摩擦損失は回転数を4/3倍に上げたのと同じで、さらに摺動距離も13.5/11.0倍になります。1気筒増える分慣性マスが増えて加速も不利です。

　1気筒減らして3気筒にしてしまいますと、回転数を4/3倍に上げ無ければ同じ性能を出せなくなるのですから、結局、摩擦損失は1気筒減らして3気筒にした所で減らないのでは？
　単位時間当たりの摺動距離、即ちピストン速度も、回転数を4/3倍にした分だけ、3気筒エンジンの方も長くなっていますから、単位時間当たりの摺動距離が

13.5/11.0×4/3倍

になる訳ではありません。
　しかも振動や、ギア等で発生する騒音は、回転数を上げた分だけ3気筒の方が大きくなりますから、損失が増えます。
　それに回転数が高いほどピストンを始めとする各部に加わる加速度も大きくなりますから、その分、各部の肉厚を厚くしなければなりませんし、出力が同じならばギアやシャフトを小さく作る事は出来ませんから、気筒の数が3/4になったからといって、エンジンの重量が3/4近くにまで小さくなる訳ではありません。

>さらにいつも全負荷で使うわけではないのだから、部分負荷では意外と3気筒化し1200ccのエンジンを使った方が有利かもしれません。

　仰る事が支離滅裂です。
　御質問文で

>プリウスは低負荷の時はエンジンを止めてしまうので低負荷を気にする必要はありません。

と書いておられたのは質問者様御自身ではありませんか。
　部分負荷の時もエンジンを動かし続けねばならない非ハイブリッドの3気筒エンジンが、どうして、部分負荷の時にはエンジンを使わずに済むハイブリッドの4気筒エンジンよりも有利になると言えるのですか？
　話が逆でしょう。

>つまり吸気量1334ccでも多すぎるのであって、実際には1200ccもあれば十分です。

　私は吸気量が1334ccもあるなどとは言っておりませんよ。

>この閉弁時期の61°とは、エンジンの構造上、設定する事が可能な閉弁時期を最低でも61°以上にしか出来ないという事なのですから、実際のプリウスがエンジンを動かしている時には、その閉弁時期は下死点後61°よりも更に遅くなっている場合が大半だと思われます。

>閉弁時期が下死点後61°よりも遅くなっているプリウスのエンジンが吸い込む空気の量は1797cc×0.7424≒1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事であり、使用する燃料の量もまた1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事になります。

と言っております。
　その様に少ない吸気量でも、1200ccのオットーサイクルエンジンを無理をして高回転で回した場合と同じ性能を出す事が出来るのですから、アトキンソンサイクルが如何に有利であるのかが判るというものです。

>あのアコードHVでも2000ccのミラーサイクルで済んでいるのだから妥当な線と思われます。

　何か勘違いをしておられませんか？
　プリウスのエンジンに採用されているアトキンソンサイクルとは、真のアトキンソンサイクルではなく、アコードHVで採用されているミラーサイクルと同じものです。

>最大熱効率はプリウスの2ZR-FXEが40％達成とのことですが、SKYACTIVやFIT3の高圧縮のNAでも39％近い効率です。

　SKYACTIVやFIT3のエンジンのバリエーションにはプリウスのエンジンと同様のアトキンソンサイクルのものがありますから、同等レベルの熱効率が実現されていても何の不思議もありません。

お礼

お付き合いありがとうございます

＞1334ccのエンジン並みに少なくなる事を忘れてはいけません。

1334CCのオットーサイクルと比べているのでそれでやっと同等です。

＞1気筒減らして3気筒にしてしまいますと、回転数を4/3倍に上げ無ければ同じ性能を出せなくなるのですから、

いいえ、違います。1797CCでも実吸気が1334CCなら1334CC分の馬力しか出ません。同じ吸気量でストイキで燃やすのだから同じ回転数で同じ仕事になります。ただもう少し正確に言うと、アトキンソンサイクルのほうが膨張比が大きい分仕事が多くなるのと、アトキンソンサイクルのほうが圧力の低い2.5の膨張過程が増える分だけBEMP(平均筒内圧力)が下がるので馬力は低下します。その意味ではむしろアトキンソンサイクルのほうが回転数を上げないと馬力は同じになりません。

＞仰る事が支離滅裂です。
＞部分負荷の時もエンジンを動かし続けねばならない非ハイブリッドの3気筒エンジンが、

お言葉ですがおっしゃる事が支離滅裂です。プリウスだって部分負荷での運転はありますよ。なるべく全負荷で運転しているだけの事です。その証拠にご自身も下記のように書かれていますよね。これは部分負荷ではありませんか？

＞その閉弁時期は下死点後61°よりも更に遅くなっている場合が大半だと思われます。

つまり全負荷ではないからさらにバルブを遅く閉じて実吸気を減らすわけでしょう。

＞その様に少ない吸気量でも、1200ccのオットーサイクルエンジンを無理をして高回転で回した場合

何回転以上のどれだけの負荷率の事を無理して高回転といっていますでしょうか？

少なくとも自動車のエンジンの最良燃費点は3000rpmあたりにあります。オットーサイクルの1200ccで8割スロットルで3000回転回せば40馬力以上でます。それだけあればプリウスなら100km/hで5％の坂を登れます。

そもそも1797ccの行程容積でも実吸気量が1334ccなら1334ccの出力しか出ません。である以上、1334ccのオットーサイクルと同じ出力を出すためには同じ回転数必要です。つまり1334ccで無理に高回転回す場面ではプリウスの1797cc(実吸気量が1334cc)でも同じように無理に高回転回すことになります。
「片方だけ無理に高回転回すことになる」というロジックが間違いと思われます。

補足

>部分負荷の時もエンジンを動かし続けねばならない非ハイブリッドの3気筒エンジンが、どうして、部分負荷の時にはエンジンを使わずに済むハイブリッドの4気筒エンジンよりも有利になると言えるのですか？

補足します。

そもそも「HVのエンジンにアトキンソンサイクル1800ccではなくて3気筒1200ccのオットーサイクルエンジンを使ったらそんなに悪いんですか？」という話です。

3気筒1200ccのオットーサイクルエンジンを使おうが、アトキンソンサイクル1800ccを使おうが、そもそもHVの場合はエンジン止めてモーターで走ればいいので無理にエンジンを回す必要がありません。

ここで「部分負荷の時もエンジンを動かし続けねばならない非ハイブリッドの3気筒エンジンが」という話が出てくること自体、話の意味が違うと思いますが、いかがでしょうか？

回答No.1

kagakusuki

プリウスにもバージョン等の違いによって使用されているエンジンが異なる場合がありますが、

>1800ccで98馬力/5200rpmしか出ないのなら

と書かれておられるという事は、おそらく4代目のプリウスに搭載されている2ZR-FXEエンジン(1797cc、99PS/5,200rpm)の事を仰っておられるものと思われます。
　2ZR-FXEエンジンはアトキンソンサイクルを使用していますので、例え行程全体での総排気量が1797ccであっても、吸い込む給気の量はそれよりも少ないため、

>同じ回転数で同じ馬力

の

>1350ccのオットーサイクル

よりも少ない燃料で同じ性能を出せるのです。
　2ZR-FXEエンジンの吸気弁が閉じる時期は早くても下死点の61°後であり、遅ければ102°まで遅らせる事が出来ます。

【参考URL】
　トヨタ・ZRエンジン - Wikipedia > 2.5 2ZR-FXE
　　https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%88%E3%83%A8%E3%82%BF%E3%83%BBZR%E3%82%A8%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%83%B3#2ZR-FXE

　この閉弁時期の61°とは、エンジンの構造上、設定する事が可能な閉弁時期を最低でも61°以上にしか出来ないという事なのですから、実際のプリウスがエンジンを動かしている時には、その閉弁時期は下死点後61°よりも更に遅くなっている場合が大半だと思われます。
　下死点から61°遅れて吸気弁が閉じるという事は、下死点～「下死点後61°」の範囲ではシリンダー内の空気を吸気マニホールドの方へ押し出しているという事であり、その分だけシリンダー内の空気の量は減ります。

>プリウスは低負荷の時はエンジンを止めてしまうので低負荷を気にする必要はありません。

という事は、プリウスのエンジンが動いている時には常に高付加で運転しているという事なのですから、燃費最優先である事から考えても、理論空燃比で燃やしていると考えられます。
　そして先述の様にアトキンソンサイクルではシリンダー内の空気の量が少なくなるため、理論空燃比で燃やしたとしても燃やすガソリンの量が少なくなります。
　下死点後61°～上死点の範囲のシリンダー内の容積は、下死点～上死点の範囲のシリンダー内の容積の約74.24%に過ぎませんから、閉弁時期が下死点後61°よりも遅くなっているプリウスのエンジンが吸い込む空気の量は1797cc×0.7424≒1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事であり、使用する燃料の量もまた1334ccのエンジンを同じ回転数で回した場合よりも少ないという事になります。
　つまり、プリウスの2ZR-FXEエンジンは

>1350ccのオットーサイクルで同じ回転数で同じ馬力

した場合よりも少ない燃料で同じ性能を出しているという事です。

>6000回転ぐらいは簡単に回せてさらに1割排気量が減らせて1200ccの3気筒

の場合には、1334ccのエンジンを5200rpmで回した場合と比べて、単位時間あたりに吸い込む空気の量は、
1200cc×6000rpm÷(1334cc×5200rpm)≒1.038倍
になりますから、1200ccのオットーサイクルエンジンを6000rpmでまわした場合よりも、実際の吸気量が1334ccよりも更に少ないプリウスのエンジンの方が燃費が良いという事になります。
　従って、アトキンソンサイクルにする事にはメリットがあるという事になります。

お礼

ご回答ありがとうございます。

各々の部分はそういう論理もあると思いますが、そうでもないようなことも論理的には考えられます。最終的には定性的な議論だけでは無理で数字を見ないといけないところもあると思いますが、それは無理なので少し角度を変えてみる事にします。

まずおっしゃる通り「1797cc×0.7424≒1334ccのエンジン」を13.5/10.0倍仕事をさせているエンジンです。2.5の部分は圧が下がりますので1334ccのエンジンと比べて単純に13.5/10.0倍ではありませんが。アトキンソンサイクルのメリットはそれが全てです。
一方で一気筒増えるので摩擦損失、冷却損失が増えます。摩擦損失は回転数を4/3倍に上げたのと同じで、さらに摺動距離も13.5/11.0倍になります。1気筒増える分慣性マスが増えて加速も不利です。

結論としてはおっしゃる通り、若干効率がいいのかもしれません。最大熱効率はプリウスの2ZR-FXEが40％達成とのことですが、SKYACTIVやFIT3の高圧縮のNAでも39％近い効率です。
ただしそれらは最良点のことです。部分負荷では別の話です。摩擦は低負荷でも高負荷でも変わりませんから、部分負荷では1気筒少ない、摺動距離の短いエンジンのほうが効率で上回る可能性は大です。
FIT3やSKYACTIVもみんな4気筒です。特にFITやデミオを3気筒化すれば意外と2ZR-FXEに肉薄するかもしれません。そうなると軽量化などの総合性能で追いつく可能性も出てきます。

さらにいつも全負荷で使うわけではないのだから、部分負荷では意外と3気筒化し1200ccのエンジンを使った方が有利かもしれません。

そもそも車の実走行ではエンジンは20％程度の出力しか使っていない事が大半で、つまり5000回転回るエンジンを2000回転のハーフスロットル以下で使う事が大半です。プリウスのトルク14.5kgでもフルスロットルで2000回転回せば40馬力出ますが、平地で100km/hで走るのには25馬力くらいで十分です。つまり実際のアクセル開度はもっと少ないのです。
100km/hで5％の坂を上ると50馬力くらい使うと思いますが2500回転相当です。エンジンは3000rpmあたりが一番燃費がいいのでまだ余裕があります。

つまり吸気量1334ccでも多すぎるのであって、実際には1200ccもあれば十分です。しかし、アトキンソンサイクルでは高回転まで回らないから実吸気を1334ccまで増やす必要があります。おそらくオットーサイクルのエンジンで代用するのなら1200ccで98馬力/6500rpmくらいのエンジンになると思います。それが日本の道にはあっていると思います。一方、ヨーロッパでは速度域が高いため1400ccくらいはないときついでしょう。特に高回転域はガソリン冷却でエンリッチとかあるのであまり多用したくありません。1400ccでは小さいと思われるかもしれませんが、あのアコードHVでも2000ccのミラーサイクルで済んでいるのだから妥当な線と思われます。

さらに1気筒少なくなるのでシリンダやカムシャフトなど減って製作費も安いし、アトキンソンサイクルにするためのバルブ制御部品も結構高いそうですが一気筒分減らせます。税金も安くなります。ヨーロッパでは1200cc、1400ccというのは結構重要で、でもそれは日本でもあっていると思います。

本当はいろんなエンジンの回転数、負荷別の燃料消費率曲線があれば一発でわかるのですが。