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雨の日は脳内妄想

お盆休み→仕事再開のギャップに体と心が追いつかない感じで疲労がひどいです。疲労困憊の中でようやく会社休日を迎えましたが台風12号の影響でミニに乗れず、ストレス解消もできません。
やばいな俺w

ささやかなストレス解消として(?)最近考えている今後のチューニングについて数字にしてみました。あのパーツいいな、これ付けたらどんだけ出力アップするかな、などと普段から妄想しているわけですが、その具体的な向上分をわかる範囲で予想してみたわけです。またマニアックな話です。ミニに乗れないで暇をもてあますとどんどんマニアックになるというw
小人閑居して不善とまでは言わないけど、何かやらかしてしまうわけですねw

出力を計算するためには、まずトルクを求める必要があります。
トルクは一言で言うとエンジンの出力軸から発生する回転の力です。ボルトを締める時のトルクと同じで、どれだけ力をかけたかを示してます。1,000ccのミニだとおおよそ8kg・m位のトルクですが、タイヤをつけるときの締め付けトルクが6kg・mですから、あれより少し強い力を出してくれているわけです。
一方、出力は単位時間にどれだけ仕事をしたか、という単位で、例えば1,000rpmで回っている1,000ccミニのエンジンならば8kg・mの力で一分間に1000回転分軸を回す仕事をしているわけで、これが出力になります。タイヤのボルトを締める作業に例えると、8kg・mの力で1分間に1000回ボルトを回し続けるという仕事です。たぶんいろんな意味で人間には無理な仕事ですねw 
車の世界では出力の単位は馬力で、つまり馬何頭分の出力として表現されてます。歴史的に馬車から進化したのが車だからですかね。「今度発売する新型車の出力は馬30頭分だぜ」とか、まだ馬車に乗っている人に自慢するため、だったかどうかは知りませんがw

トルクと出力との関係は、

出力(PS)= トルク(kg・m)× 9.8 × 2π × 回転数(rpm)/60/750
     = トルク(kg・m)× 回転数(rpm)× 0.0014

で計算されます。先ほどのミニのエンジンの場合だと11PS、馬11頭分の出力というわけです。

というわけで、あとはトルクが計算できればいいわけですがw

ガソリン混合気がドカンと爆発する圧力を仕事として取り出すのがエンジンですが、混合気の爆発そのものはエンジンの構造による吸気や排気、さらには燃焼時のガスの流れなどが複雑に関わってくるため、そこから得られる仕事量を正確に計算するのはたぶん今の技術でもかなり難しいと思います。もちろん僕もできません。
ただし、仕事量が何で決まるのかという基本的な原理については1816年に英国の(おおっ、英国だw)ロバート・スターリングが発明したスターリングエンジンで理論化されてます。エンジンがガソリンの混合気を吸い込み、圧縮し、混合気に着火して爆発させ、さらにその後排気ガスを排出するというサイクルの中で、爆発行程で取り出せる仕事量から他の行程でロスする仕事量を引いた値を、エンジンから取り出せる仕事量として計算しています。

理論の詳細は「スターリングエンジンの熱力学」でググって頂くとしてw

仕事量はこの式で表されます。

WT = p1・V1・(1-τ)/τ・ln(ε)

WT:仕事量(Nm)、p1:吸気行程後の圧力、V1:排気量、τ:吸気温度と排気温度の比、ε:圧縮比、です。

仕事量は力×移動距離ですので、仕事量を1回転分の移動距離で割ってやれば力、つまりトルクに換算できます。ついでにNからkgに単位換算してやると、

トルク(kg・m)= 1/(9.8・2π)・WT = 1/(9.8・2π)・p1・V1・(1-τ)/τ・ln(ε)

つまりトルクは、排気量と、圧縮比と、吸気後の圧力と、吸気温度と排気温度の比、で決まります。エンジンを改造する場合、排気量はボアアップなどで変わりますし、圧縮比は面研やバルブ径の拡大に伴う燃焼室形状変更等で変わってきますし、吸気後の圧力はカム特性やポート形状、マニホールド形状で変わってきます。吸気温度はターボだと大きく関わってきますがNAではあまり変化無いのではないかと。

これだけでも結構計算できるんですよ。自分のミニで試しに計算してみました。

スライド1


みくたMk1はこれまでもさんざんいじり倒してきてますがw、その過程で排気量アップ、圧縮比アップ、そして回転数アップによってどの程度出力アップに効果があったかを上の式を使って計算してみました。
表の一番上の行がノーマルのスペックで、それを元に排気量アップの効果と圧縮比アップの効果を計算したのが2段目と3段目の行になります。それぞれ0.3kg・m程度のトルクアップと2〜3馬力アップの効果があったことになります。
4段目で最高出力発生回転数が5,800rpmから6,400rpmに上がった効果を加算すると、計算上の最高出力は65.6馬力になります。
そして5段目の行が実際にベンチで測った最高出力ですが、その値は65.7馬力・・・、ちょっと出来過ぎなくらい計算結果と一致してますねw

ここまでの結果からだいたいこの計算式が使えることがわかったので、更に圧縮比を上げた場合と更に回転数を上げた場合をプランA、プランBとして計算してみた結果が表下半分の赤字の部分です。
圧縮比を上げても回転数を上げてもだいたい70馬力には届きそうですね。二つのプランを組み合わせると75馬力にまで達するという結果です。わーいw

ただし現実は厳しくて。

プランAの圧縮比アップは低回転から高回転までまんべんなくトルクが向上するため、乗り易さをキープしたままパワーアップするのには最適なんですが、うちのミニに購入時から載っていたヘッドは燃焼室容積がかなり大きめで、圧縮比のアップは現状の10.0:1が限界、つまりこれ以上の圧縮比アップのためにはヘッドの交換&作り直しが必要になります。
ショックですよね、手間暇かけて仕上げてきたけど最後の詰めができないというw これからチューニングされる方は計画的なチューニングをオススメします。

プランBの回転数アップはカムの交換とかロッカーアームの交換で可能ですが、高回転で出力が向上する一方、低回転でトルクが薄くなるという背反があります。本当は圧縮比アップでトルクを全回転数域で底上げしてから高回転化すれば低回転での背反も最小で済むんですけどねー。このリスクを承知の上でやるかどうかですね。

あと、カムやロッカーアーム交換で確かに高回転化はできますが、その際に耐久性をきちんと確保したり高回転化しつつトルクを落とさないためには土台の強化も必要になります。具体的には部品の軽量化、強化、重量バランス&回転バランス取り、吸排気抵抗低減のためのヘッド加工等です。オイルポンプの強化やタイミングギアチェーンの強化も必要かと。
うちのミニのエンジンは一時はMD286で8,000rpmまで回そうと狙った時期があり、それ用に組んであります。なので7,000rpmでもまあ大丈夫かなと期待してます。それでも冷却キャパとリフター摩耗は心配ですが。

スライド2

表をトルク&出力特性に書き換えたのがこちらの図です。果たして本当にねらい通りいくのか?w

MiniMania.jpg


ねらい通り行くのかどうしても確認したくなってしまって・・・、レバー比1.5のロッカーアームを注文してしまいましたw
ちなみに1.5のロッカーアームへの交換で特性が約600rpm高回転化するのはミニ仲間のファンダンゴさんのエンジンで確認済みです。組み合わせて効果がうまく加算されるかどうかが勝負ですねw

ロッカーアームの購入は米国MiniManiaの通販を利用したので納期などかなり怪しいですが、気長に待とうと思います。


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No title

まさにスターリン改め、みくた熱力学ですね!
チューニングの結果を予想するのは天気を予想するのと
同じくらい難しいのでないでしょうか!
しかしみくた熱力学で証明できそうな・・・期待しちゃいます。i-185
自分は現状のみくたさんを計算してみました。結果は、
MINIに乗れないストレスでみくたさんの脳内の
圧縮比が上がりすぎていないか気になるところです。w
ハイオク入れてください、酒じゃないですよ!!

No title

プリンミニさん、どうもです。

裾野市は今日も雨です。降るなら降るでばーっと降って早く晴れればいいのにと思います。
ミニに乗れなくてまた妄想&物欲が進みそうですw 脳内圧力高くなりすぎて
ノッキング→デトネーション→ブローしそうですねw

計算と現実が一致したので自分でも驚いてます。次はロッカーアーム変更前後で
パワー計測してそのデータも蓄積しようかと。

酒ですか?昨日は2リットルほどビール飲みましたが何か問題でも?←

No title

とても自分のを計算する気にはなれませんがw 凄い分析ですね!!
話の感じだとそろそろと思ってましたが、頼んじゃいましたかw

狙い通りいくでしょう!

どんどん追いつかなくなるネー
NOS入れようかなw

No title

ファンダンゴさんのエンジンについてももちろん計算してますよ。
結果はうちのと同じくおおよそ計算通りの出力向上でした。
スペックの違う2台で計算結果が合ったので、この式信用していいかな、とw

ファンダンゴさんの場合は圧縮比が低いのが痛いですね。ですが、
圧縮を上げる余地がある分、いいなあ、とも思います。
そして1.5のロッカーアームを決心する判断材料にさせて頂きました。
貴重な実証データをありがとうございますw

No title

実は、自分も1.5ハイリフトロッカーを以前から入手済みですw
でもまだ取り付けには至っておらず。いつかヘッドのOHを行う
時があれば、その機会に装着するつもりです。

No title

Raotaさん、どうもです。
1275ccのクーパーSに1.5のロッカーアームを組む場合で同じように試算すると
ノーマルカムのままで83馬力くらい期待できます。さすが1275cc、うらやましいw

プロフィール

みくた

Author:みくた
運動神経のなさを経験値でカバーしようと企むAround 40です。
これまでランエボでのサーキット走行にハマり、最近はClassic MINIに惚れ込んでます。Mini1000、1300キャブクーパーとおんぼろミニを乗り継いで、Austin Mini Mk1 に辿り着きました。レストア、トラブル対策とのんびりドライブを楽しんでます。
よろしくお願いします。

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