面白い2001年の論文があったのでメモがわりにブログ投稿しておきます。
自分の車両はDitech第2世代エンジンで、Piaggio製のC361Mエンジンへ進化し、電子制御オイルポンプから機械式のオイルポンプに変わってる。Euro2まではクリア。
エンジンバラしてから読むと、なるほど🧐と参考になる。
その後の排ガス規制で2014年ごろに販売終了になったけど、なかなかの技術力だと思う。
【アプリリア DITECH 50エンジンの開発】
マイク・アンブラー（Mike Ambler） - エンジン部門 システム・プロジェクト・リーダー
アントニオ・ゾッキ（Antonio Zocchi） - エンジン部門 エンジン・プロジェクト・リーダー
アプリリア社（Aprilia S.p.A.）
概要
優れたスクーター用エンジンには、以下の特性が求められる。
構造の簡潔さと軽量性
高い出力密度（単位排気量あたりの出力）
優れた燃費
高い信頼性
これらの特性は、現代の2ストロークエンジンの仕様と（概ね）合致している。しかし、年々厳しさを増す環境規制（排ガス規制）は、スクーター用エンジンに新たな制約を課している。
現在の法規制環境下において、即座に導入可能な解決策は以下の3つである。
高回転型4ストロークエンジン（触媒および／または二次空気導入装置の有無は問わない）
触媒付き2ストロークエンジン（二次空気導入装置の有無は問わない）
直噴（ダイレクトインジェクション）式2ストロークエンジン（最も革新的な解決策）
アプリリア社は、この3番目の道を選択し、二輪車業界に新たな視点をもたらす「DITECH」を発表した。
小型・高回転エンジンにおけるこの技術のパイオニアとして、アプリリア社はDITECHシステムの「実用化」に伴う、これまで経験したことのない数々の課題を解決するために、多大な時間と資金を投じてきた。エンジンを量産化する過程において、設計および開発上の最大の課題となったのは以下の点である。
エアコンプレッサーのレイアウトおよびクランクシャフトのバランス調整
燃料・空気供給系（シリンダーヘッドおよび燃焼室の設計、スパークプラグの配置）
潤滑油の供給（分配）
高地での作動
過酷な環境条件下におけるスパークプラグの汚損（かぶり）
このプロジェクトを通じて、アプリリア社は極めてユニークな特性を持つ、全く新しいエンジンを創り出した。DITECHの採用により、従来の2ストロークエンジンが持つ優れた高回転域の性能や、力強い中回転域のトルクを犠牲にすることなく、オイルおよび燃料消費の大幅な削減と、排気煙（スモーク）の極めて低い排出を実現した。
この新しいエンジン技術は、将来の環境規制を満たすために必要な排ガス対策システムが比較的簡潔で済むため、非常に高いポテンシャルを秘めている。
1. はじめに
過去10年間、小型パーソナルビークル（スクーター等）用エンジンの将来の方向性について、多くの議論がなされてきました。特に、現在すでに適用されている、あるいは今後さらに厳格化される排ガス規制への対応が重要なテーマとなっています。また、こうした規制をクリアするためにどのようなエンジンや排出ガス制御技術が最適かについても、活発な議論が交わされてきました。
約3年前、アプリリア（Aprilia）社は新しいエンジン技術および排ガス処理技術の分析に着手しました。その過程で、パーソナルビークル（スクーター）用エンジンに求められる本来の要件が改めて浮き彫りになりました。スクーター（あるいは小型二輪車）のエンジンには、主に以下の4つの特性が求められます。
1. 軽量であること：スクーターは出力対重量比が比較的小さいため、車重が重要となります。その点、2ストロークエンジンは軽量かつ構造がシンプルであるという利点があります。
2. 高い比出力：例えば、現代の50cc 2ストロークエンジンである「SR DITECH」は7800rpmで6.5馬力を発揮する一方、現代の50cc 4ストロークエンジンは9000rpmで3.8馬力程度です[1]。
3. 低燃費：スクーターは日常の移動手段として利用され、1日に150km以上走行することもあります。低燃費であればランニングコストを抑えられます。また、小型スクーターは燃料タンク容量が小さいことが多いため、低燃費であることは航続距離の延長につながり、利便性が向上します。
4. 信頼性：シンプルで堅牢な機械設計は、車両のメンテナンス（オイル量や冷却水量の確認など）に不慣れ、あるいは無頓着なユーザーであっても、トラブルなく長期間使用できることを保証します。
現代の2ストロークエンジンは、これら4つの特性のうち3つを備えています。しかし、「低燃費」という特性が欠けていることに加え、今後さらに厳しくなる排ガス規制への対応が求められたことで、現代の2ストロークエンジンは存続が危ぶまれる状況に追い込まれました。そのため、何らかの解決策が必要とされていました。
2. なぜ電子制御式直噴（ダイレクトインジェクション）なのか？
現在（および将来）の法規制要件を満たし得る解決策は、大きく分けて以下の3つの技術に分類できます。
1. 高回転型4ストロークエンジン（触媒、二次空気導入装置、燃料噴射装置の有無は問わない）。
2. 触媒付き2ストロークエンジン（二次空気導入装置や追加の触媒を備える場合がある）。
3. 電子制御式燃料直噴（ダイレクトインジェクション）を備えた2ストロークエンジン。
アプリリア社は、これらすべての技術について徹底的な評価を行いました。 ……上記の技術を検討した上で、3番目の選択肢を採用するに至った。重要な点として、アプリリア（Aprilia）は、スクーター用エンジンに求められる4つの主要要件をすべて満たすためには、燃料供給量（燃料噴射）とシリンダー内への直接噴射の両方を電子制御する必要があることを理解していた[2]。シリンダー内への電子的な燃料噴射は、高度な燃料成層化（燃料の層状分布）を実現する上で不可欠であり、これによってシリンダー内の空燃比（A/F）を極めて高くすることが可能となる。こうした現象は、燃費を大幅に向上させる。この利点に加え、完全電子制御の直接噴射方式がもたらすエンジン調整（キャリブレーション）の柔軟性が決め手となり、アプリリアは「DITECH」を同社の主要技術として採用することにした。
3. DITECHシステム
DITECHシステムは、10年ほど前にオービタル・エンジン・カンパニー（Orbital Engine Company）が提案した技術を発展させたものである[2]。ただし、現在のシステムでは、当初の方式よりも広く認知されている燃料計量（燃料供給量制御）の手法が採用されている。現在、燃料の計量は、ECUによって制御される革新的な容積式燃料ポンプ、自動車用燃料インジェクター、および燃圧レギュレーターを用いて行われている。
図1：DITECHシステムのレイアウト（ブログ表題写真）
本プロジェクトの主要な目標の一つは、エンジンが消費するオイル量を実質的に削減することでした。これは、容積式オイルポンプ（EOP）を採用することで実現しました。ECUによって直接制御されるこのEOPにより、エンジンの全運転領域にわたって、オイルの噴射量を最適に調整することが可能となりました。
4. 技術的課題
アプリリア（Aprilia）は、キャブレター仕様のベースエンジン設計と、一連の試作システムコンポーネントを用いて開発プログラムを開始しました。エンジンの再設計および量産に向けたDITECHシステムの開発には、約18ヶ月を要しました。開発の役割分担として、アプリリアがエンジン、車両、およびアプリケーション全体の開発を担当し、システムサプライヤーであるSynerject社が個々のコンポーネントの開発と検証を担当しました。エンジンおよび車両の開発過程では、以下のような多くの課題に直面しました。
4.1 エアコンプレッサーのレイアウト／クランクシャフトのバランス調整
機械的な観点から見ると、DITECHエンジンは、アプリリアの従来のキャブレター仕様エンジンをベースとしています。ピストン／コンロッド・アセンブリ、シリンダーバレル、スモールエンドおよびビッグエンド・ベアリング、CVT、ギア類、ウォーターポンプ・アセンブリといったコンポーネントは、両バージョンで共通です。一方、クランクシャフトとクランクケースの設計・開発には、多大な労力が費やされました。
DITECHのクランクケースは、エアコンプレッサーを収容するために大幅な変更が加えられました。また、コンプレッサーをフライホイール側のクランクケース内にのみ配置できるよう、クランクケースの構造が修正されています。さらに、16インチホイール（「スカラベオ（Scarabeo）」モデルに採用）を装着できるようにするため、コンプレッサーの半径方向の配置において妥協点を見出す必要がありました。この妥協点とは、コンプレッサーをホイールと干渉しないよう高い位置に配置しつつ、コンプレッサーの作動タイミング（位相）を最適化して流量を最大化するために、低い位置（シリンダーに対してクランク角が大きい位置）に配置するという要件を両立させることでした（図3を参照）。 DITECH仕様エンジンとキャブレター仕様エンジンを同一車両に完全な互換性をもって搭載できるよう、クランクシャフトには特定の質量特性が与えられる必要がありました。これは、オリジナルのバージョンと同一の「質量慣性力楕円（mass forcing ellipse）」を生成するためです。
フライホイール側のクランクウェブにはカムが直接機械加工されており、これがコンプレッサーを駆動します。コンプレッサーの最適な駆動タイミングと、エンジンバランスの要件という二つの要素を両立できたのは、コンピュータを用いた設計・解析があってこそでした。言うまでもなく、これら二つの要件は、互いにほぼ正反対のものなのです。
図3：クランクケースアセンブリの側面図
オイル供給系統の広範な見直し（4.3節を参照）に加え、クランクシャフトのベースベアリングの耐久性向上にも注力した。これは、ベースエンジンと比較して、より高い負荷と温度にさらされるためである。ベアリング温度の上昇は、エンジン出力の向上、より強力なフライホイールの採用、そして燃料の気化が起こらないことによるクランクケース内の冷却効果の低下に起因している。
4.2 燃料・空気供給レール、シリンダーヘッド、および燃焼室のレイアウト
DITECHエンジンの設計において、成層燃焼運転時にスパークプラグ電極周辺で効果的な混合気分布を得るためには、スパークプラグ電極とエアインジェクター先端との間の相対位置を適正に確保しなければならない。
この条件を満たすことは、エンジン設計過程において最も困難な課題の一つであった。
実際、限られたスペースという技術的な制約の中で、これを実現しなければならなかった。小さなボア径、スタッドボルトの存在、ウォータージャケットの配置、そして燃焼室の形状や容積に関する要件が、この設計作業を極めて困難なものにしていた。
ウォータージャケットは、スパークプラグおよびエアインジェクターの脚部に対して最適な冷却効果を発揮し、かつ冷却水充填時に内部の空気を完全に排出できるよう設計されている。また、冷却水の乱流が発生しない構造とし、温度センサーやサーモスタットバルブを適切な位置に配置することも求められた。
シリンダーヘッド上部には、エアインジェクター本体と燃料レールフランジが配置されている。これら両者の相対位置は、正常な機能を保証するために、非常に厳しい寸法公差で規定されている。
燃焼室の形状については、Orbital社の協力を得て検討を行った。その目的は、最適な掃気効果、高い圧縮比、広いスキッシュエリアを確保し、前述したスパークプラグとエアインジェクター先端との位置関係を実現することであった。
4.3 潤滑油の供給
ピストン下面から燃料が排除されることで、オイル消費量を低減する可能性が大きく広がる。これは、クランクケース内で燃料がオイルを洗い流してしまう「ウォッシング」現象がなくなるためである。標準的なオイルポンプと標準的なオイル供給量を用いた初期試験では、クランクケース内に過剰な量のオイルが残留するという結果が得られた。これらの観察結果に基づき、オイルの流入箇所を2か所から1か所に減らすとともに、その位置をメインベアリングの背面（標準仕様の車両において、メインベアリングの十分な潤滑を確保するために必要な箇所）から、リードバルブユニットの上方へと変更することとした。
蛍光オイルを用いた試験では、全体に良好なオイルの行き渡りが確認されたものの、メインベアリングにわずかに過度な摩耗が見られた。この問題は、シリンダーボアと一直線上に6mmの通路穴を2つ設けることで解決した。これにより、クランクケース内のポンピング作用を利用して、新鮮なオイルをベアリングへと供給することが可能となった（図5を参照）。
図5：クランクケース内のオイル輸送孔
EOP（電子制御オイルポンプ）によるオイル供給量は、エンジンECU内の「燃料対オイル比マップ」に基づいて制御されます。低回転域や低負荷域では、燃料対オイル比が非常に高く設定されており（最大125:1）、要求される燃料量自体も極めて少ない（1サイクルあたり0.5〜1.5mg）ため、実質的なオイル供給量はほぼゼロとなります。実際、低回転域ではオイルの付着性が高く、空気流速も低いため、オイルを供給しなくてもエンジンをほぼ無期限に運転することが可能です。クランクケース内に蓄積されたオイルがその場にとどまり、エンジン内部の潤滑を維持します。
4.4 高地での運転
一般的に、燃料噴射エンジンを高地で運転する場合、ECUを介して燃料供給量を補正する仕組み（圧力センサーなど）が必要となります。空燃比を厳密に制御しなければならないエンジンでは、高地においてシリンダー内の利用可能な酸素量が減少するため、それに応じて燃料供給量を減らす必要があるからです。一方、DITECHエンジンは、全開（WOT）時であっても高い空燃比（18以上）で運転されるため、高地であっても燃料補正を必要としないのが一般的です。試験の結果、海抜ゼロ地点において、リッチ失火（燃料過多による失火）が発生する限界に対して約30％の燃料マージンを確保しておけば、標高2000mでも問題なく運転できることが確認されました（図6参照）。この燃料削減に伴うエンジン出力の低下は、ごくわずかなものです（図7参照）。
図6：全開（WOT）時におけるリッチ失火マージン
標高1500mを超える高地での試験において、8500rpmの全開（WOT）運転時に失火が発生し、燃焼を回復させるためにスロットルを閉じる必要があることが判明しました。8500rpmでは排気系のチューニング特性上、掃気効率（トラッピング効率）が低下します。そのため、極限状態では排気系における空燃比が、燃焼を維持できないレベルまで低下してしまったのです。前述のキャリブレーション指針に従い、燃料・空気混合気の噴射タイミングを進角させることで、失火することなく運転できるようになりました。
図7：トリム調整時と海抜仕様における全開（WOT）出力の比較
5. 結果
アプリリア（Aprilia）、サイナジェクト（Synerject）、およびその他のパートナー企業による2年間の開発成果は非常に満足のいくものであり、市場からも極めて好意的に受け入れられました。すべての技術目標は達成または目標値を上回っており、Euro-1排出ガス規制への適合、燃料・オイル消費量の最適化、そしてクラス最高レベルの出力と加速性能を実現しています。表1は、アプリリアが2000年モデルおよび2001年モデルとして型式認定を受け販売した「SR DITECH」および「SR Cat」（キャブレター仕様＋触媒付き）の加速性能を示しています。これらは、最高出力や最高速度に関する法規制が特に定められていない国（インドや台湾など）向けに型式認定された、高出力モデルと比較されています。
表1：SR 50の加速性能
図8は、SR DITECHエンジンとキャブレター仕様エンジンの全開（WOT）出力を比較したものです。電子制御燃料噴射（インジェクション）の採用により、高速域におけるエンジンチューニングの柔軟性が高まり、高回転域（オーバースピード領域）においてより高い出力を発揮できるようになりました。
図8：SR DITECHおよびキャブレター仕様SRの全開（WOT）出力比較
DITECHエンジンは、現行のEuro-1排出ガス規制値を余裕を持ってクリアしており、その結果を図9に示す。
本エンジンにおいて最も驚くべき点は、排出ガス規制への適合性や純粋な性能そのものではなく、実走行における燃費性能であろう。その数値は90km/Lという驚異的なものに達する。図10は、SR DITECH車両における定常走行時の燃費を示している。このグラフには、インド／台湾向けモデル（出力制限なし）と、欧州向けモデル（Euro-1適合、最高速度45km/h制限付き）の燃費が示されている。興味深いことに、インド向けモデルの方が欧州向けモデルよりも大幅に優れた燃費性能を示している。これは、欧州向けモデルには45km/hの速度制限が課されているためである。
図9：ECE47サイクルにおける排出ガス量 [3]
45km/hまでの全開加速を実現するため、車両の最終減速比（ファイナルギア比）が調整されている。これにより、加速時にはフルパワーを発揮する回転域（7800rpm）から、より高い回転域（8700rpm、出力は低下する）へと移行する。この際、電子制御による燃料調整を行うことで、45km/hという速度を維持している。なお、SRはEPA 170車両クラスに該当する。
図10：定常走行時の燃費：SR DITECH
5. 結論
本稿の序論で挙げた4つの主要な特性に関して、アプリリア（Aprilia）とそのパートナー各社は、優れたエンジン／車両パッケージの開発・生産に成功したと言える。
軽量性：
「SR Euro-1（触媒付き）」および「SR DITECH」は、いずれも同じ重量（106kg）である [4]。
高い比出力：
SR DITECHは6.5馬力（7800rpm）を発揮し、同クラスの50ccスクーター用エンジンの中で最も強力なものの一つである。
低燃費：
ECE47走行サイクルで50km/L、インドの走行サイクルで62km/L（制限なし仕様）。実走行においても50km/Lの燃費達成が可能である。
信頼性：
本稿執筆時点で、長距離走行を行うユーザーの車両は1万5000km（所有期間10ヶ月）を超えている。エンジンは非常に良好に作動しており、燃費も安定している。キャブレター式エンジンと比較して、エンジン内部の摩耗は著しく低減されている。
DITECHエンジンの開発過程において、多くの改良点が見出された。現在、直噴方式という特性を活かしつつ、コストと性能を最適化するための取り組みが本格的に進められている。5年後には、DITECHエンジンは現在とは大きく異なる姿になっているはずである。
今年7月、アプリリアはDITECHエンジンを空冷化した「Scarabeo i.e.」を発売した。この車両は、2002年から施行されるスクーター向けEEC Euro2排出ガス規制に適合している。このエンジンは、水冷式DITECHエンジンの利点をすべて備えており、小型車両向けエンジンのさらなるクリーン化と機能向上に向けた歩みを継続するものである。
アプリリアは、「SR DITECH」の開発成功および市場投入に貢献したSynerject社およびOrbital社の関係者に感謝の意を表する。
用語集
A/F：エンジン空燃比（Air-Fuel ratio）
Horsepower EEC：EEC規格に基づく馬力
ECU：電子制御ユニット（Electronic Control Unit）
EOP：電子制御オイルポンプ（Electronic Oil Pump）
PRM：エンジン回転数（毎分回転数）
Vmax：最高車両速度
WOT：全開スロットル（Wide-Open Throttle）
参考文献
1. 『Motociclismo』誌、2000年9月号
2. G. Bell、C. Finucci共著、「50ccスクーターにおける直噴エンジンの排出ガス特性（Exhaust emissions sensitivities with direct injection on a 50cc scooter）」、SAE論文 970365
3. Dell'Orto SpA社、研究開発（R&D）ラボ、試験番号589「ECE47（Euro 1）排出ガス測定：Aprilia SR 50 DITECH」 2000年7月19日
4. アプリリア社（Aprilia S.p.A.）、ユーザーマニュアル：アプリリア SR 50
aprilia Ditech50エンジンの開発（論文） 
面白い2001年の論文があったのでメモがわりにブログ投稿しておきます。
今年のヒルクライムに向けてバイクを11kg台まで軽量化。
ついに優勝！！！
今日も最終ラップでマルケスを追い詰めるも２位！
