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検索対象: 高性能エンジンの研究
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1. 高性能エンジンの研究

第 1 章工ンジンのパワーとトルク 45 ーターを使ったからといって , 何も特別な計算をしているわけではない。 コンピュ これまで述べてきたような計算を , もう少し厳密にくり返し行なっただけである。 もちろん手で計算することも可能だ。ただし時間がかかる。たとえば , 次にのべ るセリカ XX 2800GT の 0 ー 400m 加速を手で計算 ( ある程度は電卓を使う ) して みたが . 仕事の合間をぬって 1 週間かかってしまった。これが , コンピュー あると約 5 分間で可能だ。もちろんプログラミングの時間は別にしてであるが。 解析結果を実測値と比較してみたところ , 途中経過も含めて , 0.5 % 程度の誤差 でシミュレートしていることがわカた。 したがって , 工ンジンの性能を中心に 0 ー 400m 加速について論じるには . 十分 役に立っ方法だということができると思う。 1. セリカ X X 2800 G T の加速性能 数多いトヨタ車の中でも , セリカはもっともスポーティな車種である。とくに 2.8 6 気筒 D O H C ェンジンを搭載したセリカ X X 2800 GT は , すぐれた動力性能を 持っクルマだ。 そこで , このセリカ XX2800GT をモデルにして , 机上で基本諸元を変更しそ れがどう 0 ー 400m 加速性能に影響を与えるか , 調べてみることにしよう。 0 ー 400 m 加速性能は , 比較的ダイレクトにエンジン性能の影響を受けるものである。 セリカ X X 2800 GT に搭載されるエンジンは 5 M ー G E U 型である。 気筒数は 6 気筒で , バルプ機構は油圧式ラッシュアジャスターを用いた D O H C であり , その駆動にはコッグドベルトが使われている。 ボア x ストロークは 83.0 x 85.0 m m , 総排気量は 2759 c c だ。 D O H C にしては , ロングストロークタイプである。燃焼室は多球形であり , 当然クロスフローの吸排 気レイアウトをとる。 最高出力は 170PS / 5600rPm , 最大トルクは 24.0kg ・ m / 4400rpm である。 完全な高回転型工ンジンではないが , そうかといって低速トルク型のエンジンでは ない。 5M ー GEU 型ェンジン性能線図は図に示すものである。特長は最大トルク付近の トルク曲線が凸形になっており , 乗用車用工ンジンとしては , トルクの立上がりを 意識させる点である。したがって , 3500rPm から 5000rPm の 1500rPm の間で ,

2. 高性能エンジンの研究

第 1 章工ンジンのパワーとトルク パワーは時間に関係があり , トルクは時間とは無関係だ。これはパワーとトルク 9 ノヾワー派 トルク派 おいては , パワーとトルクの関係は下記のようになるだろう。 の違いを考えていく上での , 大きな前提である。したがって , この章のこの段階に どれだけ大きなウェイト を持ち上げられるか。何 時間かかってもよい。 どれだけ短い時間に上げ下げできる か。あるいは決まった時問に何回上 げ下げできるか。時間が関係する。 図 1 トルクとパワー ところで , ここまででたびたび「仕事」という言葉に出会った。いわゆる仕事と いう意味と , ここでいう「仕事」は少し違う。 「仕事」という言葉を物理的に定義するとーーむずかしくなりそうな雰囲気たが , こうした方が結局はわかりやすいので一一「カと , その方向に着力点の動いた距離 との積を , そのカのした仕事」ということになる。 わかりやすくいうと , 仕事 = カ x 動いた距離 ということだ。 カ F 動いた距離 仕事 = カ x 動いた距離 = F x s 図 2 仕事の定義

3. 高性能エンジンの研究

50 曲線の傾きが少なく車速も遅いわけだ。さらに , 曲線の立ち上がりも遅い。という ことは , なかなかスビードが出ないということである。 125 ~ 150 % 工ンジン性能の場合では , 立ち上がりが早く傾きも大きい。つまり , 短時間でスビードに乗れるわけだ。 0 % に 5 % を卩 60 超 0 田 0 % 75 % 50 % に 0 に 0 田 0 田 0 25 % 80 80 60 60 40 40 20 20 32 時間 (sec) 田 0k 可 h の横軸で見ると , 工ンジン性能を向上 させるほどに , そこに到達するまでの時間が 短いことがわかる。 0 4 このグラフは「時間と速度」の関係を示した ものである。たとえば 20 秒の縦軸で見ると , 工ンジン性能を向上させるほどに , そのとき の車速が高くなっていることがわかる。また 図 26 セリカ XX2800GT の 0 ー 400m 加速 ( 工ンジン性能を変化させた場合 ) たとえば , 標準仕様では 400m 地点の車速は 140km / h である。これが 125 % 仕 様では 152km / h に , 150 % 仕様では 162km / h になっている。 0 ー 400m 加速のタイムは , 秒単位の違いであるが , 車速の違いは大きく感じら れる。 わたしたちが , 加速感としてとらえるものには , スヒ。ードメーターの針の上がり 具合もある。これを示すものが , 曲線の立ち上がり具合だと考えてもいいだろう。 たとえば , 時間一速度の関係を示す図を見ると , 0 ー 100km/h, 0 -140km/h に達するのに必要な時間は , 表のとおりとなる。 0 ー 100km/h 標準仕様 9.3 秒 75 % 13.1 28 24 20 0 ー 140km/h 16.7 25.0

4. 高性能エンジンの研究

46 うまく使えば , かなりの動力性能が期待できそうだ。 また , 低回転域でも 5000rPm 以上の高回転域でも , 十分なトルクがあるので , お となしく走っても , 回転を引っ張って使っても , それなりの力を発揮するエンジン でもある。これは排気量の大きいエンジンのメリットでもある。 セリカ XX2800GT のボディは , 空力性能がすぐれている。空気抵抗係数は 0.35 とかなり小さな値である。そればかりではなく , 前面投影面積も 1.75m2 と , 排気量 の大きいエンジンを塔載しているわりには小さな値だ , このすぐれた空力性能は , 0 ー 400m 加速ではそれほどメリットとして発揮されないが , 高速域での加速や最 高速性能には , 大きなメリットとなる。 ーター解析に使用した諸元および各種の係数は表のとおりである。 コンピュ 77.1 11.7 5.63 104 7.24 1 19 8.06 1 10 9.21 102 90.4 14.3 8.69 131 工ンジン 性能 150 % 125 % スタンダード 100 % 速度 km/h 81. 1 141 149 156 162 時間 4.22 6.33 9.61 11.0 12.4 13.6 14.8 速度 km/h 74.3 96.7 122 131 139 146 152 時間 S e C 5.00 7.32 10.9 12.5 13.9 15.3 16.6 速度 km/h 67.2 87.7 1 1 1 120 128 134 140 75 % 時間速度 sec km,/h 50 % 時間速度 sec km/h 25 % 時間速度 sec km/h 距離 50 100 150 200 250 300 350 400 時間 se C 3.70 10.0 11.3 12.4 13.6 6.24 8.87 11.0 12.9 14.6 16.3 17.8 19.3 59.6 100 108 1 14 120 125 8.61 16.6 18.6 20.5 22.3 24.0 48.0 65.0 75.6 84.5 92.0 98. 1 103 107 15. 1 19.8 23.3 26.3 29.0 31.6 34.0 36.3 31.3 46.4 56.7 62.9 67.6 7 2.0 76. 1 79.9 表 4 セリカ x x 2800 G T の 0 ー 400 m 加速 ( 工ンジン性能を変化させた場合 ) ③トルク特性を変えてみる。 ②ェンジン性能を全体的に増減する。 ①スタンダードの 0 ー 400 加速を解析する。 解析は次のように行なうことにする。 理解を助けるものとなるはずだ。 これは , 章を追って述べるエンジンについて , それをクルマ側から見るときに , えるか調べてみようということである。 て , ェンジン性能 ( パワーとトルク ) が , クルマの動力性能にどのような影響を与 このようにセリカ X X 2800 G T を , 机上でチューニングあるいはディチューンし ④ェンジンの性能に匹敵する影響力を持っ , ギア比や車重を変えてみる。

5. 高性能エンジンの研究

8 パワーとトルク をかけても , 大きな「仕事」ができれば , トルクが大きいということになる。 とになる。一方 , トルクは「仕事」そのものだ。時間には関係ない。じっくり時間 なるべく短い時間でなるべく多くの「仕事」ができると , パワーがあるというこ ある。 パワーというのは , ある時間内にどれだけの「仕事」ができるかということで パワーとトルク ルクを見えるようにしてみた。 実感がわかない。そこで , コンヒ。ューターという便利な道具を使って , パワーとト ・・・云々という説明では , パワーはトルクにエンジンの回転数をかけて・・ のカ以外のなにものでもないのだから。 ついて考えてみることにしよう。とにかく , クルマを走らせているのは , 工ンジン そこで , 現代の高性能工ンジンを語る大前提として , まず「パワーとトルク」に トルクを抜きにしては考えられない。 どんなエンジンがよくて , どんなエンジンが悪いのかということも , このノヾワーと ところが , 工ンジンについて語るとき , このパワーとトルクは常についてまわる。 えない。なにか漠然としたとらえどころのないものが , パワーとトルクであるよう心 わかっているようでいて , いざそれを口に出してみようとすると , はっきりとい ルク型だあるいはこのエンジンはパワーがある , などとよくいわれる。 ーアップ , 低速トルクの向上あるいはマキシマムパワーの向上 , このエンジンはト トルク型工ンジンあるいはパワ パワーとトルク。これは実に古くて新しい話だ。 かしげたくなってしまう。 だが , その力はトルクなのかそれともパワーなのか , ということになると , 首を 工ンジンは , 燃料を燃やして力を出している。それは実感できることだ。

6. 高性能エンジンの研究

第 1 章工ンジンのパワーとトルク 13 れが 2 時間かかるとすると , 50 km / h になってしまう。 パワー , 動力 , 仕事率 , 馬力等は , どうも速度を支配しているようだ。 一方トルクは , 時間に関係する速度には関係がないようである。どんなに力が弱 くとも , たつぶりと時間をかければ大きな仕事ができる。つまりトルクは大きくで きる。したがって , 時間を問題にするような場合には , トルクでは話がつかないと 考えられるだろう。 次は , もう少し工ンジンに則したパワーとトルクの話だ。 2. 爆発力から回転力へ ーー平均有効圧力の話 工ンジンは , 吸入した燃料と空気の混合気を爆発的に燃焼させ , その圧力をクラ ンクを介して回転力として取り出すものだ。 ここでは , 爆発力から回転力に移り変わる様子を追ってみたい。そして , 燃料の 持っエネルギー = 爆発力からどのようにしてパワーとトルクが計算されるのか , と いうことも話してみよう。 工ンジンの行程には 4 つある。それは , ( 1 ) 吸入行程 , ( 2 ) 圧縮行程 , ( 3 ) 爆発行程 , ( 4 ) 排気行程である。 工ンジンはこれらの行程のうち , ( 1 ) , ( 2 ) , ( 4 ) の行程では「仕事」をしていない。 というよりも吸入したり , 圧縮したり , 排気したりというマイナスの仕事をしてい 混合気吸入 ( 吸気 ) 排気・ 一〇 点火せん ( 2 ) 圧縮行程 ( 3 ) 爆発行程 ( 負の仕事 ) ( 正の仕事 ) 図 8 4 サイクルエンジンの各行程 い ) 吸入行程 ( 負の仕事 ) ( 4 ) 排気行程 ( 負の仕事 )

7. 高性能エンジンの研究

第 2 章高性能工ンジンの諸問題 83 これらについて , もう少し詳しく説明してみよう。 まず , 短時間で空気を吸いこまなければならないということについてだ。 たとえば , FJ 20 型工ンジンの吸気バルプの開閉 ( バルプタイミング ) を考えて みる。 吸気バルプは , 上死点前 29 度で開き始め , 下死点後 47 度で閉じる。上死点から 下死点までにクランクは 180 度回転するから , 吸気ノヾルプの作用角 ( バルプが開い ている角度 ; クランクの回転角で表す ) は , 29 + 180 + 47 = 256 度 である。 上死点 幸 これはバルプの開閉の様子をクランク回転角度で 表したものである。この場合たとえば吸気バルプは 上死点前 29 。 ( クランク回転角 ) で開き , 下死点後 47 。で閉じている。バルプ作用角はバルプが開いて から閉じるまでのクランク回転角度で表される。 ォーバーラップは上死点付近で吸気バルプと排気 ノヾルプが同時に開いているクランク回転角度で表 される。 下死点 図 6 FJ20 型のパルプタイミング この作用角であると , 6000 rpm でエンジンが回っているときには , バルプの開い ている時間は 0.007 秒なのである。 1000 分の 7 秒だ。たったこれだけの時間 ( 時間 というよりも瞬間だ ) で , 空気を吸いこまなければならないのである。空気の吸い こみにくさについて , 実感がわく。 なお , つけ加えるならば , 高回転域で出力を得ようとするほどに , 作用角は大き くする必要がある。それでも , 吸排気の干渉や吸気の吹き返しが生じたり支障が生 じるので限界があるが , レーシングエンジンでは作用は 310 ~ 320 度と広い。 また , 上死点前に吸気バルプは開き , 下死点後に閉じる意味については , 空気の 慣性についてのところで説明しよう。

8. 高性能エンジンの研究

14 る。 ( 1 ) , ( 2 ) , ( 4 ) の行程は , 「仕事」をするための準備行程だ。商売をするには元手が 必要であるが , その元手にあたると考えてもいい。工ンジンが外に向って「仕事」 をするのは , ( 3 ) の爆発行程である。そこでこの行程のことを「仕事行程」とも呼ぶ。 ( 3 ) の爆発行程では , 燃料が燃えてシリンダー内の圧力が急激に高くなる。この圧 力によってピストンは押し下げられる。爆発圧力が高ければ , 当然ヒ。ストンを押し 下げる力も強く , 工ンジンは大きな「仕事」をする。工ンジンの「仕事」は , シリ ンダー内の圧力によってなされるわけである。 一方 , ( 1 ) , ( 2 ) , ( 4 ) の行程では , 工ンジンはマイナスの仕事をしている。そこで , これらの行程では , ピストンに働くシリンダー内の圧力は , 工ンジンを回転させま いとする方向に働いていると考えることができる。 ヒ。ストンには , 行程によって仕事をさせようとする圧力 ( これを正の圧力としよ う ) と , 仕事をさせまいとする圧力 ( これを負の圧力と呼ぼう ) が働くわけだ。結 局 , 工ンジンが回転力として取り出せる圧力は , これらの圧力の和になるわけだ。 さて , もう一度爆発行程について考えてみよう。爆発行程で生じる圧力は , 時間 シリンダ圧力 点火時期 燃焼終り シリンダー内の圧力の変化をグラフ に示したもの。クランク角度を横軸 燃焼時間 にシリンダー圧力を縦軸にとってあ る。上死点前 30 度付近で点火される と , 着火待時間があってそれからシ モータリング時の圧力 リンダー圧力が急激に上昇しはじめ る。上死点をすぎ , 上死点後田度ほ 20 どで最高圧力となる。 A - B の直線の 中央で上死点となるように点火進角 を合わせると最高出力となる。 待時間 0 クランク角度日 ↓ ー 20 図 9 爆発圧力は徐々に高くなる

9. 高性能エンジンの研究

第 1 章工ンジンのノヾワーとトルク 11 「仕事」は " カ x 動いた距離 " で定義されたから , その単位は kg ・ m ()g ・ cm でも可 ) ということになる。 ところで , 同じ量の「仕事」でも場合によっては「カ」が大きく , 「動いた距離」 が短いこともあり , 逆に「カ」は小さくて「動いた距離」が長いこともある。カ と動いた距離との積が同じであれば同じ量の「仕事」であるわけだから , このよう なこともあるわけである。 このことは " 力で得すれば距離で損する。距離で得すれば力で損する " という古 くからの生活実感にあてはまる。その良い例は , 坂道を上るときだろう。坂道をじ ぐざぐに上がると , 息が切れにくい。しかし , 上がるのに歩く距離は多い。逆にダイ レクトに上がると , 息は切れるが歩く距離は短くてすむ。 さて , パワーは時間に関係するといった。同じ量の仕事をするのでも , 効率よく 短時間にやった方が , パワーはあることになる。逆にいえば , 効率よく単時間にや るには大きなパワーが必要だということだ。 そこでパワーをまずは「仕事率」という言葉で考えてみることにしよう。「仕事 率」は " 仕事の時間的割合 " で定義される。仕事率を動力 (power) と呼んでもよい。 〔例 3 〕例 1 で , 滑車を引っ張るのに 1 秒かかったとす ると , それにはいくらの動力が必要だったか ? 〔解〕動力 =10kg ・ m /sec つまり , 10kg ・ m という「仕事」を 1 秒間で行なっ たということである。仕事率も 10kg ・ m/sec というこ とになる。 〔例 4 〕例 2 におけるセリカ X X2800 GT のエンジン の出している動力を求めよ。またそれは何馬力にあた るか ? 50cm い秒間 ) 図 5 例 3 の解説図 〔解〕動力 = 4785kg ・ m /sec 馬力 = 4785 / 75 = 63.8ps 1 馬力というのは , 1 秒間に 75kg ・ m の仕事をする動力の単位である。 75 kg

10. 高性能エンジンの研究

62 十分にグリップカを回復したことを感じると , 右足はアクセルペダルをいつばいに 踏みつける。ハーフスロットルから全開になるわけだ。このとき , 工ンジンがどう 応えるかも重要である。ドライバーは , すぐにでも強烈な加速が始まることを期待 しているからだ。 このような重要な性能であるエンジンの過渡特性には , 次のことが関係している。 ( 1 ) 工ンジンの回転部分の重量 ( 2 ) 気化器や燃料噴射装置等の性能 ( 1 ) は , ヒ。ストン , コンロッド , クランクシャフト , フライホイール等の回転部分 に 0 軸田 0 ト ク 60 40 20 0 0 70 X 田 新型 固定ペンチュリ型 n = 2000 「 pm 吸気負圧 ー 70kPa ・スロットル全開 これはスロットルを急に全開にした場合のトルク の立ち上がりを示すものである。トヨタの 3A- H U 型に採用される新型可変ペンチュリ気化器だと , トルクの立ち上がりがスムースである。従来型の 気化器 ( 固定べンチュリ型 ) では , 立ち上がりに スムーズさを欠き , 一定値にトルクが落ち着くま でに時間がかかっている。工ンジンのレスポンス あるいはビックアップと呼ばれる過渡特性には , 燃料供給装置の性能が影響することがわかる。ま た , スロットルを全開にしてもすぐにトルクは大 きくならない点にも注目したい。 2 4 6 経過時間 (sec) 図 33 8 全開加速時のトルク特性 これは DOHC4 バルプのトヨタ給 - GEU 型工ンジン 60 工 ン・ ン 40 回 ( 「 pm) 20 5 0 LAS 日 Ea ツインカム 24 LASRE IG 図 34 経過時間 (sec) におけるエンジン回転数の上昇の様子 ( 吹き上がり 特性 ) を示したもの。 SOHC2 バルプの IG-EU 型 にくらべて , 吹き上がりはずっとよくなっているこ とがわかる。これは D O H C 4 バルプ方式によるポン ビングロスの減少効果によるものと考えられる。 吹き上がり特性図