スーパーチャージャーを使わずにエンジンに入る空気を過給する方法

Sep 11, 2023

新しいメルセデス・ベンツ 300SL ガルウィングのボンネットを開けることは、1950 年代のほとんどの愛好家にとってかなりの経験だったに違いありません。 まず、3.0リッター直列6気筒エンジンは50度の角度で傾けられていた。 塊の上には、キャブレターのない巨大な鋳造アルミニウムのインテークマニホールドが見えます。 ガルウィングの長い吸気ランナーは、当時使用されていた他のものとは異なって見え、高性能内燃エンジンの先導役として機能しました。

車の吸気マニホールドでは、空気が大気圧で流入し、猛スピードで吸気バルブに向かって勢いよく流れ込みます。 しかし、吸気バルブが完全に閉じると、勢いよく流れ込む空気が行き止まりに達し、事実上跳ね返り、圧力波が発生します。 この波の周波数とバルブのタイミングを適切に調整すると、この圧力波が吸気バルブの開口部に向かって向かうようになります。 これにより、燃焼室に向かう空気が大気圧を超えて加圧されるようになります。 この圧力は 1 トンも高くありませんが、「過給」効果を生み出し、ヘッドの体積効率を向上させるには十分です。

短いインテークランナーを使用すると、吸気バルブでの圧力波が高周波で往復し、エンジンの回転数が上昇すると過給効果が得られます。 ランナーが長いと、圧力波はより遠くまで伝わる必要があり、より低い周波数の空気パルスが生成されます。

「基本的に、長くするとローエンドのパワーが増し、短くするとハイエンドのパワーが増します」と長年BMWと欧州車のチューナー兼レースエンジニアを務めているスティーブ・ディナン氏は言う。 「その理由は、回転数が高くなると、（加圧空気のパルスが急速に閉じるバルブに到達するまでの）時間が短くなるからです。そのため、パルスがそこに到達できるように、インテークマニホールドを短くする必要があります。」 Autozine によると、300SL のランナーは長い間ローエンドのパワーをサポートしていました。 （これはメルセデスの大型セダンの 3.0 リッター「シックス」を改造したものであり、高回転レースで育ったスクリーマーではないことを思い出してください。）

より広い範囲のエンジン回転数にわたって過給効果を利用したい場合は、理想的には異なる長さのインテーク ランナーが必要です。 メルセデスは 50 年代に可変長インテーク マニホールド システムの特許を取得し、1966 年 5 月発行の Road & Track では、数多くの実験的な可変長インテーク システムについて詳しく説明しました。 しかし、自動車メーカーが可変長インテークマニホールドを使用し始めたのは 80 年代になってからでした。

初期の優れた例は、ポルシェ 928 S4 です。 3500 rpm 未満では、5.0 リッター V-8 エンジンがより長い吸気管を通って供給されました。 3500 rpm を超えると、スロットル位置に応じて、真空作動のバタフライ バルブが開き、エンジンはより短い経路で呼吸します。 これにより、928 S4 には 2700 rpm から 4500 rpm の間で少なくとも 300 lb-ft のトルクが得られました。 ポルシェは964世代の911でも同様のことを行いましたが、異なる長さのランナーを使用する代わりに、どちらかのシリンダーバンクの上のプレナムを接続する異なる直径のパイプを使用しました。 これらのパイプはさまざまな共鳴を生成し、パワーバンドのさまざまなポイントで出力を増加させるのに役立ちました。

空冷フラット 6 の最後のバージョンの 1 つとして、1996 911 カレラには、ポルシェの共鳴システムと異なる長さのパイプを組み合わせた、ヴァリオラムと呼ばれる新しい吸気システムが採用されました。 これにより、エンジンに 3 つの異なる吸気モードが提供されました。 5000 rpm 未満では、エンジンは長いパイプを通して呼吸します。 5000 rpm を超えると、エンジンは短いパイプに切り替わり、バルブが開いて共鳴システムを満たすようになります。 5800 rpm を超えると、共振システムが開き、シリンダーにさらに多くの空気を供給します。 ポール・フレールが彼のトーテム的なポルシェ 911 ストーリーで指摘したように、バリオラムは中速域で大幅なトルクブーストを提供しましたが、システムは複雑でした。 ポルシェは水冷フラット6への切り替えとともにヴァリオラムを放棄した。 996 世代と 997 世代の 911 および 986 世代と 987 世代のボクスター/ケイマンに登場した M96 と M97 フラットシックスは、2 つのプレナムを接続する長さの異なる 2 本のパイプだけを備えた共鳴吸気システムを使用していました。

フェラーリは、90 年代のエンジンで同様のソリューションを利用しました。 たとえば、この作品の上部に V-12 が描かれている 550 マラネッロでは、各シリンダーの吸気管を効果的に長くする 12 個のバタフライ バルブを備えたシステムが使用されています。 今日に至るまで、フェラーリは V-12 に同様のシステムを使用しています。 特にハイライトとなるのは、ラフェラーリの連続可変長インテークです。これは、ピニオン ギア システムを使用してインテーク ランナーの長さをさまざまに変えることができます。 エキゾチカだけではありません。 フォードの 2.5 リッター Duratec V-6 は長いパイプと短いパイプのセットを備えたシステムを備えていましたが、ホンダは長年にわたって可変長のインテークを使用していました。 2000 年代初頭に同社の大型車で使用されていた BMW の N62 V-8 にも、連続可変吸気システムが搭載されていました。

おそらく最も壮観なシステムは、マツダの 4 ローター R26 でレースに導入されました。 ロータリー エンジンは低速トルクをあまり発生させず、パワーのほとんどを高回転で発生させます。 マツダは、4つの吸気トランペットの長さを変更して、一種の吸気トロンボーンに変えることができるワイルドなシステムを考案しました。 787B のエンジンは、9000 rpm で 690 馬力、6000 rpm で 448 lb-ft のトルクを発生し、その優れた燃費により、1991 年にマツダに最初で唯一のル・マン勝利をもたらしました。

これらの共鳴吸気システムに排気を組み合わせることもできます。 エンジンから排出された空気が排気コレクターに到達すると、低圧領域が形成されます。 ディナン氏は、空気が排気一次管を通って排気バルブを通って戻るときにこの負圧が上昇すると説明します。 排気バルブが開いて吸気バルブが閉じるときに、バルブのオーバーラップが少しある場合は、その排気パルスを利用してより多くの空気をシリンダーに引き込むことができます。

「その負の圧力波は排気バルブを通って吸気ランナーの端まで上昇し、負圧の領域を作り出し、空気の流れを効率 100% 以上に高めます」とディナン氏は言います。

1966 年 5 月の前述の記事では、可変長排気マニホールドの詳細なコンセプトを発表しましたが、排気マニホールドは高温であり、その環境では機械システムが機能しないため、何も作成されませんでした。 ただし、可変カム タイミングを使用すると、バルブ オーバーラップのタイミングを調整して、必要なときに負の圧力波が吸気バルブに到達するようにすることができます。

ディナン氏は、自然吸気エンジンではこの波動効果は便利だが、ターボチャージャーの時代では過給圧を上げると体積効率が大幅に向上するため、ほとんど無意味であると指摘する。 それでも、自動車メーカーが吸気系をチューニングしている例はいくつかある。 たとえば、新しいコルベット Z06 には、各シリンダー バンクにプレナムがあり、それぞれが独自のバタフライ バルブを備えた 3 つのパイプを介して接続されています。 これらのバルブは、エンジン速度、ドライブモード、スロットル位置に応じてさまざまな組み合わせで開閉し、LT6 に強力な低中速トルクを与え、8600 rpm のレッドラインまでしっかりとチャージします。

以前のメルセデス ガルウィングと同様に、このシステムは見た目も素晴らしく、実際に動作すると信じられないほど素晴らしいものです。

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