内燃機関超基礎講座 | 直列3気筒エンジンが注目される理由、240度間隔がもたらすメリット

　今まで軽自動車用以外にあまり見られなかった
3気筒エンジンが、ここに来て急速に脚光を浴び
つつある。

その理由はもちろんダウンサイジング、レスシリンダー化。

4気筒エンジンから1気筒分を取り除くことで小排気量化を
図ると同時に、機械損失の低減をも狙おうというものだ。

　その背景には、近年のエンジン設計においてモジュラー
化が進んでいることにより、気筒数の増減がしやすくなっ
ているという環境的な要因もある。もちろん、ブロックや
クランクを造り直す必要はあるわけだが、動弁系や燃焼室、
ピストンなどの設計が流用できるメリットは大きいという。

　他にも、意外なまでに3気筒エンジンの振動は制御しやす
いということや、その振動についても、最も振動を感じやす
いアイドリング時にエンジンを停止するアイドルストップ
の急速な普及から、要求が緩くなってきていることなど、
追い風的な要素は数多い。このあたりは、レスシリンダー
化の究極ともいえる2気筒が振動対策の難しさから、
現在のところ拡がりが限定的となっていることとは対照的だ。

そしてもうひとつ、3気筒には見逃すことができない、
重要なメリットが存在する。

　クランクシャフトが2回転するうちに、吸入、圧縮、
膨張、排気という4つの行程を消化する4ストローク
サイクルエンジンは、クランクシャフトが2回転、
要は720度回転することで全ての気筒が全行程を終える。

これはどんなに多気筒化が進んでも不変の要素。

4気筒では180度ごとに同じ行程が次の気筒へ移っていく
つまり180度ごとの点火となるわけだが、バルブタイミング
は吸排気ともに各行程の開始／終了の基準となる上下死点
よりも早めに開いて、遅れて閉じる。バルブが開くことに
なる吸排気行程の理論的なクランク角範囲は180度だが、
実際に吸排気バルブが開いている範囲は220~230度前後。

180度ごとに次の気筒へと同行程が移る4気筒では、吸排気側
ともに複数の気筒で同時にバルブが開くことが避けられず、
吸排気の流れに気筒間での干渉が起こりやすい。

特に排気での干渉は燃焼ガスが完全に排気されずシリンダー
内に残留し、高圧縮化の障害になるなど、デメリットが多い
のだが、これを避けるためには排気管の集合部分までの寸法
を長く取るなどの工夫が必要となる。寸法的な制約が厳しい
現代ではあまり歓迎されない要素であることは間違いない。

これに対し点火間隔が240度となる3気筒では、吸排気とも
にバルブの開閉タイミングが爆発間隔の中に完全に収まり、
吸気側、排気側ともにバルブが開いている気筒はひとつだけ。

つまり、気筒間の干渉を考慮する必要がないため、吸排気系
をコンパクトにまとめられる。

さらに排気干渉がないということは、ターボを組み合わせる際
にもツインスクロールの必要がないことも意味する。

ダウンサイジング化に欠かせないターボとの相性も実に良いの
である。

3気筒エンジンではクランク2回転ですべての気筒の全行程
を終えるため、720度÷3=240度つまり240度毎に同じ行程
が繰り返されることとなる。

さらに、4ストロークエンジンではひとつの行程が基本的
に180度の間に行なわれるので、同じ行程の間隔は
240度-180度=60度。

バルブタイミングは、インテーク、エキゾーストともに
上死点、下死点を跨ぐかたちで余裕を持って開くかたち
となるが、この“余裕”部分が3気筒では気筒間の間隔と
なる60度の間にピタリと収まる。

関連情報URL : https://motor-fan.jp/tech/article/1846/

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Posted at 2021/08/14 15:22:00

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