等長エキマニとタコ足と排気干渉

エンジン音はエンジンから出る振動や排気ガスのエネルギーによって空気を振動させ、人間の耳によって感知される事により音として認識されます。
音は空気中を波のように伝播していくので音波という表現をします。
音には三つの要素があり、音量、音程、音色という表現をされます。
音量は音波の強さ＝振幅、音程は音波の周期＝周波数、音色は音波の形＝波形という表現をされます。

音量は主にマフラーで変わります。
径が太くなれば排気ガスが圧力を保ったまま排出され、空気を強く振動させるので音量が大きくなるという訳です。
またタイコに関しては主に純正マフラーは多段膨張室型、社外マフラーはストレート型という物を採用しています。
これらは構造やグラスウールなどにより排気ガスを膨張、反射、共鳴、減圧などをさせて音量を小さくします。
ちなみにNAと比較してターボ車の方が音量が小さいのはタービンを回す力によって排気ガスの圧力が低下しているからです。

音程が変わる例としてエンジン回転の変化があります。
エンジン回転が上がると燃焼の間隔は短くなり、燃焼の回数は増えます。
同様に音波は波の周期が短くなり、数が増えます。
これにより3000回転よりも6000回転の時の方が音を高く感じます。
また気筒が増える事によっても音程は変化します。
また直列四気筒に対して直列六気筒の場合1.5倍燃焼する回数が多いので音を高く感じますが、アイドリングの場合など差が小さいと変化は感じにくいかもしれません。

音色が変わる例として排気干渉があります。
直管にすると分かりやすいですが、ボーーーーと一定の音ではなく、ボボボボボと音が途切れ途切れになっているのは排気干渉が強い例です。
EJ20やクロスプレーンのV8が代表的ですが、RB20DETもかなりこの音を感じます。
これはある気筒で出た排気ガスの圧力が他の気筒の排気を干渉する事によって起きます。
それによって波高が一定にならなかったり、波の形が変化します。

※汚い図ですみません。

直列四気筒で4-1エキマニの場合、クランクシャフトが180度回るごとに各気筒の排気がなされるので、等長マニによって排気ガスの流れる速さを揃えると排気干渉はかなり抑えられます。
オーバーラップの分で排気バルブが開いているタイミングと、他の気筒から排気ガスが流れてくるタイミングが僅かに重なり完全に打ち消す事は不可能ですが。
逆に言えばエキマニの長さが不等長場合、排気ガスの流れる速さが変わり排気干渉が強くなります。
四気筒における等長か不等長かによる音色の差はこれによって生まれます。

一方で直列六気筒で6-1エキマニの場合、クランクシャフトが120度回るごとに各気筒の排気がなされるので、排気バルブが開いてる途中で他の気筒の排気バルブが開き、等長マニを採用しようが排気干渉はガッツリ起きます。
ただし排気干渉を抑える方法は他にもあります。

①エキマニを6-2にする。
RBエンジンのエキマニは1-2-3気筒と4-5-6気筒の2系統に分け、NAの場合フロントパイプの触媒手前で集合します。
言わば直列三気筒を二機設けている状態ですが、直列三気筒は排気干渉を起こさないので排気圧力を下げた状態で合流させれば排気干渉は抑える事が出来ます。
フルデュアルにすると排気干渉が全く無くなります。
ただしDETやETのエキマニは6-2で仕切られているものの、タービン入口ですぐに合流させなければならないので排気干渉の影響が強く出てしまいます。
この問題の解決を試みたのがトヨタの1G-GTEUです。
タービンを二機設置する事により排気干渉を抑える事が出来ました。

② 所謂「タコ足」により排気管を長くする事で排気ガスの圧力を下げてから合流させる。
純正だとGTS-Rやオーテックのマニ。
GTS-Rはマニが長く高回転、ビックターボを意識しています。
それに対してオーテックはマニが短く、排気干渉を利用して低回転でもターボを回りやすくしています。
しかしRB20DET純正マニに比べれば長くなっています。
タコ足は狭いスペースで排気管の長さを稼ぐ為に立体的に空間を使っているのでタコの足のような形状をしています。
注意しなければならないのは等長マニ≠タコ足である事です。

つまり六気筒における音色の変化はエキマニが等長であるかどうかという事よりも、6-2-1の集合場所、エキマニの長さによる排気干渉度合いによって大きく変化すると思われます。
ただ共鳴などの要素もあり、等長による影響が全くない訳ではないと思います。

音量、音程、音色は他にも排気ポートの径や形状、エキマニの径や形状、素材の種類や厚さなど様々な要素が絡んで大なり小なり音が変化します。
例えばGTS-Rのエキマニは「もなか」形状の部分があり、そこで排気ガスが乱反射する事で篭ったような独特な音が出るそうです。
ただ狙ってこういう音が出したい、と狙ってエキマニを作る事は難しいと思います。
独自の音を狙う場合はひたすら試作と試行を繰り返すしかないようです。