ダウンサイジング３気筒は、どう？
ＢＭＷでは１シリーズだけでなく３シリーズに迄も1500ccの３気筒ターボエンジンを搭載してきた。噂によると、このパワーユニットは５シリーズ迄にも展開される可能性があるという。
1500ccの３気筒、単室容積は500ccのエンジンで、ＢＭＷによると単室500ccのエンジンが最も効率的に優れるとの考えに基づいた策だという。
ただ、単室容積のベストはいくらか？というのは、以前もコラムに持論記事を掲載した事があるけど、使用想定回転数次第である。想定回転数によって燃焼室内の混合気の燃焼が可能なプラグからの距離が決まってしまう。これは、火炎伝播速度によるもので、この限界を超えるには自己着火燃焼のようなディーゼルエンジンでないと不可能なのである。通常のプラグ点火エンジンでは、燃焼条件毎に決まってしまう火炎伝播速度が可能のボア径の上限を定めている。燃焼に掛ける時間に余裕がある程、火炎伝播距離が長くなるので大きなボア径が実現できる。判りやすく言えば、低回転エンジン程、大きなボア径が確保出来る。高回転エンジン程、ボア径の制限を受けるということである。
因みに、ストローク長もエンジンの想定回転数によって物理的上限が与えられるもの。油膜を介した潤滑がリングとシリンダーの界面で行われているが、潤滑皮膜が欠損し、過度な混合潤滑域にならないような速度に抑えるのが重要である。これが一般に言われているピストンスピードであり、ストローク長を伸ばす程に上昇するピストンスピードが上限を超えないように決めるのが常識とされている。
それ故に、ＢＭＷの説である500ccという排気量だけを語るサイトも少なく無いけど、大事なのは、想定回転数、ボア径、ストローク長の自由度の中でＢＭＷが選んだのが結果的に500ccだったというだけであり、それが唯一の正解とは言えないのである。
因みに、ストロークの長短でロングストロークエンジン、ショートストロークエンジンという仕分けもあるけど、これについての特徴を紹介すると、、、
エンジン自体が圧縮、爆発、膨張というプロセスをとるので、圧縮時燃焼室の比表面積が小さい程、燃焼室がコンパクトとなり効率が高くなる。そういう意味で考えれば、ロングストロークエンジンの方が燃焼室形状的にはショートストロークエンジンよりも有利となる。燃焼室の比表面積が小さい程、つまり球体に近い程、点火伝播が速やかに進行するために燃焼の面でも有利となる。つまり、ノッキングを誘発しにくいという特徴も有している。点火時期の選択の自由度が高いのも特徴だ。それ故に、効率の高いタイミングでの点火、つまり未燃ガスの発生量を抑える事が可能となるのだ。余談だが、ロータリーエンジンが不利なのは扁平形状の燃焼室故でもある。ロングストロークエンジンでは、燃焼室がコンパクトな上に高いエネルギーを持った状態からの膨張過程においても、熱エネルギーを失う経路となるシリンダー表面がコンパクトとなるので、総じて熱効率の面で有利となる。エンジン行程容積が同じ場合、燃焼室表面積自体もショートストロークエンジンの方が大きくなる傾向で、ここでも熱損失から考えてもロングストロークエンジンの方が有利となる。
しかし、エンジン回転数が高くなる程、ネガティブな要因が出てくる。それは、ピストンリングの摺動速度が高くなり、高回転程、摺動限界が早く訪れるのでエンジンの高回転化が計りづらくなること。さらに、高速運転を行おうとすれば、速やかな混合気の交換が必要だが、ボア径が小さい事によるバルブ開放面積の狭さが、それを妨げることにもなる。結果的に、高回転時において理想的なガス交換が行えなくなり効率的に低下する傾向となる。更に、ストロークが長くなる分、相対的にコンロッド長が短くなり、ピストンの上下で発生するコンロッドの首振り角度が大きくなるために、シリンダー摺動における摩擦損失が大きくなり、振動も増幅する傾向にある。
火花伝播の面ではビッグボアエンジンは不利という本質も、高回転運転では燃焼室形状、ポート形状によって燃焼室内では激しい混合気の渦が発生しており、火炎の伝播は低回転時よりも断然に速やかに行う事が可能となり、ビッグボアエンジンであっても高回転運転においてはノッキング発生リスクが著しく低減するために、ビッグボアエンジンのノッキングリスクは低回転時のみに留まる。逆に、ロングストロークエンジンでは低回転でもノッキングが起こりづらいという特徴を持つのである。
このような特徴を踏まえた上で、各社が各々の持論に基づいて高効率なパワーユニットの在り方を模索しているのが現状と言える。
最近のトレンドとして理想の内燃機関として注目されているのが、表題の1500ccの３気筒ターボエンジンのようなダウンサイジングターボエンジンだけど、エンジンを極力コンパクトにして出力不足分を過給によって補う構造。排気量辺りから見ると非常に高出力なのが特徴で、これは現代の過給エンジンの大きな特徴である。昔のターボエンジンの常識からすれば考えられない程の高過給だろう。これは低回転域から十分な空気量を確保するための必然だからである。このコンセプトの登場時はＶＷのように低回転での過給不足を補うＳ／Ｃの併用例も見られたが、コンプレッサーの高効率化によるハイフロータービンが登場した今ではＳ／Ｃの併用は見られなくなっている。
単室容積を500cc程度にしたダウンサイジングターボエンジンの適用の現状を見ると、過給圧の設定によって比較的広いクラスを一つのパワーユニットでカバーするという傾向が伺える。昨今のダウンサイジングターボエンジンは2000ccで４気筒、1500cc以下で３〜４気筒の２パターンで、ほぼ全クラスをカバーしている。確かに、小排気量＋過給というパッケージは、高効率を実現する一つの手法のように見えるが、果たして、他の選択肢は無いのか？というと、もっと根幹の部分迄掘り下げて考えると、別の可能性もあるように思える。
機械というモノの本質に立ち返っていくと、基本的にはシステムや構造が複雑になる程、高い効率を維持するというのは、実は難しくなるのが道理である。
ダウンサイジング、小排気量、４気筒以下、ターボというシステム、確かに、エンジンの大きさを表す排気量、シリンダー数から見れば小型のエンジンとも捉える事は可能だけど、補機類の多さ、高過給に耐える構造等を含めて考えれば、決してシンプルアンドコンパクトとは言いきれない。気筒数が少ないことで生まれる振動や騒音等に対しては、バランサーシャフト等の補機も加わるのも事実である。
ダウンサイジングエンジン全体を否定する訳ではないが、用途、使途、クラスに応じて、適切な解が存在しているような気もする。条件に応じて使われ方が変わる訳で、その使われ方に応じてベストなエンジンスケールが決まってくる。最近のエンジンは効率の良い回転数のみを使って、速度はギア比で変えるという方向に進んでいるように見える。究極的には、発電機として定回転で運転し発電した電気を使ってモーターで走るというスタイルが、その方向の極致だけど、一般的なガソリンエンジン車においても無段変速機の普及、或いは、変速機の多段化というのがトレンドとなっている。しかし、実際には速度域の幅を比率で考えた時に、それを全て変速比で対応させると必要な駆動力は全域で確保するのは難しく、全ての速度域をギア比のみで対応させるのは不可能である。幅広い回転域で安定した力を取り出す事が出来るエンジンを使い、エンジンの回転域と変速比の幅を駆使するのが基本となる。シンプルという考え方に従えば、エンジンを高効率で運転出来る幅が広ければ広い程、必要な変速段数が少なくなるのである。
幅広い回転域を、少ない損失で運転するとなると、必然的に、相応の回転数での運転が求められるけど、先に述べたように、回転数が高い程、ノッキング等に対して寛容となることを併せれば、そのような運転域程、効率を追求した制御が容易となるのも事実である。
そのような高い運転域において問題となるのは、変動トルクによる抵抗損失であったり、一次、二次等の振動成分による損失が問題となるが、このような問題に対しては、構造的に本質的に低振動、低損失を望む構造を考える事が可能だ。
二輪車の例ならば一次振動を相殺させ、低速域における損失を最小と出来るような90°配置のＶツインエンジンが有名だけど、四輪車用の多気筒エンジンならば、完全バランスが売りで回転を上げる事が容易な直列６気筒エンジン等も優れた特性を有している。
用途、使途、クラス、カテゴリーに応じて、必ずしも気筒数の少ないダウンサイジングターボ以外にも様々な可能性があるのである。
もしかしたら、1000cc以下の小排気量であるならば、気筒数最小で振動を最小にしたＶツインエンジンでも対応可能かもしれない。また、過給圧を1.8barとかに高めた高過給のダウンサイジングターボを用いるくらいならば、滑らかに高回転運転が可能な直列６気筒のようなエンジンでも対応可能かもしれないのである。
個人的には、車という商品に、実用的な機能だけでなく、嗜好性の高い要素が占める割合が高くなるカテゴリーにおいては、気筒数の少ないダウンサイジングエンジンでは乗り越える事が不可能な、本質的な壁が問題となるようにも思える。
インプレ記事等を覗くと、1500cc３気筒ターボが驚異的に滑らかという記事を見付けることも出来るけど、同じ時代の技術によって3000cc直６エンジンが作られたとすれば、違う話となる可能性もあるのだ。
使途、用途、クラスに応じて、想定する回転数、出力レベルに応じて機械としてロスの少ない形態というのは、別個のスタイルとなる筈であり、物理構造として共通化したパワーユニットを使うよりも、論理形態を共用しながらも形態的には異なる形態のパワーユニットを使う方が、効率という面では高める事が出来ると考える方が道理に合っている筈だ。