ホンダF1エンジンに見る高効率エンジンのセオリー

…と固そうなことを言ってみる。

内燃機関の基本的なセオリーは、
1:高圧縮、高膨張。わかりやすくいうと高い圧縮比。
2:なるべく短時間に燃焼して、急激に圧力が高まること。
3:燃焼室の表面積を小さくして、熱の逃げ場を減らす。冷却損失の削減。
4:摩擦抵抗（摩擦損失）の削減。
これくらいかな。

3を考えると、バルブの挟み角は狭角になり、なるべく燃焼室はぺったんこにしたくなる。山型のペントルーフ型なんて、まったく理想的じゃない。鋏み角を広げるなんてセオリーから外れてて、私からするとあり得ない。

1はわかりやすいが、実はわかりにくい。
というのも、ボア・ストロークと燃焼室の比率で圧縮比が決まるのは見かけ上だけ。
バルブの開くタイミングで、ちょっとだけ吸って、大きく膨張する遅閉じミラーサイクルとか、吸気慣性過給とか、それこそターボとか、実際の吸気量と圧縮した燃焼室の容量はかなり複雑だ。

2は、PV線図で考えればわかりやすい。




PV線図は物理の基本なので、学生の頃から何万回も見返しているが、実に想像力を掻き立てられる。これで酒が3杯は飲める。
仕事量である黄色の面積を広げれば、パワーになる。
緑の斜線部分を減らすと、ポンピングロスが減る。ロスが減れば使えるパワーが増える。ざっくり言うとそういうこと。

圧縮比を上げるというのは、上死点の位置をもっと左に寄せて、黄色いエリアの面積を広げることになる。

急激に燃焼させて圧力が急上昇すれば、青い斜線部分がパワーとして使えることになる。
プレチャンバーで中心から火炎放射器のように燃焼しつつ、ピストン周辺からディーゼルエンジンのように自着火させるなんて、狙いは瞬間燃焼によりPV線図の青いところを馬力にしたいためだ。

今一度3に戻ると、燃焼室内で爆発したエネルギーをすべてピストンを押し下げる力に変換できればいいのだが、熱を発生させずに圧力だけを上げる燃焼はできないので、どうしても燃焼による熱が発生する。
仕事はすべて最終的に熱になり、地球を温めることになるんだけど、ただの熱になるのはもったいないので、その熱でなんとか仕事をさせようとする。
それがターボだ。
発生した熱を冷やして（放熱して）しまうと、高くなった圧力も下がってしまう。だからなるべく熱を奪わず、タービンまで圧力を高いまま持っていったほうがいい。
だからタービンまでのエグゾーストは、保温性の高い素材でラップされている。

4の摩擦は、摩擦熱となってロスしてしまう。タイヤにパワーが伝わる前に、熱になってしまう。だから熱にならないほうがよく、摩擦抵抗は少ないほうがいい。
いいオイルや、接触するピストンリングの面積を減らしたり、シリンダー内壁にメッキや加工をすることで摩擦抵抗を減らす。
なお、タイヤまで伝わったパワーは、最終的にはタイヤと路面の摩擦熱になり、ブレーキで熱になる。燃焼によって得られたカロリーは、すべて熱になる。


ここまではエンジンの基本中の基本。
PV線図をツマミに酒飲みながら書いているから、だいぶ酔ってきたｗ

ホンダF1エンジンを解説しているサイトで、バルブ挟み角を狭角にすることが目からウロコ的に書かれているのを見た。
全然画期的なことでもなんでもなく、全部セオリー通り。物理現象なんだから、誰もやってないアプローチ、画期的なアイデアはない。全部、物理に沿っている。

圧縮、燃焼については、かなりアイデアが出尽くしてきているような気がする。
余地があるのはポンピングロスの改善かな・・・