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計算条件

型式：JZX100
エンジン：1JZ-GTE(VVT-i付き)
排気量：2500cc

こちらの車で例えばGTⅢ-RS等のタービンを装着して460PSあたりを狙うには
インジェクター容量として550cc/minが一般的に使用されていると思います。

この時、インジェクターの開弁率が問題とされることがあるのですが、
こちらを理解する前にまずはインジェクター容量と燃料供給料を算出することにします。

エンジンの吸気量は排気量とブースト圧とエンジン回転数を2で割ると
吸気量[L/min]を算出することが出来ます。

また、それに空気密度をかけて理論空燃比と希望の空燃比の商をかけると
燃料供給料[cc/min]を算出することが出来ます。

一方、インジェクター容量は例えば550[cc/min]と表記されるのですが、
インジェクターの開弁率の算出方法は？

エンジンは回転することで吸気バルブの開くタイミングがあるのですが、
エンジンが高回転になるにつれて
吸気バルブが開いてから次に開く時間が短くなっていくのですが、
インジェクターの噴霧量と噴霧時間との関係は？

そもそも、4ストロークエンジンの場合は
1000rpmで回転しているのですが、
1つのシリンダーでプラグが点火するのは500回/min・・・

2回転で1サイクルなので・・・
インジェクターの開弁率とは・・・？

点火時期って結局TDC何秒前に点火してるん？
で、エンジン回転数が上昇するに従って点火時期は進めるのですが、
実際にTDC何ms前に点火しているのか？というのを試算してから
何秒間燃料を噴射しているのか？や
インジェクター開弁率を調べたいと思い試算を行いました。

その内容をブログで書くにはスペースが足らないため
後日整備手帳にUpしたいと思います。

そういえば、点火時期の考察もブログで書いたものの纏めていないので
そちらも整備手帳にてUpしたいと思います。

FCコマンダーではエアクリーナーの仕様により空気流量の補正が出来るのに加えて
電圧に対して補正を微調整することが出来ます。

こちらの設定はパソコンでのみ設定が可能なエアフロカーブにも影響します。

FCコマンダーでは0.64[V]～5.12[V]までの8点に付きまして、
各電圧の基本流量(100%)を基準として値を調節できるのですが、
設定にはA/F計が必要になるかと思われます。

具体的には例えばエアフロ電圧が1.92[V]の時に
燃料補正マップのターゲットA/Fが13.25だったとします。

この時のA/F計が13.7だった場合に、
1.92[V]の補正値を100%から増やすことで実際の流量を多く補正することが出来るかと思います。

燃料補正マップのターゲットA/Fはエンジンの実際のA/Fであるべきですので、
あるべき形に補正値を修正するという作業を行います。

ただし、パソコンで設定を行う場合は
32点の補正を行えるエアフロカーブにて修正ができるのですが、
こちらは別記事にて紹介したいと思います。

こちらの設定内容は可能な範囲で公開しております。
注：この設定を行ったことに寄る不具合は当方では対応できません(-_-;)
パワーFC設定履歴

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1dAj4tPknmJ0FLr9VkYtK4gQZPmDkLbGaRFSOueKuASY/edit?gid=604622174#gid=604622174

パワーFCではインジェクターの補正係数として無効噴射時間補正値があります。

1JZ-GTEのノーマルインジェクターの無効噴射時間は0.76msで
例えばあるメーカーの550ccインジェクターの無効噴射時間は0.90msだった場合、
0.90ms - 0.76ms = +0.14ms
から算出された+0.14msを各インジェクターの無効噴射時間補正に入力するようになります。

ここで、無効噴射時間とは・・・
ECUはインジェクターに対してパルスを与えて動作させており、パルス幅を広くする(デューティー比を増加する)ことで燃料を多く吹く制御を行っている。
ただし、インジェクターにパルスを与えてから実際にニードルバルブが動作する前には一定の時間が必要になってくる。
この時間を無効噴射時間といい、インジェクターの特性で決まっている。
燃料を規定の量噴射させるには指定のパルス幅＋無効噴射時間の信号を与える必要があるため、インジェクターの特性に合わせて無効噴射時間を指定する必要がある。

ということで、エンジンセッティングに関わってくる重要な数値の一つとなります。

無効噴射時間の測定方法はいくつかあるかと思いますが、
株式会社 アイ・アール・エスではDuty100%とDuty50%の噴射量から無効噴射時間を算出するとのことです。
無効噴射時間

パワーFCではインジェクターごとに無効噴射時間を入力することができるのですが、この値がエンジン制御にどのように影響するのか？を表したのがタイトル画像となります。

無効噴射時間はインジェクターにパルスを与えてから実際にニードルバルブが動作するまでにかかる時間となりまして、
Aインジェクターは例えば10という無効噴射時間があったとします。
理想とするインジェクターの噴射量は青●の理想という印になりますが、
Aインジェクターは10という無効時間があるためにあるDuty比の出力を与えても、無効噴射時間分だけ噴射量が減ることになります。

また、BインジェクターはAインジェクターよりも更に長い例えば20という無効噴射時間があったとします。
こちらもAインジェクターと同様にあるDuty比の出力を与えても、無効噴射時間分だけ噴射量が減ることになります。

この線を見てわかるようにどの無効噴射時間でも
最も影響が多いのは噴射量の少ないアイドリングとなります。
反面、最も影響が無いのはインジェクターが開きっぱなしの状態となります。

つまり、無効噴射時間を考慮しなければ、
Duty比が小さい制御を行うほど理想とする噴射量よりも少ない燃料しか噴射することが出来ないということになります。

ところで、無効噴射時間はエンジン制御に重要な数値の一つとなりますので、
一般的にチューニングに使用するインジェクターには無効噴射時間が公開されていることが多いと思います。

なので、その時間を入力することでそれなりにエンジン制御を行うことが出来ます。

但し、その無効噴射時間は一定の誤差を含んだ参考値となりますので、
Inj Mapを作っていくうえで実際の無効噴射時間に近い値に修正する必要が出てくるかと思います。
また、パワーFCでは入力する値はインジェクター1本につき1つの値となりますが、無効噴射時間は電圧や燃圧により変わってきます。
他社のフルコンでは電圧や燃圧等による無効噴射時間を入力できるようですが、正確に制御できるようになる反面、入力するためにはより多くの正確な計測を行う必要が発生します。

話を戻して、無効噴射時間がある時に頭に思い描くのがタイトル画像となります。

装着しているAインジェクターの無効噴射時間がAインジェクターの基本値より長いまたは短い場合に行う補正ですが、
無効噴射時間が長い場合はBインジェクター寄りの噴射量の線を描くことになります。
つまり、噴射量の少ないアイドリング領域では燃料が理想より少ない量しか噴射しないことから、空燃比が薄くなる傾向が強く出ることになります。

一方、無効噴射時間が短い場合は理想に近い噴射量の線を描くことになりますので、相対的に噴射する燃料の量が多くなることから、空燃比が濃くなる傾向が強く出ることになります。

パワーFCでのチューニングでInj Mapの設定値は、
その設定値どおりの空燃比になるように補正を行うが基本になるかと思いますので
そうでない場合はインジェクターの噴射時間補正係数や無効噴射時間補正を修正することになるかと思います。

ただし、空燃比はエアフロー信号の空気流量補正でも変わってきますので、
どちらをどれだけ補正していくのか？という問題があります。

噴射時間補正係数とエアフロー信号の空気流量補正の概念は別記事にて紹介したいと思います。

こちらの設定内容は可能な範囲で公開しております。
注：この設定を行ったことに寄る不具合は当方では対応できません(-_-;)
パワーFC設定履歴

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1dAj4tPknmJ0FLr9VkYtK4gQZPmDkLbGaRFSOueKuASY/edit?gid=604622174#gid=604622174

エンジン制御の都合上、
点火時期などはクランク角度を元にしたマップが作られる場合が多いと思います。

この時、点火時期はエンジン回転数と負荷の2軸で角度により設定されますが
エンジン回転数と点火時期の関係性がいまいち掴みづらかったため
点火時期って結局どのくらい前に点火してるん？
にてエンジン回転数とクランク角度による時間[ms]を算出しました。

また、
点火時期って結局TDC何秒前に点火してるん？
にてパワーFCの初期設定マップを使ってBTDC何msにて点火しているのかを算出しました。

Pmax、Pmeを最大限に高めるためにはATDC12°近辺で燃え終わっているのが良いことがこれまでの多くのテストで確かめられている。クランク角で見た熱発生時間は、回転数が上がってもあまり変わらないが、点火から熱発生までの絶対時間はほぼ一定のため、高回転になればなるほど、クランク角で見ると燃焼時間は長くなる。したがって、高回転になるほど点火時期を早くしなければならない。
参考文献
１）　長谷川浩之：HKS流エンジンチューニング　グランプリ出版

につきまして考察を行いたいと思います。

タイトル画像は
参考文献
２）　中村哲寿：ガソリンエンジンのノック制御　職業能力開発報分誌　第１巻　1988
X軸はクランク角度、Y軸はシリンダー内圧力となり山の盛り上がりはガソリンが燃焼している事が示されます。
こちらでは点火時期を変更した際のシリンダー内圧力の推移を示しています。

まず、
クランク角で見た熱発生時間は、回転数が上がってもあまり変わらない
につきましてタイトル画像を見ると、
点火時期を変更したときには山の盛り上がり方は異なるものの、
山も盛り上がり始めと山が盛り下がってき終わりに変化があまり見られないことからわかるかと思います。

こちらでは点火時期をBTDC20°からBTDC25°へ進角させることで、
シリンダー内圧力がTDCに近いところでピークを迎えることと、
山の面積が大きくなっていることから出力が大きくなっていることがわかります。

一方、BTDC30°では点火時期が早すぎるために、最大爆発時に圧力振動が生じ、ノック現象が生じていると説明されています。

また、点火時期を早くしていくと出力は大きくなっていくもののノッキングが発生することが知られていますが、
BTDC30°とBTDC25°のTDC前を比較すると
BTDC25°と比べてBTDC30°は早期に圧力上昇が見られることから損失が多くなっていることがわかるかと思います。

点火時期を進角させることでシリンダー内圧力を高く、
出力を高くすることが出来ますが、
TDC前の圧力上昇が多くなることで損失が発生するため
MBTを取ることが必要とされています。
１）　長谷川浩之：HKS流エンジンチューニング　グランプリ出版

また、Pmaxが高くなるにつれてピストンリング等への負荷が高くなるため
市販車では一定の安全マージンを取ったセッティングにされていたようです。

ところが、昨今のCO2排出削減のために点火リタードを前提として
攻めたマップ設定になっていると聞きました(-_-;)

----------略語----------
※TDC=Top Dead Center=圧縮上死点
ピストンがコンロッドから最も遠い位置(シリンダーヘッドに最も近い位置)の状態
ピストンピンがオフセットしている場合はクランクピンがシリンダヘッドに最も近い角度とピストンがシリンダヘッドに最も近い角度が異なる場合もある
私の記事ではピストンがシリンダーヘッドに最も近い位置をTDCと表現する


※BTDC=Befor Top Dead Cener=圧縮上死点前
ピストンがTDCに向かっている状態でTDC前の角度

クランクシャフトが時計回りに回っていると考えた場合、
12時の位置を0°とすると3時の位置は90°ATDCとなり
9時の位置は-90°ATDCとなるが、
-90°ATDCはTDCより前になるので
BTDCを使用した場合はTDC前の角度を表現するため90°BTDCと表現する

TDC後の角度を示すATDCがあるため、明示的に角度を表現する際に使用する


※Pmax=燃焼室内の最高圧力
シリンダー内の最高圧力
トルク(回転数をかけた出力)に関係する値であるが、
Pmaxが高すぎるとピストンリングの損傷が起こりやすいなどエンジンに負担がかかり
燃焼温度が高いので当然ながらNOxの生成が活発化される


※Pme=平均有効圧力
一気筒の一サイクル当たりの仕事を行程容積で割った値で、エンジンの大小によらずに出力性能を比較するうえで重要となる


※MBT=Minimun Advance for the Best Torque
最もトルクが出る時の最良の点火時期


こちらの設定内容は可能な範囲で公開しております。
注：この設定を行ったことに寄る不具合は当方では対応できません(-_-;)
パワーFC設定履歴

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1dAj4tPknmJ0FLr9VkYtK4gQZPmDkLbGaRFSOueKuASY/edit?gid=604622174#gid=604622174

点火時期って結局どのくらい前に点火してるん？
でエンジン回転数とクランク角度で何度で何秒(何ms)というのを計算しました。

いよいよ、パワーFCの初期設定での点火時期から
TDCの何秒前(何ms前)に点火しているのかを算出しました。

X軸がエンジン回転数、Y軸が負荷(吸入空気量)、値がパワーFCの点火時期設定値から算出された値BTDC[ms]となります。

この表を作成した理由は、
エンジンの制御から点火時期はクランク角度を元に設定するのが簡単だと思うのですが、
その角度とエンジン回転数の関係がいまいち掴みづらく、
それぞれの回転数で一体BTDC 何msで点火しているのか？
を見たくて作成しました。

黄色背景のセルはとあるギアでアクセルを全開にした時の
マップの読み取り位置となります。

このマップから最も早く点火しているのは、
低回転低負荷であるアイドリング時(マップの左上の方)
となります。

エンジン回転数が低いためにBTDC15°にもかかわらずBTDC3.13msとなっています。

エンジン回転数が高くなるにつれてBTDC点火時期[角度]は進んでいきますが、
BTDC点火時期[時間]はどんどん遅れて短くなっていくことがわかります。

また、負荷が高くなるほどBTDC点火時期[角度]もBTDC点火時期[時間]も
遅れて短くなっていくことがわかります。


ところで、
Pmax、Pmeを最大限に高めるためにはATDC12°近辺で燃え終わっているのが良いことがこれまでの多くのテストで確かめられている。クランク角で見た熱発生時間は、回転数が上がってもあまり変わらないが、点火から熱発生までの絶対時間はほぼ一定のため、高回転になればなるほど、クランク角で見ると燃焼時間は長くなる。したがって、高回転になるほど点火時期を早くしなければならない。
参考文献
１）　長谷川浩之：HKS流エンジンチューニング　グランプリ出版


この前半～中盤部分については別記事にて紹介したいと思います。
後半部分の高回転になるほど点火時期を早くしなければならない
についてですが、例えばL15を見た場合に
点火時期はBTDC16°と一定にした場合に
2400rpm：1.11ms
7200rpm：0.37ms
と点火時期[ms]は0.74[ms]も短くなる(遅れている)ことから進角の必要性が伺えます。

また、実際のマップでは同様にL15を見た場合に
2400rpm：BTDC16°　1.11ms
7200rpm：BTDC24°　0.56ms
と8°進角させているにも関わらず、0.55[ms]遅れるマップとなっております。
これは初期設定の安全マージンと考えるのでしょうかね？


このように見ると800rpmのL04とL05の点火時期がその前後と比べて早いように思われます。

また、点火から熱発生までの絶対時間はほぼ一定であるとされていることから
パワーFC上のノッキング値が出てくる2400～3200rpmを見ると
7200rpmと比べて0.55～0.34[ms]早くなっていまして、
ノッキングが出やすいと言われる低回転高負荷時の点火時期が早いように思われます。

このことから、
燃料噴射量の設定を行いやすくするために
パワーFCの表示マップではなくターゲットA/Fを元に入力値を算出したように
ターゲットBTDC点火時期[ms]を入力するようなスプレッドシートの作りにしたほうが良いかもしれません。


点火時期はエンジン出力とノッキングに直結する重要な要素の一つですが、
回転数とクランク角度というイメージしにくい値を使うのではなく、
BTDC[ms]というTDCの何ms前に点火するというイメージしやすい表を使って
点火時期とノッキングについての理解がより深くなっていき、
皆様のカーライフが豊かなものになれば幸いです。

ご視聴くださいましてありがとうございますm(_ _)m

----------略語----------
※TDC=Top Dead Center=圧縮上死点
ピストンがコンロッドから最も遠い位置(シリンダーヘッドに最も近い位置)の状態
ピストンピンがオフセットしている場合はクランクピンがシリンダヘッドに最も近い角度とピストンがシリンダヘッドに最も近い角度が異なる場合もある
私の記事ではピストンがシリンダーヘッドに最も近い位置をTDCと表現する


※BTDC=Befor Top Dead Cener=圧縮上死点前
ピストンがTDCに向かっている状態でTDC前の角度

クランクシャフトが時計回りに回っていると考えた場合、
12時の位置を0°とすると3時の位置は90°ATDCとなり
9時の位置は-90°ATDCとなるが、
-90°ATDCはTDCより前になるので
BTDCを使用した場合はTDC前の角度を表現するため90°BTDCと表現する

TDC後の角度を示すATDCがあるため、明示的に角度を表現する際に使用する


※Pmax=燃焼室内の最高圧力
シリンダー内の最高圧力
トルク(回転数をかけた出力)に関係する値であるが、
Pmaxが高すぎるとピストンリングの損傷が起こりやすいなどエンジンに負担がかかり
燃焼温度が高いので当然ながらNOxの生成が活発化される


※Pme=平均有効圧力
一気筒の一サイクル当たりの仕事を行程容積で割った値で、エンジンの大小によらずに出力性能を比較するうえで重要となる


こちらの設定内容は可能な範囲で公開しております。
注：この設定を行ったことに寄る不具合は当方では対応できません(-_-;)
パワーFC設定履歴

https://docs.google.com/spreadsheets/d/1dAj4tPknmJ0FLr9VkYtK4gQZPmDkLbGaRFSOueKuASY/edit?gid=604622174#gid=604622174