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エンジン不調の原因と対策 その2

エンジン不調の苦悩編、続きです。前回は起きたトラブル順に紹介しましたが、今回はもう少し俯瞰して眺めてみます。

最初にちょっと振り返りになりますが。

赤ミニでは1,000ccエンジンでロスをギリギリまで削って出力アップを重ねてきました。それはそれで楽しかったのですが、それでも排気量の差には勝てないという思いがありました。特にTBCCのように排気量の異なる車両で混走するような場合は厳しくて、どうしても無理してしまってクラッシュまで至ってしまったという反省があります。

そんな背景から、緑ミニのエンジン仕様を決める際に第一に考えたのはエンジンの排気量アップでした。その他は平均的な仕様でそこそこ楽に走れる状態をまずは作って、そこから段階的にロスを削っていこう、というチューニングシナリオを考えておりました。

エンジン仕様は、86mmロングストローク+73mmピストンの組み合わせで排気量1,440cc、ヘッドは一般的な5ポートながら効率を優先してビッグバルブのオフセット仕様とし、カムシャフトはレースで実績があるとされるパイパーの649を選びました。

排気量なりに期待したトルクは14kg・mで、そこから想定できる最高出力としては140PS程度、悪くても130PS台後半を期待していたのですが、シャシダイで測定した結果はトルクが13.1kg・m、最高出力が117PSという期待をかなり下回る値でした。筑波のバックストレートでの最高速は107PSだった赤ミニを下回る結果でしたので、実際には100PSそこそこしか出ていないのが現実かと思います。

そもそも楽するために排気量アップしたはずなのに、なぜこんなにパワーが出ないのか?

まずは緑ミニの現状の立ち位置を明確にしてみました。

スライド1

2019年度SBoM第2戦のリザルトから、参戦している全車両の排気量とバックストレートでの最高速度を抽出してプロットしました。横軸が排気量、縦軸が最高速度です。緑のプロットがミニ1000クラス、橙色のプロットがインジェクションクラス、赤いプロットがSBoM、モトおよびシルエットクラスです。

全体を眺めると右肩上がりで、排気量が上がるに従って最高速が高くなるという傾向が現れてます。「排気量に勝るチューニング無し」は全体の傾向としてその通りになってます。

その他の特徴としては、インジェクションクラスは右肩上がりの傾向の中にはあるものの最高速度は他のクラスに比べて全体的に低めで、インジェクションエンジンが出力を出しにくい現状がデータとして見て取れます。

スライド2

ロングストローク仕様の車を黒で区別してみました。

一番右側の、大排気量の一群になります。

スライド3

更に、マルチポートの車を白抜きのプロットで区別してみました。

多少のバラツキはありますが各群の上位はマルチポート車であり、出力を出すにはマルチポート化は有利であることが分かります。

スライド4

で、緑ミニはココです。右端の群の一番下、ロングストローク車の中のビリっけつですよ(涙)。

対策するのに先んじてまず必要なのは冷徹かつ定量的な現状把握ですので、血の涙を流しながらグラフを眺めております。

ちなみに今は亡き赤ミニをプロットすると左上の位置に来ます。今思うとずいぶん優秀な子でした。クラス最強はもとより、今の緑ミニよりも上に居ます。

スライド5

5ポート仕様である緑ミニの解析をまずはしたいので、マルチポート車を削除して5ポート車だけにしてみました。

各群でもちろん上下にバラツキはあるのですが、各群の上端のプロット、つまり最高速度が高い車両に注目すると、おおよそ直線上に乗ってきます。ミニ1000クラスにこの傾向に乗らない車両がありますが、おそらく開示されている情報が違っているのではないかと想像してます。おそらく1300用のピストンと組合わせて1,200ccあたりの排気量になっているのではないかと。

話を戻しますが、この最高速が高い車両をつなぐラインは「現状で実現可能な最も高い最高速」のラインとなります。当然ロングストローク車の群もこのラインに届いて欲しいのですが、届いてないんですよね。ちょっと低めの所に固まってます。言い換えると、排気量なりに速くなって欲しいのに、速くなりきれてません。

たまたまこのレースで速い車両が居なかったのでしょうか? 
僕はそうは思えないのです。有り体に言うとロングストローク化で排気量アップした場合のトルクとその結果としてのパワーの伸び代は実は少ないのではないかと疑ってます。

スライド6

そんな疑いを検証するために手持ちのデータで解析してみました。上の図は緑ミニのパワーチェック結果です。

最大トルク13.1kg・m、最高出力117PSとなってますが、納得いかないんですよね〜・・・ではなくて。
パワーチェックのチャートは出力だけでなく他にも色々なデータが現れてます。

パワーチェックの手順としては4速までシフトアップし、低回転から8000rpmまでアクセル全開で加速させるわけですが、その過程で測定されるのが「計測出力」で、これがタイヤから路面に伝わる実際の出力になります。
また、8,000rpmまで加速した後でアクセル全閉で回転が落ちてくる過程も出力(この場合は抵抗)を測ってまして、このマイナス側の出力が「損失出力」で、エンジン内部から駆動系までのメカニカルな抵抗による出力ロスを表してます。
ここで「計測出力」に「損失出力」を足した値が「補正出力」で、エンジンが発生した出力を表し、補正出力を回転数で割って求めたのがトルクです。

今回は、チャートの中の「最大トルク」と「6,000rpmでの出力損失」に着目してデータを集めてみました。

僕自身は残念ながら1,000cc以外のチューニングデータはほとんど持ってませんので、排気量違いのパワー特性をネットで漁って集めました。猟場は主に某所沢秘密基地の工場長ブログです。

スライド7

チューニングの結果を議論する場合は、一般的には「補正出力」の中の最大出力に注目するのですが、最大出力はカムやヘッドの仕様で大きく変わるので横並びの比較がしにくいです。そこで今回は「最大トルク」に注目しました。

トルク特性もカムやヘッドの特性に影響を受けるのですが、最大トルクだけは、いわゆる「最高効率点」なので他の仕様の影響を受けにくく、極論すると適切な圧縮圧力にさえなっていれば排気量なりの値になります。経験的にはNAエンジンならば排気量1,000ccあたり10kg・m程度の値に落ち着きます。

某所沢秘密基地のブログを9年間分見直して←、圧縮圧力まで調整したと思えるデータを8点(5ポート車6点およびマルチポート車2点)抽出し、排気量に対して最大トルクをプロットしたのが左上の図になります。

限られたデータの中での解析となりますが、まずは5ポート車のプロット(青丸)に注目すると、おおよそ1,300ccまでは「排気量1,000ccあたり10kg・m」の直線に乗っているのですが、1,300ccを超えたあたりから寝てきてしまってます。

この挙動は、排気量の拡大に対してヘッド(おそらく吸気ポート)がボトルネックになってしまって、1,300ccを超えたあたりから十分に吸気しきれなくなり、圧縮圧力が上がらずトルクが低下しているのではないかと推測しています。高回転のために吸気時間が短くなる出力点ではなく、4,000〜6,000rpmの最大トルク点ですらボトルネックになってしまっていることから、排気量に対して吸気のキャパが根本的に足りなくなっているように思います。

この考察を裏付ける傍証ですが、マルチポート化するとこのトルクが寝てくる傾向は解消されます(白抜きの青丸)。ヘッドのポートがボトルネックになっている証拠ではないかと思いますし、ヘッドのボトルネックが大きくなる大排気量でこそマルチポート化の効果は大きいとも言えるかと思います。

1,300cc以上の排気量では吸気のボトルネックからトルクが低下することを説明しましたが、その一方で緑ミニの最大トルクはこの議論だけでは説明できないほど下に居ます。何か他にもロスに繋がる要因があることになります。
それを確認するための一つの指標として損失出力にも着目してまとめてみました。それが右上のグラフになります。

損失抵抗は排気量との相関はなさそうで、10kg・mあたりを中心に±4kg・m程度の範囲で分散しています。

緑ミニの損失出力は・・・、確かにこの中では最大ではありますが(汗)、それでも他に比べて圧倒的に大きいことはなく、出力の低さを説明しきれるほどではありません。とは言え、損失出力を緑ミニの14PSに対して7PSまで下げた車もありますから、エンジンの組み様によっては損失低減で7PS取り返せることを示しているわけで、チューニングする上で無視できない寄与ではあります。

スライド8

ここまでをまとめるとこんな感じになります。

トルク直線から低下した分の内訳として、「ヘッドのボトルネック」起因の低下と、それだけで説明できない「緑ミニ固有のロス」がある、と。

データから追えるのはこれが限界ですので、ここから先は現物を見て確認していきます。

IMG_7209m.jpg

レース4戦後にバラした際のエンジンの状態です。

ドレンの鉄粉は少々。

IMG_7259m.jpg

フライホイールのバランスが取れていないのではないかという懸念があったのですが、フライホイール、クランクシャフト共にバランスは問題なく、クランクの曲がりもありませんでした。

その結果でもあるのですが、最も負荷が掛かるリア側のメインジャーナルでもメタルの状態に問題なし。

IMG_7260m.jpg

センターも問題なし。

IMG_7261m.jpg

フロント側も問題なし。

というわけで、回転系のダイナミックバランスが取れていなかったという説は完全に棄却できました。

IMG_7220m.jpg

ピストンです。Supertech製のショートハイトピストンですが、

IMG_7221m.jpg

スカートが傷だらけになってます。特にスカートの端の部分は囓って斜めに削れてしまってます。

IMG_7255m.jpg

シリンダー側です。

光が反射してよく分かりませんが(汗)、クリアランスは10/100まで広がってしまってました。下道走行含めて走行距離は400km程度ですが、4回のレースではいずれも予選リタイヤしてますので全開にする機会はそれほど多くなかったにもかかわらずクリアランスの許容値を既に超えてしまいました。

シリンダーのどの部分が最もクリアランスが広がっているかをP師に探って頂いたところ、ブロック上端から45〜50mm下の車両前後側という結果になりました。

この位置は上死点にいるピストンのちょうどスカートの下端に相当する位置になります。この結果から、爆発行程でピストンが下がり始める時にまずピストンが傾いてシリンダーウォールに齧り付き、その状態で爆発圧を受けて下がるためにこの部分を削ったと推測します。一方、他の行程ではこの位置にピストンがあるときにはスピードがほとんどゼロですので削れないはずで、その理由からも爆発行程に絞り込めます。

いわゆる「ピストンの首振り」という現象です。ただし、一般的にはピストンの首振りは吸気、圧縮、排気といったクランクシャフトからの力でピストンが引きずり回される行程で激しくなり、爆発行程で爆発圧がピストントップに均等に掛かる状態ならばそれほど酷くはならないと聞いた覚えがあります。にもかかわらず、緑ミニの場合は一般的に影響が少ないはずの爆発行程ですら首を振ってシリンダーをゴリゴリ削っていたわけです。
変更点としてはロングストロークのクランクシャフトとショートハイトピストンとの組み合わせしかなく、これが主要因であることは間違いなさそうです。

この仮説に基づいて各症状を考えると、
・爆発行程での首振りが酷いことから、その他の行程での首振りも相当に酷いはず。従って緑ミニの大きめの損失出力もこの仮説に合致。
・爆発行程での首振りによるロスそのものは計測出力の低下に現れるが、緑ミニの低い計測出力もこの仮説に合致。
・爆発行程での首振りは、負荷が高い状態でアクセル全開にするような状況で顕著になるはずなので、せいぜい2速までしか使わない成田では問題なくて3速4速で高回転まで回す筑波で影響が顕在化したのもこの仮説に合致。

あとは、このピストンの首振りが原因でタイミングベルト外れにつながるようなクランクシャフトの振動が発生するかですが・・・、爆発行程毎にピストンがゴリゴリ削れている状態ではクランクシャフトに伝わる爆発力の変動も複雑なものになるはずで、それが異常なトルク変動に繋がった・・・のかなあ、という想像しか出来ません。まあこれは今後の対策エンジンで確認するしかないかなと思ってます。

エンジンチューニングの世界では、レスポンス向上を狙ったピストンのショートハイト化は普通に行われるアイテムになってますが、ショートハイト化による首振りを防ぐためにはクリアランスを詰める等の手当が必要です。
ところがミニのエンジンは、捻れの影響を受けやすい3ベアリングのクランクシャフトだったり、またピストンからクランクシャフトへの入力がブレそうなオフセットボーリングのブロックだったりすることから、現代のエンジンよりも大きめのピストンクリアランスが必要とされてます。
そのピストンクリアランスを詰めるのは焼き付きのリスクが伴うため、この道を進むには相当に慎重になる必要があります。ピストンの膨張特性を考慮しながらクリアランスの限界を見極めて、できればスカート部分に囓り防止のコーティングも加えて・・・でしょうか。何となくそういうアプローチで上手く使いこなしている人に心当たりがあるのですが・・・、具体的にはロングストローク仕様のマルチポート車で全車両中最高のトップスピードを出している人とかw

関連して思い当たる情報もいくつかありまして。

オメガのミニ用ピストンって73.5mmに関しては鋳造がラインナップのメインで鍛造ピストンがほとんど無いんですが、首振りによるパワーロスを防ぐためには寸法変化の少ない鋳造ピストンでクリアランス狭めを狙うべき・・・という先人達からのメッセージだったのかな、とか。

マルチウェブのクランクシャフトは出力が出にくいという噂を聞いたことがありますが、これも原因はクランクシャフト本体ではなくてキットに含まれているショートハイトピストンが原因だったのかな、とか。

某秘密基地のN村店長もロングストロークにショートハイトピストンを組み合わせてるように見受けられるのですが、N村店長もレースでは苦労してるよな、とか。

思うところをいろいろ書きましたが、結論は「ロングストローククランクとショートハイトピストンの組み合わせはリスク大で、少なくとも簡単にはいかない。やめておいたほうが方がむしろ無難」でしょうか。


今後のエンジンの構想と仕様についての詳細は次回に続きます。


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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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