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イイね!
2017年01月08日

抜けの良い排気系だと低回転トルクが落ちる?

抜けの良い排気系だと低回転トルクが落ちる? 最近ずーっとお気に入りのYoutubeチャンネルがあって、それがMotortrendの中でやってるEngine Masters。

ちまたで色々と語られてるチューニング都市伝説 (アメリカでも日本と同じような話が色々あるのです) を、エンジンダイナモを使ってテストしてくれるチャンネルなんだケド、これが毎回いろいろと新しい発見があって面白いのね。

でね、そんなEngine Mastersが年末に上げたのがExhaust(排気系、転じてエキマニから先の、一般的にマフラーとか呼んでる部位)の違いによる馬力変化。

昔にね、エキマニ変えたり、エキゾースト変えたりした体感を無理やりまとめたことがあったけど
これがね、けっきょく体感だから自分の中でずーっともやもやしてた。
それが今回、データとして出てきた気もしたから、改めて観なおしてみて整理してみようかな、って。

―――

まず一番最初に、今回のきっかけになった動画を上げておくね。

3人組が試してるのは「安物マフラーで、馬力は落ちるのか?」という観点。
一般的に高級だけど馬力が出ると言われてるマグナフローと、安物だけど静かっていうスラッシュハッシュ。
この二つのマフラーを付け替えて、トルクカーブにどういう変化が出るかっていうのを確認してるのだ。

参考までに使われてるエンジンは5.7LのV8 OHV。過給機も無ければ可変バルタイもないシンプルなエンジンだね。
その分、変な因子がなくてより解りやすいと思うの。

でね、単純にマフラー違いの試験結果はこうなった。

3.0in 排気系 / マグナフロー・マフラー : 344.2 hp @ 5000rpm / 399.9 lbft @ 3800rpm
3.0in 排気系 / S・ハッシュ・マフラー : 331.1 hp @ 4900rpm / 397.2 lbft @ 3800rpm

マグナフローとスラッシュ・ハッシュ、どっちも入口 / 出口は3インチで全く一緒。
違いはマグナフローが入口から出口までストレートで3インチの内径を確保してるのに対して
スラッシュ・ハッシュには絞りが何か所かあって、完全に3インチのストレートになってないこと。

NA・ターボにかかわらず、エンジンにとって馬力を出すうえで厳しいのは、排気の圧力損失が大きいコト。
圧損が大きいとエンジンの燃焼室から残留ガスが抜けづらくなっちゃうから、燃焼室の温度が上がっちゃう。
温度が上がれば新気が膨張しちゃうし、ノッキングし易くなるから点火時期だって攻められなくなっちゃう。
何もいいことは無いよね。

で、その結果は中回転域以上の全域トルクダウンになった。ある意味理屈通りだし、当たり前の結果だね。
更に言えば、自分がアコードに残念マフラー付けた時の体感ともほぼ同じイメージだったので、ちょっと安心って。

―――

でね、この結果が都市伝説 「抜けの良すぎる排気系は低速トルクが落ちる」に繋がってくる。
アメリカでもよく言うんだって「小径エキゾーストはトルク型、大径エキゾーストは馬力型」みたいな?
これがホントにー?って。

それを逆説的に証明してるのが、動画中の1回目の2回目のテスト結果。
これはマフラー違いをテストする前に、そもそも排気管が絞りになってないか確認した試験。
2.5インチ と 3.0インチの排気管でトルク特性が変わっちゃった場合、それってそもそもマフラー以前に
排気管そのものが圧力損失になっちゃってるってコトだから、ちゃんとしたマフラー違いの差にならないからね。

でね、結果から言うと

2.5in 排気系 / マグナフロー・マフラー : 344.8 hp @ 5100rpm / 399.6 lbft @ 3400rpm
3.0in 排気系 / マグナフロー・マフラー : 344.2 hp @ 5000rpm / 399.9 lbft @ 3800rpm

抜けがいい排気管で低速トルクが落ちるならトルクカーブが変わるハズなんだけど、まったくいっしょ。
低回転側でトルクが増えて高回転側で落ち込むとか、そういう話はまったくなくて全域で綺麗に重なってる。
これを見てる限り、少なくても抜けが良すぎてトルクが落ちるって感じは無いのだ。
これも純正→無限→純正とマフラー変えた時の感覚とある意味一緒。なるほどね。

#ベンチは2500rpmからしか計ってないから、それ以下でどうなんだって言われるとアレだケドも…

―――

でね、そうなると今度は逆なコトだって気になってくる。

マフラーの抜けが悪いとダメなんだとして、じゃあマフラーはOKで排気管が細すぎたらどうなるか?
イメージ、マフラーだけドンガラにしたみたいな感じかな。このセットアップだとパワー出るんだっけ?って

そんな考えのヒントになるのがエピソード9。

こっちで使ってるのは、同じOHV V8でも7.4Lのビッグブロックで軽々と600馬力をオーバーするようなエンジン。
同じ2.5インチでも、こっちなら明らかに排気管が絞りになっちゃうレベルだね。

で、そんなエンジンで排気管の径違いを試験してみたらこうなった。

2.5in 排気系 : 601.2 hp @ 6100rpm / 554.1 lbft @ 4600rpm
3.0in 排気系 : 614.2 hp @ 6200rpm / 569.8 lbft @ 4600rpm

さっきと同じ結果だね、排気管が絞りになっちゃうレベルになると、やっぱりトルクが落ちちゃう。
逆に言えば、ちょっとぐらいオーバースペックでも問題がないんだから、排気系はちゃんと流量を取って
ちゃんと吸気系やエンジンそのものより流れる仕様にしなきゃいけないって話になるんだね。

―――

じゃあなんで「管径が細いとトルク型、太いと馬力型」的な話(これも変な日本語だケド)が生まれたんだろ
って考えた時に、一つの話のネタになりそうなのが、次のエピソード。

今までは主に排気管の話をしてたけど、このエピソードではエキマニの径がどう影響するかを調べてるのね。


この回で使われてるエンジンは6.6LのV8 OHV。同じく過給機も無ければ可変バルタイもないシンプルなエンジン。
これに排気系は3.0インチのままで、エキマニ径を1 5/8 → 1 3/4 → 1 7/8 インチと変えてどうなったか。

結果でいうとこんな感じ。


1 5/8in エキマニ : 529.7 hp @ 5700rpm / 519.7 lbft @ 4600rpm
1 3/4in エキマニ : 539.1 hp @ 5700rpm / 519.3 lbft @ 4600rpm
1 7/8in エキマニ : 539.6 hp @ 6300rpm / 513.0 lbft @ 4900rpm

エキマニ径が細いとある程度までは全域でダウンするんだケド、途中からは伸びしろが止まって
逆に3500rpm以下のトルクが落ちる。まさによく言われてるパターンだよね。

エキマニは集合後の排気管と違って、各排気ポートからの圧力波の影響や流速の話もあるから
十分に流れるだけじゃなくて、径自体も適切なものを選んであげなきゃいけない。
この話が、エキマニ以降の排気管の話と混じっちゃった可能性はあるのもね、って。

#ただしこの試験に使ったエキマニは取り回しや集合長が完全に同一じゃないから、その影響もあるかもだケド…

―――

でもエキマニじゃなくて、排気管だけを直管ストレートにしても低速トルクが落ちる!って話は良く聞くよね?
だからホントに他にも因子はないのかなって思ったりするワケで。

で、そんな考えのヒントになりそうなのが、このさっきのエピソード9の事前チェック結果。

この回、2.5インチ排気系の試験前に、ちゃんと排気系がふん詰まりの原因になってるか調べるため
エキマニだけ付けて排気系なし、言うならば直管仕様にした計測もやってるのね。

そのトルクカーブは直接出てこないんだケド、重なってる状態が一瞬だけ出てくる。それがこれ

単純な馬力・トルクの値だけで比較すると
排気系なし :620.0 hp @ 6100rpm / 580.0 lbft @ 5000rpm
3.0in 排気系 : 614.2 hp @ 6200rpm / 569.8 lbft @ 4600rpm
という違いなんだけど、気になるのが3000rpm ~ 3500rpmの間のカーブの関係。
排気系違いだと殆ど差が無いのに、直管の時だけ明らかにトルクが落ちてるのだ。
今まで排気系の管径・マフラー仕様を変えても変化が無かったトコロが、直管の時だけ変化が出てる。
これってどういうコトなんだろう?って

これに対しては明確な回答になるテストが無いんだケド、思い当たったのが5年前に見たこの話なのね。
さっきエキマニには反射波や流速の影響があるって書いたケド
これがエキマニ以降の排気管だって一緒だよ?っていうマツダの話。

Skyactiv-Gの耐ノック性改善のため、可能な限り残留ガスを抜くためにマツダが使ったのが
エキマニから先の、排気系のマフラーなんかを使った反射波の活用なのね。
逆に言えば、排気管の径はそれほど大きなファクターじゃなくても、そこにぶら下がるマフラーの位置っていうのは
さっきのエキマニの話と一緒で、トルク特性に影響する可能性があるよって。

しかもエキマニと違って、長さがある床下排気系の場合、それが同調する回転数は本当に低回転側。
だから直管にした時は山谷が大き目に出てくる可能性があって、それが3000rpmでの落ち込みなのかなぁって。

そう考えると、よく考えられた排気系を持つクルマを弄るときだと、単純にサイレンサーをかっぱぐったり
純正と違う適当な場所にマフラーが移動してる排気系を付けたりすると、低回転側のトルクが落ちる可能性は十分あるってコトなのかなぁ、って。

もっと言えば以前、純正と同じ位置にチャンバーは置いてるけど、その中身はドンガラっていうCL7に
乗ったことがあって、その時も音は大阪環状族なのに、パワーフィールがさほど変わらなかったのは
こういうコトなのかもねって。なるほどね、なんか無理やりだケド繋がった気もする。

―――

…と、色々とね、自分がなんとなく体感でこうなのかなぁ、って考えてたことが
なんかこうやってエンジンダイナモのデータと重なってきて、そこまで間違ってなかったのかな、とか思うと
ちょっと嬉しかったりもした年末年始。

でも、やっぱり結果ありきで無理やりこじつけてる感じもあるし
自分的にはけっこう「へー」だったんだケド、Internet Expertな方々にとっては
「そりゃそうだよね」とか「そんなことみんな知ってるよ」に落ち着きそうな話で、ちょっと怖かったりはする…

なので色々と「そうじゃないんじゃない?」って教えて貰えると嬉しいかなぁ、とか思ったりして。
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Posted at 2017/01/08 20:09:44

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この記事へのコメント

2017/01/08 21:30:50
こんにちわ~。新年から、なかなかに難しい課題ですねぇ。
細いと低回転型、太いと高回転型と確かに言いますよね。
排気系は、爆発圧力によって強制的に空気が流れる部分もあって、それほど顕著には出ませんけど、吸気系は、吸気管(インマニ)の長さ、太さによって、顕著に差がでますね。
マフラーの太さや長さの違いは、流量と流速の2つのポイント(温度も関係する)があって、あとそれに加えて、負の衝撃波(上記の反射波って言うやつでしょうか?)のタイミング(脈動との)の問題もあって、なかなか難しいですね。
ただ、エンジンベンチなどでの測定グラフは、いわゆる全開状態での出力特性なので、アクセルオンオフや、ハーフアクセル時のレスポンス特性は出てこないですね。普段の走行では、こう言ったレスポンスと言うか、過渡特性のほうが体感的に大きいんだと思います。
最近の自動車メーカーのマフラーは、コンピューターによって、エンジンの特性から最適な数値を解析してエンジンが無くっても最適な構造を割り出せるんですよ。昔のように、エンジンベンチで何度もテストをする、ってことはあまり無くなりましたね。
レイアウトまで含めて、コンピューターで全部作ってしまうんですよ。
空気の流れは、ほんと奥が深いですねぇ~。
コメントへの返答
2017/01/08 23:21:40
こんばんはー。 ちょっと新年早々、ちょっとした会話からヒントを貰う機会がありまして、こんな内容になってます(笑

そうなんですよ、吸気管に関しては、けっこう違いが大きく出るのもあって、慣性・脈動あたりは概ね何が起こっているかが解るようになってきたのですが、排気系は同じように見えて、なんか違うロジックがありそうで、未だにちゃんと理解できてない自分がいます。
吸気系の共鳴現象と近い現象なのかな、と思いつつも、いまいち簡単な理解レベルに落とし込めないんですよね…(汗

パーシャルやハーフのレスポンス、過渡特性は確かに想定外でした。なるほど。
吸気系だと容量影響が大きそうですが、排気系となると、コレクター部の容積などが影響する? これは過渡以外でもトルクカーブに影響を与える気もしますね。

反射波は、負の衝撃波そのものというより、衝撃波がコレクターやマフラーの開放端で反転して帰ってくる圧力波のイメージでした。
マツダがSky-Gの排気系開発で、負の衝撃波が使える回転域はいいが、それが反転して押し込み側に作用してしまう領域がマズイので、その領域に吸出しの反射波が帰っていくよう、マフラーへの長さを調整した、と書いていたのを思い出しまして…
これってつまりマフラーの位置が変わると、エキマニのプライマリーの長さを変えたのに近い効果がでるんじゃないかと… 当然影響レベルはかなり低いとは思いますが。
2017/01/08 23:13:29
都市伝説ですかー?
それって抜けが良いマフラー、悪いマフラーって表現が都市伝説を作ってるんじゃないかな。
抜けが良い≒大口径
いやーそれイメージですよね?
大口径って常に流速確保出来るんでしたっけ?
これは要するにエンジンの仕様に合っているかどうか?ですよ。

それとシンプルな5.7Lと言いますが、現代のエンジンですよね?特に最近のエンジンは優秀なセンサーとコンピューターでシッカリ管理されてるので全開出力はそのエンジンの一側面でしかありませんしね。
過渡特性はもしかして安いマフラーの方が良いかも知れませんよ?
動画見てないんで仕様が分からないんですけどいくらくらい違うの?仕上げもそれ相応ですか?


私は大昔のポイント点火やマグネット点火、キャブなんかの完全機械式が得意なロートルなんですが、ヤツらの中にははバッテリーを必要としないものも多くいます。
ヤツらの面倒を見てると現代がどれだけ電気に頼っているかが分かり、ハッとさせられます。
今は設計も製造も全部コンピューター任せで良いものが出来るんでロマンがないw

(自分もフィーさんも考え過ぎの所があると思うので)考え過ぎず是非色々チャレンジしてみましょ。


動画見る気がないんでアレなんですが、高いマフラーと安いマフラーって
コメントへの返答
2017/01/08 23:45:04
究極的には確かにエンジンの仕様にあってるか?なんですけども、単純に何が合ってて、何は外しても大丈夫なのか、をもうちょっと知っておきたいな、と。
自分もマフラー数本にエキマニ数セット程度ではあるんですが、色々と失敗はしてるので、何がマズったか復習しておきたいというのもあり…

5.7Lに関しては、アフターマーケット用のエンジンなんで、キャブ+デスビによる固定進角のエンジンですね。 センサーで何かするっていうのが殆どない、ある意味70年代からあまり変わってない代物です。
そういう意味では、点火時期や空燃比が排気系変化に対して、完全に適切に合わさっているかっていうと、確かに微妙な点もありそうではあります。 変化が少なくなるかな…

マフラーは
高級品が3.0インチのストレート構造 (パンチングパイプ+グラスウール消音)=108ドル
安物は7割ぐらいの直径に絞ったパイプで拡張室に放り込んで、無理やり圧損作って音を抑えているタイプ=40ドル
構造上は明らかにアカンだろ、っていう差はありそうなんですが、それが過渡にどう効くのかなぁというと、うーん、と。

確かに考えすぎなのかもですね。
それにイマイチ想像力が足りてない感じもします。自分の場合。
経験値が不足しているからなのかなぁ、もうちょっと色々と体験しないとダメですね…
2017/01/09 00:37:43
こんばんは。

面白いネタで、つたない当方もちょっと混ぜてください(;^_^A また長コメになって申し訳ないのですが・・。


排気系のチューンとしては、3つの考慮点があると考えています。
①排気干渉(共鳴含む)
②排気抵抗
③音

このうち、
①はエキパイが主役で、今は基本メーカが作りこんでますから、下手すると、吸気の重点効率に影響が出るので慎重に吟味が必要だと考えます。
ただし、今はそのほとんどは排ガス絡みなので、パワーの事だけ考えるならトルクの美味しい部位をどの回転域に山を作るか(谷を埋めるか)というカムとセットの問題だと考えます。色んな可変要素を作らないと、美味しいところはできてもまずいところも出来るトレードオフになる部分。
商品としてはバイクで実用化してるヤマハのEXUPは、オーバラップのデカいカムでありながら、排気脈動を利用して排気効率を上げているなど。

②の排気抵抗は、これはおっしゃるような、基本エンジン排気量と回転数からエンジン側で排気容量を算出し、流路抵抗を見込んで、背圧を○×以下(流量○×以上)にしてください、、、と指定されているので達成するよう、しかし曲げや質量、製造コスト上、最少限を狙う、、ということは有りますが(エキパイ以降)、昨今は排ガス認定上、実車の排気経路まで全てが管理されてるようで、全くいじるな!!という感じです。が、パワーのみなら抵抗が減って悪いことはない…という考えです。
実技としては、とにかく配管経路の排気抵抗分を見込んだ排気容量以上が確保されていればいいわけですが、アクラポビッチが売りにしているコニカルヘッダーのようにエキパイの入り口あたりで10%ぐらい径を大きくして流速を高めて、排気効率を稼ぐ手法も有効と考えます。ただし、NAの高回転エンジンでないと、わずかしか恩恵は得られないと考えますけど。

③音は、低速トルクが細くなったと体感する一番の要因のような気もします。一般にスポーツマフラーで抜けが良くなると同時に、アクセル開度と音量のゲインが上昇します。すると上を使っているとき(高負荷)では、パワーUPの恩恵が体感できますが、街乗りみたいな開度小だと音の盛り上がりに対して、速度の乗りは小さく、あたかもパワーダウンしたかに感じます。
気持ちの加速感情といいましょうか、この部分のチューニング要素として実はマフラー交換後の車の性能感が一番大きい気がします(;^_^A

当方は、13Bのチューンドでロングデュアルエキパイを使いましたが、これはノーマルよりオーバラップをデカくした事と上を使う場合の排気干渉にあわあせて、下は影響ないような話で買ったのですが、NA時代には実際上の伸びが良かったと感じてました(片○マツダ製)。考え方としてはエキパイ部分と排気管(エキパイ以降)の2つで分けて考えており、エキパイまではエンジン(カム)と一緒にいじる感じで、それ以降は抜けさえよければ主に音にこだわって(;^_^A 気持ちのパワー感を大事にした方が幸せかなとw。(現実はいまや排ガスの触媒温度などあって、いじる気しませんが、触媒以降ならあまり関係ないかなと昨年抜けるのに補修のため交換しました(;^_^A)
コメントへの返答
2017/01/10 00:26:29
こんばんは。

ぼんやりと考えてたコトを、忘れないようにまとめてみたんですが、イイネの伸び方が普段より早くて…自分含め、やっぱり皆さんこういう話が大好きなんだなぁ、と実感しています(笑

なるほど、排気干渉/脈動による性能要素に関しては、やはり基本はエキマニ or エキパイ(ヘッドポート~触媒前合流部)が主流って観点ですね。
エキマニ部はバイクのように回転域が広いと単純に狙いをピンポイントにできないので、可変デバイスを使いたくなるし、4輪だと逆に触媒昇温の絡みがあるからあまり極端に長くできないし。 そう考えるとここら辺は吸気のブランチ廻りと似たようなジレンマを感じますね。とはいえ使用温度域の兼ね合いで可変トランペット的な可変管長は使えないから、EXUPのような可変容積に近いデバイスで対応する、みたいな感じになるのかな。

あと排気干渉でいうと、今回は出てこない合流部の容積変化の設計の仕方でもクセは作れそうかな、と思ったりもしました。コニカルヘッダーの話を読んでふと思ったんですが、単管に絞り・拡管を与えてジェットエンジンの排気ノズルの様な増速効果が得られるのなら、合流部のような開放端で速度が急変する領域なら、この効果の影響も使えたりしないかな?と。

そっかエキマニ以降の排気管に関しては、出力だけでなく認定も絡むんですね。触媒が付いてる以上ソコまでの昇温性能含めの排ガスデバイスであるというコト、ですか。でもやはり圧損(@特定流量)で管理してやって、それ以下となるトコロで重量・コストのバランス点を探す。 たぶん、そこに信頼性の観点で共振や音振の話も入ってきて形になる。
そういえば安物マフラー付けた時にちょうど5500rpmあたりで変な共振点を持ってて(フロア振動と共振音が出る)、マウントがヤラれたって事があったのも思い出します。

で、音に関しては思わず「なるほど」と膝を打ちました(笑
アクセル入力に対する音の反応とトルクレスポンスの差分。なるほど自分が試してきたマフラーも、純正に対してそういう特性でした。最大音量が上がっていたのでそりゃそうですね。で、当然開度が小さい領域だと音量はそれほど求めていないワケで、なるほど認識差につながると。
逆に無限のマフラーはアイドルと、街乗りで比較的使う2500rpmの領域が綺麗に消音されている特性だったので、トルクに対する変化をあまり感じなかった、という可能性は確かにあるかもしれません。

最近時どちらかというと補修と初期化にお金が掛かってきて、こういう部品交換に際限なくお金を使えなくなってきたので悩みます…静かだけど音がいいマフラー、4発だとそもそもの素性がイマイチなんで、回さないとアレなんですよね… 正直未だにマルチシリンダーには憧れます(笑
2017/01/09 03:43:14
ブログにコメントいただき、ありがとうございました(^_^)/
先程帰宅し、返信させていただきました。

高度な話し過ぎて降参です(笑)

全く的外れな自分のケースですが、トルクに関して増えたとか減ったとかいう感覚は、自分的にはオーバードライブでアクセル一定の条件で疾走感(アクセル一定で車が前へ前へと勝手に行くような感覚)が感じられるかどうかで判断していますが、所詮は気のせいかもしれないと言われると否定しきれないとこがアレですねwww

パーツのポン付けで得られるパワーやトルクって、アクセル全開時には、逆に全く解らなかったりしますね。

コメントへの返答
2017/01/10 00:30:40
こんばんは。
先ほどコメント見させていただいて、返信頂いた時間に驚きました(笑
お仕事お忙しそうなのに、精力的に走りに出られていて、さすがです。

そうなんですよね、もともと自分も昔一回、旧排気系交換ってこんなもんでしょ、と体感と状況証拠を元に書いたことがありましたが、けっきょくイマイチ自信が持ちきれなくて…
今回皆さんにこうやって色々と経験値のトコロを教えて頂きながら、感覚の復習とアップデートをしていっている感じです。

というか、無限のマフラーは付けた時はパワーアップしたと思ってたのに、あとになって純正に戻したら全く変わらなかった、という時点で、自分も感覚が信用できなくなりました(汗w
2017/01/09 10:38:24
低中速のトルクが下がる、ってのは、パイプ径よりパイプ長の影響の方が大きいような。バイクだとショートエギゾーストで乗りにくくてもテールピースつけると格段に乗りやすくなることがままありました。
車の排気系の総延長はバイクに比べると十分に長いので、長さ的には足りてて影響度は少ない、と言う気もします。

あと2ストだとチャンバーの設計次第でパワーは随分違いますよね。オーバーラップが大きくなると反射波の影響も大きくなると思います。
コメントへの返答
2017/01/10 00:38:36
バイクの長さとだと影響が出る、というと、文中の最後に出てきた「エキマニだけだと低回転側が落ちて、同径の排気管+マフラーを付けると回復する」ってパターンと同じ感じがしますね。

tamapさんも書かれている、排気の慣性って観点が、エキマニ以降の排気管にも適用できるんだとすると、なんとなく繋がる気もするんですが、気筒間が合流した後のパイプで慣性効果が期待できるかってなると、正直ちょっと疑問符もあり…
2017/01/09 13:03:57
何度もすみません。
いろいろと盛り上がってますね。
脈動効果はエキマニに任せるとして、マフラーに於ける排気への影響と言うのは、流量に対する排気抵抗は第1条件として、やはり次に影響が大きいのは、排気慣性ではないのでしょうかね。
こちらでわかりやすく説明されているのですが
http://phys.dip.jp/cars/engine/inertia1.html
前編と後編がありますが・・
反射波の影響もあるのかも知れないですが、影響度という意味では、慣性のほうが大きいのかなっと。
と言うことは、流速が要因となってきますので、そうすると、細いマフラーは低回転型、太いマフラーは高回転型といった図式ができるのだと。。。
コメントへの返答
2017/01/10 00:44:31
いえいえ、こうやって皆さんから色々と伺って、話して勉強させて頂けるの、ありがたいです。

リンク先も読ませて頂きました。
ただ個人的に吸気系・排気系ともに、ブランチ・エキマニといった単管部分は確かに慣性効果が期待できると思うんですが、合流後で数本分の脈動が合流した後の部分って、慣性効果がどれぐらいあるのかなぁ?という疑問がどうしてもあります。
単気筒~2気筒ぐらいだとありそうなんですが、4気筒以上になると、常に流れてくるのは総流量の1/4とかになっちゃうので、慣性が発生するほどの定常流になるのかなぁ…と。
そこら辺、なんか上手く試験してみたいですよね。
2017/01/13 18:26:08
こんばんわ こういう話しは真剣に考えたこと無いですし流体力学とか苦手ですが、自分の推測といい加減な理屈ではこうでは無いかと考えてます。
<トルク>
単位時間での吸入空気量と燃焼させる燃料の最大値
ある回転からトルクが下がるのは吸入空気量が吸入抵抗で増やせないから

<吸入側>
エンジン動作が脈動なので、吸気慣性は自動的に発生する。
吸入タイミングと吸入ポートの慣性位相が一致しているときが最適条件だけど、回転数によっては逆相になることもあり、これがトルクの谷では
可変吸入ポートはこれを解消出来るけど、連続制御で無い限りどこかに谷は出来る。位相も大事だけど、そのタイミングでの慣性流量も大事かと。

<排気側>
これも吸入側と似た話だと思うけど、複雑なのは排気干渉で必要以上に排気を抜くとバルブオーバーラップがあるので、吸入空気量の抜けも多くなる。
理想なのは排気が抜けた後に排気干渉効果が終わり、バルブが閉まる直前は排気側からも空気充填が起きる、もしくはそこまで期待出来ずとも吸気の堰き止めが起きることでは。
排気干渉は排気系で固有値なので、現在のエンジンではバルブオーバーラップの調整でトルク最大値に合わせてるのではと思います。
エンジン側を調整せずに単純に排気系の抵抗を減らしたら当然空気充填量の下がるポイントが発生するし、それが低速領域だとトルク抜けになるのは当然とも思います。

こういう話しは、吸入ポートと排気ポート直下での精密な圧力変動をデータで視ればどこが最大効率かとかはすぐわかるし、自動車メーカーもマフラーメーカーもそういうことしてるんだと思います。
昔のヨシムラとかが勘と経験で集合管作ってたのはある意味スゴイと思います。
コメントへの返答
2017/01/21 20:30:57
こんばんは。
返答が遅くなってしまいすみませんでした。

自分も元々感覚でずーっとやってきていたので、皆さんの話を伺いながら、ずーっと頭の整理をしている感じです。

トルクに関しては自分も同じ認識です。吸入空気量が決まって、合わせる燃料量が決まって。
なので吸排気系としては基本的に吸気量がどう変わるかなんですが、そこに点火時期が入ってくるので、ノッキング限界に影響する残留ガスの掃気がファクターになる。

で、吸気に関してですが、自分は慣性吸気と吸気脈動をちょっと分けて考えてました。

開弁から閉弁までの空気の流れは仰る通り慣性効果なんですが、それとは別に排気の脈動波と同じく、バルブ閉弁時に発生する圧力波が吸気管の中で行き来して脈動を生む。
で、慣性効果は開弁からの時間と音速で入る量が決まるので、ピークからズレてもプラスに成り切らないことはあっても、阻害する方には行かなそうな気がしていて、吸入空気量を減らす (前後の回転数より吸入空気量が減る) 方向に行くには、この手の反射波が特定の回転数にネガを作るのかなぁ、と。

排気はオーバーラップの影響ですか、確かに失念してました。なるほど。 確かにエキマニ部の管長管径を変えると、排気脈動の同調点が変わるので、トルク抜けの方向に行きますね。

それを踏まえてエキマニから先の排気管で背圧を下げてやるとどうなるか。 反射波の脈動は長さで決まるので、排圧を落としても影響しなさそうですが、管径上げて流速を落とすと圧力下がって温度が下がるから、音速が変わって脈動点がズレる、とか?
うーん、温度的にそこまで変わらないか。 エキマニ部に影響を与える排気管の因子で整理すると、確かにもっと色々と考えるコトが増えそうです。
2017/01/22 19:01:18
どうやらフィーさんの説明の方が合っているのかと思います、下記サイトに説明がありました。(大学の先生なので正しいのでしょう)

http://www.geocities.jp/bequemereise/air_capacity.html
テキスト拡大しないと読みにくいですが、「 吸気管の脈動効果と慣性効果」の説明部分です。吸気管長の差によるトルク変動は分かり易いです。

以下引用-----
管内の気柱振動と弁開閉時期との位相が合致するからである.これを "脈動効果" Pulsation Effect という.管内の気柱振動は縦振動であり,その波は疎密波,縦波である.エンジンの使用回転速度範囲全域にわたって容積効率を高め得るような管長は存在しないので,断面や管長を可変にする工夫がなされる.


吸気管長の効果としてはこれ以外に "慣性効果" Inertia Effect がある.吸気弁が開いた瞬間に弁上流直近吸気管端に負圧が生じ,そのパルスは吸気管内を伝わり,他方解放端で正圧パルスとなって吸気弁に戻る.戻ってきたときまだ吸気弁開位相の後半であるなら新気がシリンダ内へ押し込まれる.あるサイクルの負圧が正圧パルスとしてそのサイクル中に戻る場合のことを "慣性効果" と呼びならわす."脈動効果" は次のサイクルへ影響するものについて言うものであるが,しばしば混同して使われる.

-----ここから私のコメント
これを見ると私は逆に理解していたみたいです。
でも、脈動効果も慣性効果もシリンダの動作を発生源としており、結局同じ事じゃない?って頭が混乱します。
媒体である空気は高速で流れている訳ですが、平均流速で見た流れも実際はバルブの開閉でスタートとストップを繰り返しており、実際は空気の質量慣性で止まれないし急には動き出せない、これが疎密波となる部分は理解出来るけど、これって脈動効果でもあり慣性効果でもあるんじゃないの? 
どちらかというと、慣性効果の説明がパルス伝搬の話しなので、こっちが言葉とおり解釈すれば脈動波(Pulsation)では? と

更に高速流動している空気内を伝搬するパルス波は行きと帰りで流速分速度が変わるわけで、それらの相互干渉の問題とか、流速が音速に近づいたらパルス効果は失われるのかとか、F1エンジンの2万回転越えは音速越してないのかとか、レシプロエンジンって複雑怪奇ですね。
コメントへの返答
2017/01/23 22:58:24
貴重な情報ありがとうございます。
昨日、思わず読みふけってしまいました。

自分も理解しているようで、まったくしていないという事を実感しながら読み解いていたのですが…

#まさにここに書かれている状態で(汗
http://www.geocities.jp/bequemereise/understand.html

どちらも開弁をきっかけとする気柱振動である、というのは自分も同じ理解です。 その上で、厳密でないのは承知の上で、イメージとしての言葉の定義をしてしまうと。

慣性効果:特定の開弁期間内で完結する
脈動効果:次の開弁期間に影響する

というコトなのかなぁ、と。 まったくもって頭の良くない理解の仕方なのは承知していますが… ちょっとイメージしてみました。

上死点からピストンが下降することによって、燃焼室圧力が周辺圧より下がった状態で、吸気バルブが開弁、その瞬間に圧力が高い吸気管から新気が流入する。

この時に負圧波が発生。イメージとしての空気の動き出しの先端が、この負圧波。

で、ピストンは下降するので、流れが発生しても圧力差は埋まらず、空気の流れは音速まで加速する。
この時負圧波は吸気管を上って、端部で反射して正圧波になりますが、これがイメージとしての動き出しの後端。
#言い換えれば、この反射した正圧波より
#上にある空気は筒内には入れない。

この戻ってくる正圧波は、行きと同じく音速で伝播。この音速で走る正圧波が、ちょうど閉弁直前で戻ってくれば、吸気管圧が筒内圧より高くなるので、すこしだけ充填量が稼げる。

原理としては確かに単発の脈動で、じゃあなんで「慣性」で「脈動」じゃないのかといえば、この圧力波によって「押し込む」という行為が一発だけなのに対して、次サイクルに影響する脈動は、概ね4次や5次ぐらいの脈動波が影響するから、なのかなぁ、と勝手に考えていました。

脈動波が音速なので、逆に言えばF1エンジンの様な高回転エンジンは、その音速で行って帰ってこれるような長さの吸気管しか使えない、という事なのかと。

うーん、やっぱりイメージだけで理解するのは難しい。 自分の頭の弱さを実感します…
2017/01/24 13:34:09
シリンダ容積 500cc
吸入ポート径 Φ30mm で吸入流速計算してみますと
3,000RPM ⇒18m/sec
6,000RPM ⇒35m/sec
20,000RPM ⇒118m/sec
これは単純計算なので、高回転になるほど充填率がさがるしバルブオーバーラップもあるので実際はこの数値よりもっと低いはずです。

音速が360m/secとするとF1エンジンの2万回転レベルでも案外流速は低いですし、音速の問題は考えなくても良いみたいです。

4サイクルエンジンの場合クランク2回転で吸入が1回なので、1500RPMでの気柱振動は750RPM÷60sec=12.5Hz になるかと。 これが基本波
吸入ポート長はこの基本波で共振する(定常波)ように設計し、波長が吸入サイクルのタイミングに合えばいわゆる脈動効果につながる。
で、開管の場合2倍波、3倍波の共振が期待出来るので、1500RPMで設計したエンジンは3000RPM 45000RPMにも共振効果が期待出来ます。
(これは先のサイトの管長3.5mのグラフに明瞭に現れてます)
可変吸入ポートは2段階の設定でも上記共振周波数は2倍に増やせるので有利になるのかと。(昔乗ってた3.2LのVTECが可変吸入ポート付きでしたが、その効果は全然感じませんでした)

で、脈動効果はこの理屈で良いのかと思いますが、フィーさんの書かれた
>空気の流れは音速まで加速する。
は無いかと思います。あくまで平均流速以上では空気は流入しませんし、あるのは上記気柱振動の定常波が有利に作用した際のみ充填量が若干増える程度かと。

で、慣性効果は未だに理解出来ないのですが、圧力波の反射と言ってもほんの短いパルス的なものなので・・・
本来慣性効果と言えば、ポート内にある空気は一定流速で流れており、これはポート径が小さく、ポート長が長いほど高くなります。(ポート径を小さくすれば平均流速は結果的に上がり、慣性エネルギーは速度の2乗で効きますので)
バルブが閉の状態では、この流速をせき止めるためポート直前では断熱圧縮で圧力が上がるわけで、低速トルクを優先すればこの構造が有利であり、しかし高回転エンジンになれば断面積が小さく長いポートは逆に配管抵抗となる為、低速は犠牲にしてポート断面積を拡げポート長を短く設計するのが妥当になるわけです。

ですので、先の大学の先生が言われている慣性効果の定義は間違ってるんじゃ無いかと思うわけです。(強いて言えばあれは圧力波効果かと)

いやーー 考えるとレシプロエンジンはホント難しいです。
中々フィーさんのテーマである排気系の問題まで手が届きませんね。
排気干渉の問題が今度は吸気に繋がってくるので、もっと複雑な話になりそうで、私の頭では理解不能です。
いいじゃん、エンジン気持ちよく回れば!! ってのが結論でしょうか。
コメントへの返答
2017/01/28 17:55:41
自分が勘違いしているトコロを指摘・フォローして頂いて助かります。
というかあちらこちらで、自分、色々と混ざって理解してつもりになっていたのを、考えながら実感してます。
特に流れの速度が延々加速して音速まで到達する、は酷く間違えていました。 吸気管内の流速はピストンが下降することによる差圧から発生するので、延々加速することはないですね… 音速で動くのは圧力波そのものでした。

色々と考えていましたが、脈動効果の概念は自分も同意します。
管長を変数にした気柱振動による定在波。そいつがポートに到達するタイミングで充填量が増えるので、トルクカーブに山谷ができる。可変管長はその周波数を変えることで影響する回転数を変える。定在波が同一サイクルで戻るのが充填効率最大になるタイミング (慣性効果と呼ばれているタイミング)
確かにそれって脈動効果で慣性効果ではないのでは、となると、確かにそう感じます。

そうなると、なんで慣性?って確かになりました。すっと腑に落ちませんでした。
で、ずっと悩んでた中で一つ思い至ったんですが、慣性効果の定義になっている「同一サイクル」内の場合、ポート内を流れる空気は、一定流速にならなかったりするんじゃないかな? とか。 もしバルブリフトやピストン速度に応じて吸気管・ポート内の流速が変わっていくとするとした場合、開弁時期の後半での空気流速が、圧力波を上手く扱えば下がりづらい事を「慣性」としてと捉えたのかなぁ、と。

それでも脈動をどう使うか、という話には変わらず、慣性って言葉の定義が実態とちと違うのでは、という点は、自分もそう思えてきます。

考えれば考えるほど、普段アタマ使ってない事に気づくわ、頭が弱いことにも気づくわと、自分も「いいじゃん、エンジン気持ちよく回れば!!」という結論に落ち着きそうになります。 というかそれが結論ですね、ええ(汗
2017/02/01 22:47:03
こんばんは。
久しぶりにコメント失礼します。
その昔に、ベルヌーイの定理なんかを引用しながらブログでまったく同じテーマのエントリをした覚えがあります。(稚拙すぎてお読みいたただくまでもないですが。)
結局、イメージとロジックが合致しないんですよね。
でもこうやって データで見ると少し納得したような、しないような…?
脈動効果の話までいくと、集合管の4-2-1は馬力型、4-1はトルク型なんて話にまでも敷衍して、頭の端から痒くなってきそうですね。


蛇足ですが、V40に最近乗り換えましてキャップレスフィラー初体験しております。満タンができないのが歯がゆいです(笑)
コメントへの返答
2017/02/03 00:14:21
こんばんは。

イメージと一致しないだけでなく、こうやって皆さんと話していく中で、自分が解ってたと勝手に思ってたトコロまで、だいぶ残念なコトになってた、という点もついて来たので、ある意味非常に貴重な収穫になっています(汗
そして吸気系すらそんな状態で、排気系が語れる資格があるのか、という(大汗

V40、自分も去年ちょろっと運転したんですが(ツーリングシャーシーのD4)、ボディ剛性の作り込み方が印象的でした。 フロアだけじゃなくて、キャビン含めた上屋全体でカタいんですよね。 だからあの取り付け剛性高い大仰なシートが合うというか。
日本車にもドイツ車にもない感じ、かつフォーカスとも違う仕立てにちゃんとなっていて、面白いなって思いましたです。
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