日産は可変圧縮比のVCターボエンジンを、次世代のe-POWER用エンジンに採用すると発表した。日産は電動化を推し進める一方で、モーター駆動を支えるICEにおいても開発も進めており、そのうちのひとつとしてe-POWER+VCターボを公表した。
VCターボとは可変圧縮比エンジンのことであり、主に北米で販売する日産/インフィニティブランドの車両に搭載しているガソリンエンジンだ。そのため、国内ではなかなかテストする機会もなかったが、今回日産の追浜にあるテストコースで試乗することもできた。
では、なぜe-POWER用にVCターボエンジンが採用されるのか、という点で現状のe-POWER用エンジンをみてみると、3気筒1.2LのNAエンジンを搭載し、そのエンジンで充電をするシリーズ式ハイブリッドだ。車両はその充電された電力でモーターを駆動し、全速域モーター走行という仕組みになっている。搭載するリチウムイオン電池の容量は車両によって多少サイズが違うものの、1.5kWhや1.8kWhなど、おおむね2kWh以下で、かなり小容量バッテリーを使用している。
モーター走行をするプラグインハイブリッドではあれば10kWh程度は搭載するし、リーフのような電気自動車であれば40kWhほどは搭載している。つまり、小型バッテリーであるため、すぐに電池切れを起こし、充電するためにエンジンが頻繁に稼働する必要があるというのがe-POWERの実態だ。そのため日産はエンジンの存在をでき限り消す努力をしており、静粛性を高め、まるでEV車のような走行フィールを演出しているわけだ。こうした技術努力によって小容量であることを補っていることになる。
そのエンジンに着目すると、3気筒1.2Lエンジンは充電状況が良ければエンジンは停止し、不足すると稼働する。電池消耗が激しい高速運転になるとエンジンは一生懸命充電するという状況になり、小容量のバッテリーを使い切ったあとは、エンジンによる充電能力に依存するわけで、そこには「効率」が求められるわけだ。そこで日産はVCターボに着目し、次期e-POWER用エンジンに採用したということになる。
さてVCターボとは
現在のVCターボはQX55、アルティマなどに搭載され、2.0L 4気筒で出力は272ps/39.7kg-mなので、200kW/390Nmとかなり高出力なガソリンエンジンである。レギュラー仕様でも252ps/38.7kg-mの出力を発揮しているのだ。その仕組は、圧縮比8から14まで可変となる構造で3つのリンクを介したレイアウトになっている。
その動作と構造はアニメーション動画で日産の公式Webサイトに掲載されているので、ご覧いただくとイメージが伝わると思う。
このエンジンは、過給器（ターボ）を使っているため低圧縮時には高過給でき出力を上げられる。また高圧縮のときはNAのように効率よく動かせるといのがVCターボの基本的な考えだ。マツダのスカイアクティブ-GもNAで高圧縮比なのは、高効率になるからだ。
VCターボでは、そのためアクチュエータを使った3つのリンク構造とし、ピストントップ位置を変更して圧縮比を変えている。最大で6mm高さが変わるという。ピストンはコンロッドでつながるが、これをU-Link（Uppr Link）でピストンとつなぎ、クランクシャフトにつながる手前でL-Link（Lower Link）と繋ぐ。このロワリンクの角度が変わることでストローク量を可変させることが可能になり、圧縮比が変わる構造だ。さらにロワリンクの角度を動かすためにアクチュエーターを使い、そこにはコントロールシャフトとAリンクを介してコネクトしている。
これだけのリンクを使うとシリンダーブロックの大きさや重量といったことが課題になりそうだが、実際は通常の４気筒エンジンには振動を抑えるためのバランスシャフトがあり、この構造にすると振動は抑えられバランスシャフトが不要になる。そのため、重量やサイズは相殺できるレベルに収まっているという。
また、こうした構造によりピストンとつながるUリンクは垂直に上下するため、ピストンがシリンダー内壁に触れるスラスト（摩擦抵抗）が起こらず、通常と比較し1/4程度の抵抗となり、効率よく上下運動ができるメリットもあるという。
さらにLリンクにはテコの原理が作用し、少ない力で効率よく燃焼させるキーでもある。ピストンは爆発力で下に押し下げられるが、このときクランクシャフトにつながるLリンクには、クランクピン荷重が1.9倍の入力荷重があるという。それだけ爆発する力の仕事量を変えられるメリットがあるわけだ。
一方シリンダーヘッド側では各気筒への直噴の他に吸気ポートでも燃料噴射をし、20MPaの噴射圧と3回のマルチ噴射を行なっている。もちろん、技術トレンドである高速燃焼も目指している設計になっている。
