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ピストンエンジンは永遠か!な?

バイクを中心に話題を紹介します

マフラーの容量(21)

2006年07月17日 | マフラーの容量

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さて、このタイトルも21世紀!?になってしまいました。今朝から雨がバシャバシャ降り、「海の日」というより「雨の日」のようです。地球の温暖化が進むと梅雨は長引くのだそうです。

昨日のF1レースを見て感慨深いものは、圧倒的に強いフェラーリとルノーです。アチコチで言われているのはサッカーワールドカップの決勝戦を彷彿とさせる戦いですが、考えてみれば今年はフェラーリとルノー以外は勝利していませんね。

昨シーズンではチャンピオンになったアロンソと同じ7勝をあげたライコネンも、今年は勝てる感じさえありませんし、前評判の高かったホンダも更に下降線を辿っています。

100年前に始めて行われたGPレースではルノーが優勝していますから、今年は更に総合優勝のために焦点を合わせているでしょうし、フェラーリも100年前の仇もとりたいし、シューマッハの最後の花道を飾るために30億円!の追加予算を用意したとのことです。

強いチームはなんといってもミスがないと言っても良いほど少なく、トラブルによるリタイアもありませんね。これも歴史の長さによるものなのか?

前置きが長くなりましたが、F1のエンジンは8気筒で2400CC、20000回転が可能で750馬力です。リッターあたりで約300馬力です。楕円ピストンは禁止されていますが、もし許されればリッター400馬力くらいまでいくかもしれません。

ワタシが過去に製作したレーサーでは、スズキインパルス400をGSXR400のピストンを使い480CCにして、96馬力を絞り出したのが最高です。リッター200馬力です。

コレはデビューレースが当時始まったネイキッドのオープンクラスで、富士スピードウエイという高速サーキットでホンダビッグ1などをブッチギリで勝利しました。

リッター200馬力も割と簡単で、量産エンジンをベースにカム以外はすべて量産部品を加工して使い、カムも市販のGSXRで一番高速型のプロフィルをコピーしたものです。雑誌の最高速チャレンジ企画でも矢田部で260㎞/hを達成し、カウルなし400ベースモデルの部門では暫らく歴代トップの座を維持していたものです。

自慢したいわけでなくココで何が言いたいかというと、57㎜のボアと47㎜のストロークでは4気筒でも480CCにしかなりませんけど、火炎伝播速度やピストン速度の心配もしなくてすみます。(これは逆説でそのためのショートストロークであり、マルチシリンダーです)こうしたショートストロークのエンジンに比べ、ロングストロークのエンジンでは吸気も排気もガス流速度の変化が大きく、幅広い回転域ではそのコントロールが難しく、大きいピストンは音波の発生源が大きいので、やはりコントロールが難しいものになります。

競争の幅に制限を設ける意味でF1にも気筒制限があるのは、同じ排気量でシリンダーの数が多ければ多いほどパワーが大きくできるように見えますが、実際には複雑さがフリクションロスや重量が大きくなるのでとても比例関係にはなりません。

ハーレーダビッドソンのエンジンでは、誰も絶対パワーやスピードを求める人はいませんが、相対的なシアワセは誰でも欲します。88より96も然りで、今回の変更が必然なのか営業的なのか想像の域を脱し得ませんが、88のボアストローク比がハーレーにしては異例な1.06であり、今回のストロークアップによる1.16がエボまでの1.21に近づいたのはある意味自然でもあります。

ボアストローク比はエンジン設計にとって、要であり基礎でもあります。パワーを追求するエンジンでは充填効率を何処で求めるかの元であり、フィーリングを追求するエンジン(ハーレー以外にはあまりナイかも)では他の要素との妥協点を探る意味で、変更は大きな冒険にもなり得ます。現に88エンジンのフィーリングは論争の的にもなったし、96歓迎論の大きさも・・・・。

前置きが思わぬ長さになってしまい、「マフラーの容量」シリーズのまとめを切り出そうと思っていましたが、今日はこれまでです。このまとめには苦慮しておりましたが、シリコンバレー在住のus05 1200rさんから、マタマタ資料とご見解を提供いただきまして、ここで感謝申し上げます。

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マフラーの容量⑳アフターファイアその弐

2006年07月14日 | マフラーの容量

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S32_7

インジェクションとキャブレターではチョット状況が異なります。

スロットルバルブがアイドリングと同様に全閉に近い状態でも、エンジンブレーキを掛けるとそれなりの高い回転ですからピストン速度は速いので、ポンピングロスが大きく働くほどの強い負圧が発生します。

キャブレターでは負圧に応じた燃料が供給されると言う事は、負圧が尋常ではない大きさでは、アイドリング時より多くの燃料が供給されると考えることが出来ます。

インジェクションでは、エンジンブレーキ時に燃料供給をカットするプログラムもありますけれど、ハーレーではカットされていないのでしょう。

燃調を簡単に変更できないインジェクションでは、元々かなりリーンな設定に加えて上記の理由が、アフターファイアを深刻にしていると思われます。

純正マフラーでは?

S39_1

実は純正マフラーでも多かれ少なかれアフターファイアは起っています。

S40

つまり、アフターファイアの音量より大きい本来の排気音を減少させる消音機能が高いため、気付かないのではないかという事です。

燃調をリッチにすると何故?(仮説ではありますが)

S38_2

不注意によるガス欠で立ち往生したときなど、タンクキャップを開けて覗き見ると「まだガソリン残っているのにな~」と思った方もいらっしゃるかもしれません。 確かに大抵のガソリンタンクでは、最後の1滴まで使い切ることができません。

何故かというと、 タンクの中の気化したガソリン濃度がある範囲になると爆発する危険性があります。

航空母艦「大鳳」の悲劇が繰り返されないように「ある程度のガソリンを残して爆発の危険性を回避するのはタンクの設計の鉄則である」と、以前タンクの設計をしていた技術者に聞いた事があります。

一番爆発力が強いのは4%であるとのことですが、これが重量比での数字であるならばガソリンエンジンの理想空燃比よりチョット薄いことになります。

結論

エンジンブレーキ時のアフターファイアを解消するために、アイドリング付近の燃調をリッチにするのは、燃焼済みガスの逆流によるミスファイアを解消するかもしれないが、「マフラーに流れ込む生ガスの濃度を濃くして、爆発濃度の範囲から逃れる」という仮説が成り立ちます。

そうなると、純正マフラーのあの構造は”アフターファイアの音なぞ外には絶対漏らさぬぞ”という気概も感じますね。

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マフラーの容量(19)アフターファイア

2006年07月13日 | マフラーの容量

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純正のマフラーから抜けの良いマフラーに交換すると、パンパンと興をそがれるアフターファイアを生じる場合が多いですね。

実際には低速トルクが細る現象と同じ対策を講じることで、ある程度解消されますから、理由などはどうでも良いのかもしれませんが、ココでは重箱の隅が考察の対象ですから放ってはおけません。

S34_3

要は生ガスがマフラー内で燃焼します。圧縮されたガスが燃焼するわけではないので、さほど大きな燃焼圧になりませんが、あの大きな音は心臓にも良くない?

S31_12

TCエンジンのバルブタイミングをある資料から引用すると

  • キャブレター   IN  ー02/38   216(0.053)    257(0.020)
  •           EX   36/04   220         260
  • インジェクション IN   02/34   216         257
  •           EX   36/04   220         260    

分かりづらいので説明すると、インジェクションのインテークは上死点前02度に開き、下死点後34度に閉まる。エクゾーストは下死点前36度に開き、上死点後04度に閉まるということです。ただしリフト量が0.053インチで計測しての数値で、これでは総作用角が216度だったり220度だということで、リフト量を0.020インチでは当然角度は広くなります。

*日本では確か1mmリフトでの作用角を表示するので、この辺を確認しておかないと数値として確実なものではならなくなります。

ここで何を言いたいかというと、上の図は上死点後22度となっていますが、バルブタイミングでは上死点後04度となっています。この04度は0.053インチリフトの数値であるので、0.02インチリフトのタイミングを推測すると(260-220)÷2+04=24となります。(図の数値が間違い)

*バルブをカムで開閉すると、普通に考えると瞬間的でありますが、加速度を滑らかにしないと動弁系の寿命に関わるので、クランク角1度とかの視点で見ると開閉にスゴク時間が掛かります。

逆流?

S33_5

つまり、スロットルバルブが閉まっていてピストン速度が速いエンジンブレーキ時は、燃焼の面ではスゴク不安定になります。

スロットルバルブが閉まっているので新ガスのボリュームは最低ですから、燃焼済みガスも当然ボリュームは小さく排気管を流れる速度も遅いのでポート付近にまだ残っていると、スロットルバルブが閉まっている事により発生する大きな負圧は、図のように排気バルブが閉まる直前では、燃焼済みガスの逆流を招くと考えられます。

シリンダーに燃焼済みガスの残留が多ければ、スロットルバルブが閉まって新ガスのボリュームが小さいので、ミスファイアする確率は当然大きくなり、不完全に燃焼したガスの中に含まれる生ガスも多くなります。

次の工程で逆流するガスの中には燃焼済みガスの成分の割合が少なくなるので、正常に燃焼することもあるかもしれません。

こうした不安定な燃焼が繰り返し行われ、生ガスがマフラー内にたまって発火するのがアフターファイアの正体だとはご想像の通りですが、今日はこれまでです。

続く。

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マフラーの容量⑱

2006年07月09日 | マフラーの容量

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今日の記事の図は色使いが微妙であるため、ディスプレイによっては分かりづらい可能性があることをお断りしておきます。ワタシの自宅にあるノートパソコンでは、前回までの記事にも見えにくい図がありました。

*主題は「抜けの良いマフラー」に交換すると低速トルクが無くなる理由です。

S41_5

これは前にも使ったことのあるバルブオーバーラップ時の図ですが、燃焼済みガスと新ガスの交換がうまくできるかの大事な瞬間です。

高回転でパワーを出したいエンジンでは、このオーバーラップ角度を大きく取り、ガス流速度が速い高回転時の時間的制約に対処しますが、反面では低回転時の充填効率の不足を招き、それは結果として低速トルクの低下になります。

S46_3

これはヤマハのエクザップと言われるデバイスです。1000ccというバイクとしては大排気量でも高回転のパワーを追及すると、低中速のトルクは痩せてしまい、ロードレースでも不都合があり、ソレを解消するために開発され実用されているのはご存知の通りです。低中速では回転に応じてバルブが閉じ、ガス流速をコントロールします。

S34_2

また関係ないと言われそうですが、現代の排気デバイスのハシリとなったヤマハのYPVSです。これは余程優れていたと見えて、他メーカーもこぞって同じ効果を上げるため特許逃れに複雑な機構を採用しましたが、最初のアイデアが一番シンプルで故障が少なく、効果も優れています。

番外編でも説明したように、エキスパンションチャンバーの効果は絶大ですが、圧力波を増幅して効果を得ているためパワーバンドは極端に狭くなってしまいます。

YPVSでは排気ポートの開口タイミングを変化させ、低回転時には排気タイミングを遅らせて掃気時の燃焼ガスを温存し、充填効率の向上を図ると解釈します。

エクザップとはエンジン形式も存在場所もまるきり違いますが、今回の記事を書くにあたって考察してみたら、目的も効果も同じなんですね。

S19_5 

これは一般的に良く言われている「新ガスも抜けてしまうからだ」という意見を基にした図です。しかし良く考えてみると、2サイクルエンジンでは限られた量の一次圧縮されたガスが抜けてはシリンダー内に確保される新ガスは少なくなってしまいますが、4サイクルエンジンではキャブレターを通して供給される新ガスはある意味無限です。

S57

これは排気行程の末期に差し掛かるタイミングです。上死点前に吸気バルブが開く直前だと思っていただきますが、排気バルブが開いてからは180度(クランクが)も回転していますから、燃焼済みガスの大部分は既に排出されています。

既に何回も書いていますけれど、バルブの大きさは高回転の充填効率のために出来るだけ大きく設定され、ポートや排気管の径もそれに応じた大きさになっています。

言い換えると、流速を一定にするためには、高回転のための設定では低回転においては大きすぎるということです。

ポートや排気管の内径を変化させる技術は、残念ながら未だ開発できません。

S32_6

つまりココで言いたいのは、この図のようにスロットル開度は大きくない低回転域では、燃焼済みガスのボリュームも大きくないので、抵抗の少ないマフラーでは肝心のバルブオーバーラップ時で排気ポート付近の流速は落ちてしまうのではないかということです。

抜けすぎるマフラーは「タメが無い」という表現がありますが、流速が落ちることまで言及していないので、どこまでの意味なのかは不明でありますけれど、中々言いえて妙だと思います。

S31_11

適度の抵抗があるマフラーでは、出口付近の流速を押さえ、バルブオーバーラップ時の燃焼済みガスのポート付近の流速を確保して、燃焼室内のガス交換を促進すると考えます。

燃焼室に残った燃焼済みガスは、新ガスの充填を妨げるだけでなく、EGR(注)効果により燃焼温度を下げる事になり、特に最近の希薄燃焼を狙った設定の薄い空燃比のガスではトルクが痩せるのは当然です。

実際には”抜け過ぎるマフラー”への交換による”低速トルクの痩せ”は空燃比の変更により対処が可能であるため、特に理由を追求されることはありませんでした。

地球環境のために益々厳しくなる排気ガス規制により、今やマフラーの存在は”石油燃料エンジンが生き残るため”が第一目的です。今回の記事はサバイバルマフラーを外す事による不満を解消するためのものではありません。

尚、今回の記事を検証するには、膨大な実験を行わなくてはなりません。只今のワタシには資材も費用も時間もありませんので、検証ができるまで仮説とさせていただきます事をご了承ください。

EGR Exhaust Gas Recirculation(排気ガス再循環)のことで、排気ガスを燃焼室に導入して燃焼温度を下げ、空気中の窒素が高温で酸化されることにより生成されるNOxを防ぐ方法。

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マフラーの容量⑰

2006年07月08日 | マフラーの容量

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このシリーズは延々と続きましたが、一つの核心に触れようとする時が参りました。

大袈裟に表現すると、アクセルを捻るなどの何気ない動作や、マフラーを交換したりキャブレターを調整したりする行為も、皆、物理現象に支配されていることの条件を変えるだけなのです。

小難しい事をワザワザ考えなくても、経験に基づいた事や先輩達の助言に従って対処をすれば、事は済むかもしれません。

しかし、先人達が100年余りも掛けて発展を続けたエンジンも、昨今は取り巻く環境の大きな変化により、先行きが必ずしも明るい未来と言うわけに行かないのは明らかです。

つまり、この先は自由気ままにパフォーマンスやサウンドを楽しむわけにはまいりません。

保有台数の多いクルマは昭和54年から排気ガス規制が始まり、当初は低レベルの規制に対処するのも困難であったのに、今では高いレベルの規制でもドライバビリティに悪影響をも感じさせないし、当時では考えられなかった高性能な乗用車やトラックのハイブリッドまで実用化されています。

マイナーなバイクの中でも輸入車に排気ガス規制が本格的に施行されたのは、幸か不幸かだいぶ遅く20世紀を過ぎてからです。

最初は緩やかでレベルの低いものでしたが、迫っている平成18年規制は世界でも一番厳しいもので、チョット前では空冷エンジンでは無理ともいわれたほどです。

時をほぼ同じくして、騒音規制も1986年に使用中の車両にも近接騒音測定法が適応されて以来、社会の実情に合わせて強化され、イタチゴッコと化しています。

騒音規制がこれ以上強化されないためには、ライダー一人一人の自制が必要なのは言うまでもありませんが、「時、既に遅し」かな・・・・・・。

ワタシがバイクと付き合ってから38年も経っています。最近の27年間はビジネスにもなっていますので、両面から見ても酸いも甘いも分かっているつもりですが、世間から見た危険性と背中合わせにその魅力は確かにあります。

高低差のあるワインディングロードを存分に楽しめば、「倒しこむ」という要素はクルマにはないものだけに、飛行機が3次元とすれば、2次元半の面白さを感じる事ができ何物にも替えがたいのです。

ハイパフォーマンスバイクの波が過ぎ、ハーレーダビッドソンに人気が博したのも一つの流れです。初めてのバイクがハーレーという例も珍しくなく、足付性が良く速く走らなくても楽しめる特性は、取っつき易いの確かです。

しかし、ユッタリ走る楽しさは、現実離れしたスピードで走る危険性を排除しましたが、サウンドで増幅しないとどうも具合が悪いようで、騒音規制と折り合いが付かない場面が多々見受けられます。

法治国家の日本としては、イザその気になったときの威力は絶大で、6月の違法駐車に対する処置が物語っています。

S67_1

いきなりヘタな新幹線の絵が出てきて恐縮ですが、公共性の高い乗り物でも大きな音を発生すると問題があり、対策を施さなくてはなりません。

つい最近の新型新幹線車両のN700系を映像でご覧になった方は、更に鼻が長くなったとお思いでしょう。

勿論高速で走るので空気抵抗を少なくする目的は分かるのですが、どうもそれだけではないようです。

つまり、図の上の鼻が丸いタイプでは長いトンネルに高速で進入すると、小さいけれど気圧の波が生じ段々成長して、出口はバイクのマフラーのそれとは較べものにならない大きさなので、ソニックブームのような大音響を発生します。

実際の対策は、JRが採用している①のような庇を設け車両の先端形状を尖らせて、気圧の上昇を緩やかにする事です。

その他に、フランスが採用している③のようにウレタンスポンジを張り巡らす。②のように軌道に砂利を敷く(東海道新幹線は最初から砂利敷きで問題なかったが、東北新幹線はコンクリートだったので問題発生)、④のように温度分布を変えたり⑤のように壁を設け、波の成長を妨げる方法があるそうです。

だいぶサイズは違いますが、バイクのマフラーと似ていますね。

前置きが長くなってしまい今日はこれまでです。明日こそ本題に・・・。

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マフラーの容量/番外編(2サイクルエンジン)

2006年07月06日 | マフラーの容量

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マフラーについて色々調べてみると、必ず脈動効果と言うフレーズが出てくると思います。

脈動効果は2サイクルエンジンが積極的に利用して効果を上げていますので、チョット寄り道ですが考察してみましょう。

S1_69

どこから始まるか迷うところですけれど、これは燃焼行程です。

燃焼ガスがピストンを押し下げていますが、リードバルブが閉じているのや、燃焼済みガスがエキスパンションチャンバー(通称、チャンバー)の出口方面だけにあり、中央部以前には気圧の谷になっているのに注目してください。

S3_52

ピストンが更に下降すると、シリンダー内に開口した排気ポートが開きます。チャンバー内は直前の行程で排出されたガスは出て行ってしまい気圧の谷になっているので、シリンダー内の燃焼済みガスは速やかにチャンバー内に流出します。

図では同時になっていますが、やや遅れて掃気ポートが開き、ピストンの下降によりクランクケース内で一次圧縮された新ガスが、燃焼済みガスを追い出すと同時にシリンダーに導入されます。

S2_64

ピストンが下死点を過ぎ上昇に転じる頃には、燃焼済みガスはチャンバー内に充満して出口が絞られているため圧力が高くなり、排気ポート付近の気圧はシリンダー内と拮抗することになり、新ガスがシリンダーから排出されるのを防ぎます。

それと同時に、ピストンの上昇によりクランクケース内の気圧が下がるので、圧力差によってリードバルブが開きキャブレターから新ガスが流入します。

S4_45

排気ポートと掃気ポートを過ぎたピストンは圧縮行程になり、次の燃焼に備えます。

チャンバー内の燃焼済みガスは絞られた出口を通り大気中に排出されますが、勢いでチャンバー内に気圧の谷を作り、次の排気行程に備えます。

実際はこんなに単純ではないと思いますが、原理はコンナ感じと思ってください。

2サイクルエンジン(2ストローク1サイクル)は毎回転に燃焼行程がありますから、同じ行程容積の④サイクルエンジンの倍近くのパワーを出す事が可能です。

パワフルでしかも構成部品が少ないのでコストが安く、一頃は原付のバイクのほとんどはコノ2サイクルエンジンを使っていました。

しかしクランクケース内で一次圧縮するため、ピストンとクランクシャフトの潤滑は吸入ガスにオイルを混入しなければなりませんので(CCIという手があるにしても)、オイルが一緒に燃焼することにより、炭化水素の発生が多くなります。

チャンバーで気圧の山と谷を増幅して充填効率を高める方法は、ある一定の回転域に限られます。それはピークパワーを高めると必然的にパワーバンドは狭くなります。

そして低回転域ではガスの流速が遅くなるのでガス交換が不十分になり、未燃焼ガスの流出が多くなって、これも炭化水素の発生と燃費の増大をもたらしてしまいます。

圧倒的なパフォーマンスの2サイクルエンジンはレースの世界でも活躍したのは記憶に新しく、ホンダがGPレースに復活したときのNR500は2サイクル全盛に4サイクルエンジンで果敢にチャレンジしましたが、見事に撥ね返されてしまいました。

チャンバーは独立した部品に関わらず、まるでエンジンの一部のようです。ヤマハがYPVSというデバイスを開発してパワーバンドの狭さを解消してから、他のメーカーもコゾッテ同じようなモノを採用し、レーサーレプリカブームの基礎を築いたのも忘れてはなりませんね。

排気音は皆様は余りオスキではないと思いますが、ワタシが20歳の頃ツクバサーキットに見物に行った軽自動車の360ccエンジンを使ったプロトタイプ(グループ7だったかな?)のレースで、フロンテの3気筒で3連チャンバーのエキゾーストノートの素晴らしさは今でも思い出します。

あの独特の甲高い音は、まだカナリ高い燃焼圧があるときに排気ポートが開くので、その瞬間に発生するのでしょうね。

S51

コレは以前オーバーホールを紹介した50ccスクーターのシリンダーです。掃気ポートは沢山あります。

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マフラーの容量⑯

2006年07月05日 | マフラーの容量

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お陰さまで早々に首位の復帰が叶いましたが、5万ポイントをゲットできると総合ランキングでも結構良いところに行きます。あの生協の白石さんのブログは5万前後のポイントで20位です。現状では余りにもかけ離れていますが、皆様のご協力次第では不可能ではないかも!です。

さて、このシリーズがいつ完結するのかは未だ見えてきませんが、今日は排気ポートに行ってみたいと思います。

Simg_0183_3

写真は2000年辺りのスポーツスター883のエキゾ-ストポート出口です。

皆様ご存知のように、スポーツスターは883と1200では多くの部品が共通になっています。シリンダーヘッドもその例外ではなく、ボアの違いによるバルブ径以外は共通でありますので、ポート出口の大きさも一緒です。

排気バルブはホトンドのエンジンで、吸気バルブより小さくなっています。

その理由は燃焼室のスペースが限られているため、より大きな吸気バルブを収めたい望みの犠牲になったり、燃焼ガスの高い温度に晒されるので、その影響から少しでも逃れるためと、もう一つは吸気の圧力差より大きいからとも言われています。

S11_15

つまりコンナ具合で、緑両矢印のバルブ径は約35mmで青両矢印のポート出口は約39mmもあります。

バルブ径で35mmであると、バルブシート内径は30mm前後でしょうから断面積は約7c㎡で、ポート径39mmの断面積は約11c㎡になり、その差は約1.5倍にもなります。

排気行程でもポンピングロスは生じますので、「大きい事は良い事」と考え勝ちです。

ところが、バルブとシートの間をくぐり抜けた燃焼済みガスは、大きな断面積のポートとエキゾーストパイプのトコロまで来ると、流れの速度を失ってしまいます。

吸気速度と排気速度が良い頃合で効率が最も良くなる最大トルク回転付近では、スロットルバルブも大きい開度で開いていて、排気ガスもボリュームが大きくなっていますが、低い回転域ではスロットルバルブの開度も小さくガスのボリュームは大きくないので、特に排気行程の末期ではそれが顕著になると思われます。

S42_4

つまり、バルブオーバーラップの上死点近辺で、燃焼室内の燃焼済みガスが掃気されてスッカリなくなれば理想なのですが・・・・・。

S41_4

実際には、残ってしまうのでしょうね。

S12_14

こういった状況に対処するために、○○バルブとか言ったアイテムもありますけれど、肝心のポート径はそのままです。

S13_7

理想はこんな形状ですね。バルブ開口面積と同じ断面積か、やや大きくなる程度のテーパー状のポートとエキパイで青矢印の長さがある程度あれば、ここで排出される燃焼済みガスが加速され、燃焼室の残ったガス引き連れて出て行ってくれます。

続きます。

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マフラーの容量⑮

2006年07月02日 | マフラーの容量

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サッカーワールドカップでは、考えられないほどの贅沢な組み合わせの試合が行われています。変な話フランスも勝つ可能性はあると思っていましたが、それ以上にブラジルが負けるとも考えませんでした。勝負は厳しいものです。

予選リーグでブラジルが日本に勝ったのは大人気ないとの評がありましたけれど、ブラジルチームと言えども寄せ集めになってしまうのは必然ですから、試合ごとに調子を上げていかなくてはならないのでしょう。一部にあった日本に勝ちを譲るなどの期待はとんでもありませんでした。

それにしても、ロナウジーニョをはじめランパードやジェラードはどうしてしまったのだろう。安定した普段のプレーから想像される活躍が見られなかったのは残念でした。

S42_3

マフラーの容量⑬ではバルブのリフト量はバルブの有効径の1/4で充分と言いましたが、実際のショベルエンジンでは10mm程度です。バルブの面積に制限のある2バルブエンジンでは、バルブリフト量を大きくして効率を稼ぎたくなります。

アフターマーケットパーツの充実しているハーレーダビッドソンでは、新旧モデルのカムシャフトがかなりの数で市販されています。

S26_5

写真は1200のショベルエンジンのヘッドです。リフト量を大きくしたいと考えたら、まず最初に気をつけたいのは緑矢印で示す寸法で、特にステムシールを後付けしたり純正以外のものを使う場合では、バルブスプリングリテーナーで潰してしまう危険があります。

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ステム長が異例と言って良いほど短い設計のパンやショベルのバルブは、スプリングにも影響が及び矢印が示すセット長は約37mmしかありません。

そして何回も言いますが、巨大なバルブとOHVの持つ宿命でバルブ駆動の部品が多いため、慣性質量の大きくなる関連部品を制御するためのスプリングの張力は強大なものが必要になります。

この強固な、しかも短いスプリングを全屈に近い状態までリフト量を増やすと、早期のヘタリや線間接触による折れやバルブの脱落などの危険性も考えられます。

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短いスプリングを約2mmと、ホンの僅かですが長くするスペシャルパーツも存在します。バルブリテーナーの形状を変えて、見た目には青矢印のように、ステムの先端がへこんでいるように見えます。

しかし、白破線が示すロッカーカバーの壁面内側が迫っているため、静的な間隔があっても動的に干渉する場合もあり、充分な注意が必要なのは言うまでもありません。

この部品は輸入した中古車両に付いていたもので、特に軽合金のリテーナーは強固なバルブスプリングとの組み合わせでは、ワタシは使いたくありません。

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これはエボエンジンのバルブスプリングです。セット長は約47mmと10mmも長くなり、見た目のバランスも良くなりました。こういった部品の見た目のバランスは意外と重要で、バランスが悪いものは様々なトラブルを内包していることがありますね。

S22_6

バルブのリフト量は写真のB.C.(ベースサークル)とLの差になります。

S23_5

ところが、ロッカーアームはB>Aであり、ショベルではそのレシオは1.43、エボでは1.6になります。

このロッカーで増速する方法は特に珍しいものではありません。日本製のDOHCエンジンでもロッカーアームを使う方法ではホトンドそうです。

何故かというと、カム山を高くしてリフト量を増やすとバルブの加速度の問題で、作動角のそれほど大きくないストックカムでは、滑らかなプロフィルを設計できないからです。ですから作動角が大きくないリフト量だけ大きいカムはあまり薦められません。

*この辺りを認識していないと、カムの現物を見ただけでリフト量を判断してしまう危険があります。特にショベルエンジンではロッカーアームはカバー内に組み込まれて良く見えませんから、知らない方はそのまま見過ごしてしまうでしょうね。

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マフラーの容量⑭

2006年07月01日 | マフラーの容量

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S62

6月21日に「なししさん」よりポートの大きさについてコメントを頂きましたが、ようやくコレについて考察できる段階になりました。

写真はエボエンジンのインテークポートです。確かにスゴク大きく見えます。

S64

写真の上はスズキの名作油冷エンジンのシリーズ、GSF1200のシリンダーヘッドです。下のエボヘッドと較べると、とても同じ仕事をする部品とは思えません。

S63

燃焼室を較べてみても・・・・・。

総行程容積は同じような1340と1200です。しかし4気筒は1気筒では300ccでツインは670ccです。

各々のバルブ有効面積を比較してみましょう。

エボエンジン  バルブ有効径 45mm     15.89c㎡

GSF1200            29mm×2   13.2c㎡

コレで1シリンダーの行程容積を割算してみると

エボエンジン  670/15.89=42.16   GSF 300/13.2=22.7

とエボは2倍近く不利な数字になってしまいますので、コレでも高回転での充填効率の違いが分かってしまいます。

S61_2

バルブ面積では不利な2バルブエンジンでは、とにかく大きいバルブを使いたい理由も明白ですが、高回転では高速で移動する流体と言える吸入ガスを、スムースに導入したいインテークポートの内径は、バルブ有効径と少なくとも同じにしたいのです。

上の図はエボのインテークポートを断面にしてみました。こうして見るとバルブガイドやバルブステムが邪魔になるのが分かります。

①、②、③と斜線の部分を変化させたくないとすれば、特に②は径を大きくしたくなります。ワタシがレーシングチューンでポート加工するときは、ココを横に広げます。

シリンダーヘッドの製造方法は鋳造ですが、ポートの部分は中子といって、固まった後で取り出せるように砂型を使います。

そのため、それほど精密ではないので赤矢印のような「頂けない出っ張り」が出来てしまうのですね。

ココを小さめに作って、2次加工すれば良いのですが・・・・。

続きます。

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マフラーの容量⑬

2006年06月30日 | マフラーの容量

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マフラーから又遠ざかってしまいますが、今日はバルブ回りのことについて考察してみたいと思います。

S46_2

これは初期エボの燃焼室ですが、量産品としては限界近くまで追い込んだ設計です。

S47

気になる各寸法を測ってみるとコンナ具合ですけれど、大きいバルブを押し込めるために(安全を見た上では)最小限になっています。

鉄製のバルブシートは焼き嵌めしてあるだけなので、各寸法がコレ以下であると、脱落してエンジンが全壊する危険性があります。バルブシート脱落など想像もしたくありませんね。

エボリューションエンジンがデビューして20年以上経っていますが、悲惨な事故を聞く事がないので妥当な設計と評価できます。

特にロングストロークエンジンで、4バルブに較べて面積のとりにくい2バルブでは、目一杯大きいバルブを使う必要があります。

バルブシートの外径が邪魔になり、大きいバルブを使えないとも思いますが、強度を考えると4mmは最低限ですね。鉄のバルブシートを嵌めこむ替わりに「アモルファスの溶射」というアイデアも以前見かけましたが、実用化されませんね。

エボまでのIGプラグは14mmのBタイプですが、TCになって12mmのDタイプが使われた理由はより良い位置を求めたのでしょう。こうして考えると疑問も解消します。

S42_3

バルブ開口面積はDの円周×リフト量Lで求められますが、コノ計算で出た面積はバルブの傘の面積以上あったとしても意味がありません。そうなると、LはDの1/4もあれば充分です。

S43_2

バルブは闇雲に大きくしてもシリンダー壁などと接近してしまいますから、マスキング効果が出てしまうことがありますので、苦労してビッグバルブを使っても効果が出ない場合もあります。

S45_1

バルブシートの各面の角度は図のように3面にカットされています。

数値はマニュアルによるものです。

S48

生産コストを考えると3面カットが妥当ですけれど、レーシングチューンでは、まず緑矢印のようにカットしてシートリングの内径をポートと同一にし、周りの突起を削り落とします。

更に出来る限りの事をやろうと思うと、赤矢印と線の部分を加工してカドバッた部分を丸くして空気抵抗の減少を図ります。

聞くところによるとメルセデスでは大分前から5面カットになっているそうで、吸入ガスの通路としてはボトルネックになり抵抗を生じるココに気を配るとは、ヤハリ只者ではありません。

ナイジェル・パトリックの製作するドラッグレースエンジンでは、(タブン手作業で)16バルブのシートを丸く仕上げてあったのには驚嘆いたしました。

こういった対策は全て吸入通路の抵抗を少しでも減らして、充填効率を向上させるものです。前述したように吸入ガス速度が90m/sにも達すると、時速では300km以上にもなるので、努力の積み重ねが重要になります。

頂きましたコメントにも最高回転に関してありましたが、一般的な平均ピストン速度では25m/sが限界です。

「pistonvelocity.xls」をダウンロード ココに数字を当て嵌めると7000rpmで平均ピストン速度25.2m/s、最大速度は40m/sにもなってしまいます。

数字的には可能のように見えますが、バルブ面積/ボア面積は4倍ですから、大変大雑把に考えて、吸入ガス速度は平均ピストン速度×4とすると100m/sと、大変難しい数字になってしまいます。

つまり、エンジンの最高回転数の限度は無負荷であれば、バルブがサージングを起こすか、壊れるかのどちらかですから、メカニズムを強化すればソレナリの回転が可能になります。

ところがレースチューニングで難しいのは、高回転でパワーを出す事にあります。

特にロングストロークのビッグツインやシングルのエンジンで、2バルブとなると、バルブ面積に制約があるのは今までに説明いたしましたが、早いピストン速度は吸入ガス速度が速くなり、充填効率が最大トルク発生回転数より高回転では大幅に低下してしまいますので、パワーの落ち込みも大きくなります。

更に強化したバルブスプリングの弊害により、ロスがおおきくなり、バルブ周辺の部品の寿命も短くなってしまいます。

そう考えるとドウカティのアプローチは、高回転のパワーに関しては正しいと言えますね。オーバースクエアで充分なバルブ面積を確保して、市販車唯一(でしたっけ?)のデスモドロミックドライブのバルブスプリング張力はゼロに等しいようで、フリクションロスの増大を防ぎ(プラグを抜くとクランクを軽く手で回せます)、スーパーバイクレースでは(重量制限や排気量で有利であったとしても)日本メーカーの4気筒レーサーが敵いませんでした。

ま、フィーリングとカタログ数値は別物ですから。ガッカリしないでください。

続きます。

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