MotoGPマシンにV4エンジンが採用される理由
目的がハッキリしているので、目指すべきベクトルがブレる事はありません。 仮に低速トルクが無くても、その分ピークパワーがあって、勝利につながるのであらばそれでOKです。 逆に、ピークパワーが無くても、低速トルクがある事でライダーが扱いやすく操縦性の良さがに繋がり、ストレートで置いて行かれても勝利できるのなら、良いエンジンと言えます。 とにかく勝利できるエンジンでなければなりません。 高出力＝良いエンジンとならないのが面白いところです。
- 1. エンジンに関係するMoto-GPレギュレーション抜粋
- 2. エンジンパワーは回転数で決まる
- 1. エンジンパワーを求める公式
- エンジンパワーを上げる為には
- エンジントルクアップの一例、DLCコーティング
- エンジン回転数UPはサンデーメカニックに難しい！
- デバイス1. 街乗り用バイクの場合は金属製バルブスプリング
- デバイス2. Pneumatic Valve Spring (PVS, PVRS)
- デバイス3. デスモドロミック機構 (DUCATI)
- 関係1. YZR-M１のクランクジャーナルは5つ
- 関係2. V型４気筒エンジンのクランクジャーナルは3つ
- 4ストロークエンジンの作動をおさらい
- 平均ピストンスピードの比較
- 平均ピストンスピードのまとめ
- 空力1. 空気抵抗を求める公式
- 空力2. 前面投影面積と、クランクシャフトの関係
- 空力3. ウィングレット時代、直４はさらに空力的に不利な状況！
1. エンジンに関係するMoto-GPレギュレーション抜粋
レギュレーション抜粋- 使用可能なエンジン数は年間７機
- 使用できるガソリンの量は22リットル/１レース
- 4ストロークエンジンのみ ※2stはNG
- 自然吸気エンジンのみ ※ターボエンジンはNG
- ガソリンの流量は毎分50L以下。
- 燃料圧力は10気圧以下。
- ピストンの最大ボア径は81mm以下。
- シリンダー数は最大４気筒。
- ピストン形状は円形に限る。 ※楕円ピストン禁止
- 使用するセンサーは公認の物でなければならない。
- ニューマチックは使用可能。
- 中空コンロッドは禁止。
- 排気量が800cc以下の場合、最低重量は150kg以上
- 排気量が801cc〜1000cの場合、最低重量は157kg以上
- ECUおよびソフトウェアは共通とする。
特に、 燃料量 、 最大ボ ア 、 気筒数 、 総排気量 が決まってくると、かなりエンジンの骨格が決まります。 各社のエンジン開発エンジニアにとってはライバルがどのようなスペックのエンジンを持っているのか？ およそ見当がついているのではないでしょうか。
2. エンジンパワーは回転数で決まる
1. エンジンパワーを求める公式トルク × 回転数 ÷ 716.2 ＝ エンジンパワー（PS）
例えばライバルのマシンのパワーを知りたい！ と思ったとしましょう。 もちろんエンジンスペックの詳細は各社トップシークレットですが、回転数は分かってしまいます。
エンジンパワーを上げる為には前述した式を見て分かる通り、 「トルクを増やす」 か、 「回転数を上げる」 、このどちらかが達成できればエンジンパワーは上がることになります。
エンジントルクアップの一例、DLCコーティング クランクシャフトに摩擦低減の特殊コーディング！エンジンの回転動力を発生させるクランクシャフトに、フリクションロス（摩擦損失）低減のコーティングを施すとエンジントルクを増加させる事ができる。＊DLCコーティング。Diamond Like Carbonの略
ピストンピンにもDLCが効果有り！ エンジン回転数UP はサンデーメカニックに難しい！が、エンジンの耐久性を犠牲にするパターンがほとんどなので、街乗りバイクのパワーアップ手法としてはオススメできません。
3. レーシングエンジンの回転数を上げるデバイス
デバイス1. 街乗り用バイクの場合は金属製バルブスプリング回転数を上げる事はパワーに直結しますから、どんなエンジニアもまず考えます。 しかし回転数を上げると、バルブスプリングの動きを制御する事が難しくなってきます。 バルブスプリングは、バルブがカムプロフィールに沿った位置を保持させるエネルギー源です。
- 素早くバルブを閉じれなくなる → バルブとピストンが当たって砕け散る。
- バルブを開く慣性スピードに負ける → バルブが必要以上に開き、ピストンと当たって砕け散る
- バルブスプリングがヒップホップを踊りだす → ラリっているので、勝手にバルブが開きやはり砕け散る
回転数を上げていくと、主にこの３つの問題と直面してきます。 もちろん、解決する方法はあります。 それは、バルブスプリングのバネ力を上げる事です。 言ってみれば硬〜いバネに変えてやればOKです。
でも…せっかく回転数を上げてパワーを出しても、硬いバネを縮める事にパワーを食われ、更にリフターとカムとの摩擦も増大しトルクを失い… ン？ 一体目的はなんだったの？？ となってしまいます。
- 回転数が上がり、パワーも得られる。
- バルブ駆動の信頼性が落ちるので、バネ反力の高いスプリングに交換しなければならない。
- 結果、得られたパワーと、失うトルクを天秤に掛けると、取り代が少ない。
こんなジレンマに陥ります。 その為MotoGPエンジンは、これらを両立させるデバイスを積んでいます!! ↓
デバイス2. Pneumatic Valve Spring (PVS, PVRS)量産エンジンに使われている金属のコイルスプリングの代わりに、 「圧縮空気バネ」 を使用しています。
このPVSシステムはこんなメリットがあります。 PVSのメリット- 高回転化で必要な高いバルブ反力は、エア圧を上昇させるだけで得られる為、省スペースである
- エア反力なので、固有振動数がなくバルブサージングを気にしなくても良い
- 金属スプリングではないので、往復運動部品が軽く、慣性重量が小さい
- 往復運動部品が軽いので、カムプロファイル、回転数が同じなら、フリクションロス(摩擦ロス)を低減できる。→トルクアップ
この中でも慣性重量が小さい事がさらなる相乗効果を引き出します。それはカムプロファイルを決める自由度が増えること。
バルブはガバっと一気に最大リフトまで開いて、しばらく開いたまま、今度は一気にバゴっと閉じたい生き物です。
バルブの動きのおさらい- バルブは開き始めると加速を開始！
- 最大リフト手前で急減速！
- 最大リフト地点で停止！
- 最大リスト地点からマイナス方向（戻る方向）へ急加速！
- バルブが閉じる手前で急減速！
- バルブが閉じて停止！
バルブを 開く為のカムプロファイル と、バルブを 閉じる為のカムプロファイル の２つが存在します。 一般的にあるバルブを閉じる為のスプリングがないことが最も大きな特徴です。
PVSは圧力関係に複雑なシステムと確認を要します。 デスモドロミックはロッカーアームなどの動弁系に複雑なシステムがあります。 現在は、どちらのシステムに優位性があるか、明確に判断しづらい時期と言えます。
デスモドロミックの場合は、多少コストが高いですが、 市販車に技術を展開できる ！という点はとても優れています。
Moto-GPの開発現場で培った技術を一般のライダーと共有できる喜びはデスモにしかありません。 PVSシステムを搭載した場合には、バイクの車体価格が◯千万円、200km走行毎にエアタンクをチャージしなければなりません。 とても実現不可能な技術です。
4. クランクピンとクランクジャーナルの関係
ここがV４エンジンと、直４エンジンとの決定的な大きな違いです。先ほどの、「トルク×回転数÷716」の式を頭の片隅に置きながら読んで下さい。
関係1. YZR-M１のクランクジャーナルは5つ 関係2. V型４気筒エンジンのクランクジャーナルは3つ 写真はDucati デスモセディッチ、ストラダーレのV４エンジンクランクシャフトです。 V4エンジンは、クランクジャーナルを直4エンジンに比べ 2箇所削減できる 事が大きなメリットです。先ほどの式を思い出して下さい。エンジンパワーを向上させるにはトルクを増加させる事が有効な手法です。 クランクシャフトは常にグルグルと高速回転しており、 しかも燃焼圧力を受け大きなトルク変動を受けながら、ピストンの往復運動を回転運動へと変換するすごいやつです。
その回転力を支えているのがクランクジャーナルです。クランクジャーナル数が多いと、摩擦損失部位も多い事を意味します。 当然少ない方が、多くの燃焼エネルギーを取り出すことが可能になります。
5. Ｖ型２気筒エンジンはどうなの？
レギュレーション上は、VツインエンジンでMoto-GPクラスへ参戦する事は可能です。 クランクジャーナルはV4エンジンより更に１つ少ない２ヶ所でフリクションロスも低減できる！ お！？なんだか良いカモ・・・・？ 残念！パワーが出せないので採用されません・・・。
んじゃ、なぜ回転数を上げられないのか？→ それは、 「平均ピストンスピード」 が大きく関係しています。 この４ストロークエンジンの作動模型を見て下さい。
4ストロークエンジンの作動をおさらい エンジンの作動原理模型だよ！ エンジンの4工程おさらい- 吸気行程・・・「ガソリンの気体」と「空気」を混ぜた混合気を吸い込む 図の黄色部分。
- 圧縮行程・・・混合気をムギュムギュ!!と小さく圧縮する。
- 燃焼行程・・・スパークプラグで着火して混合気を燃やす。
- 排気行程・・・燃えた排気ガスをエンジンの外に排出する。
１つ目は最もピストンの位置が高い時。ここを 上死点 （T.D.C）と言います。 ２つ目は最もピストンの位置が下がった時。ここを 下死点 （B.D.C）と言います。
この２箇所ではとても大きな慣性力が働きます。 クルマに例えるなら、スーパー急ブレーキを掛けたと思ったら今度はアクセル全開でバックを開始！！ と思ったらまたしてもスーパー急ブレーキ！！ と思ったら再びアクセル全開で急発進！！
こんな状態にピストンは置かれています。 いくら金属で作られているピストンでも、物理的な急ブレーキに耐えられる限界が存在します。 その耐えられる限界を決める指標として、 「平均ピストンスピード」 があります。
平均ピストンスピードの比較そこで、ピストンが動いた距離と回転数から速さを求めてやると、どのくらいの平均速度で運動しているかが分かります。 この 平均速度が速ければ速いほど、より急加速、より急減速を強いられる 事になります。
４気筒エンジンの平均ピストンスピード
平均ピストンスピードは23.68ｍ/sとなります。 ＊SUZUKI GSX-R1000はこのくらいです
２気筒エンジンの平均ピストンスピード
平均ピストンスピードは47.36ｍ/sです。
F1エンジンが3000cc V型10気筒、回転数制限無しの時代の平均ピストンスピードは26～30m/sの間にあったのではないか？と言われています。そんな中、V型２気筒エンジンではたった15000rpm回しただけで47m/sになってしまいます。 30を超えたら慣性力に各部品が耐えられず、エンジンはバラバラになってしまいます。
平均ピストンスピードのまとめ同じ排気量なら、多気筒の方が平均ピストンスピードを下げる事ができるため、高回転まで回しても壊れないエンジンを創る事ができる。
エンジン出力の公式「トルクｘ回転数 ÷ 716」より、回転数を上げられる多気筒エンジンの方がパワーを得る事ができる。
6. エンジンレイアウトと空力の関係
Moto-GPマシンは市販車より最高速が圧倒的に速い事は周知の事実です。 その要因は大きく２つあって、一つは圧倒的なエンジンパワーです。 お金を掛け、必要最低限の耐久性を満足した圧倒的なパワーをエンジンが生みだします。
「前面投影面積」と、「空気抵抗係数」です。
空力1. 空気抵抗を求める公式空気抵抗（D）＝ 1/2 × 空気密度(P) × 効力係数(Cd) × 前面投影面積(A) × 速度の二乗(v)
空力2. 前面投影面積と、クランクシャフトの関係- 上下方向の高さを低くする
- 左右方向の幅を小さくする
ウィングを装着すると必ず空気抵抗は増える ので、ストレートは遅くなります。 元々エンジン幅が広い所に、更にウィングで幅を広げてしまうとダブルパンチでストレートスピードをロスします。
7. 結論
ストレートスピードと、エンジン馬力が最も期待できるのはV型４気筒エンジンである！- クランクジャーナル数が少なくフリクションロスが小さい事。
- クランク幅が短い為、車体幅を小さくでき空力性能が良い事。
ただし、サーキットにおけるラップタイムの短縮へ直接的に結びつきません。 なぜなら、アクセル全開にできる区間はサーキット１周のほんの数十％しかなく、しかもトップスピードが上がった分、ブレーキング時間も長くなる為ストレートだけで短縮できるタイム幅はごくごく僅か。
その強敵R1を打ち破る相手は、やはり技術を持って対抗するHONDA CBRの姿をみたいですね〜！ 元古巣に居るメンバーには頑張って頂きたい!! と勝手にプレッシャーを掛けておきますw
Let's Fun! Ride! Run! Andy
デスモのバルブを閉じる方のタペットには、バネがあります。カムとタペットだけではエアタイトにならないからです。 ただしスプリングは通常のより相当弱いとは思いますが。 けん より:デバイス2. Pneumatic Valve Spring (PVS, PVRS) ピーニューマチックバルブスプリングと読みます。PVSとか、ニューマチックなどと呼ばれています。 と書かれていますが、 英語的には、ピーニューマチック ではなく、ニューマチック と思いますがいかがでしょうか。 バイクの世界では、ピーニューマチックがただしいのでしょうか。
ニューマチックが一般的に使われています。 ”ピー”を入れる方が正式ですが、通常使われる事はまずないですね。論文くらい？ 経済という言葉も正式には経世済民の言葉が略されたものです。 現代では誰も経世済民なんて言わないのと同じでしょうか・・・
SEROW より: 英語でもPneumaticの語頭のPは発音しない字(黙字)だと思います。 やまだ より:物凄い遅いコメントですがDLCについて DLCにコーティングは接触する物2点のうちどちらか1点にするのがセオリーだったような もしかしたら2019年現在は変わってるかも知れませんが数年前はそうでした ギア同士ならば片方のギアはDLCでもう片方のギアはWPCと言う感じです 両方DLCコーティングしてしまうとコーティングが剥げるらしいです
ホスィ より: 興味深く読ませて頂きました。 ところで、 『Pneumatic』の『P』は発音しません。 『ニューマチック』です。 そろそろデフオイル換えなきゃ より: そうですね。 ついでに言うとローマ字読み転写のチャンバーも そろそろ原音に近いチェンバーやチェインバーに メーカーもメディアにもしてもらいたものです。 とうふ より:いつも楽しい記事ありがとうございます。 今更かつ重箱の隅をつつくようで恐縮ですが、バルブスプリングの場合について疑問があります。 強いバネにすると確かに縮めるのに必要な力は増えます。でも、反対にバネを伸ばす際の力も増えるのでトータルではプラマイゼロなのでは？（もちろん多少のロスはありますが）と思うのですがいかがでしょうか。
とうふさん、コメントありがとうございます！ おっしゃる通りで運動量保存の法則がありますから、バネ単体で見た時には加える力と戻る力は同じになります。（空気抵抗などは無視とする） 回転力を奪われた後、回転力を増幅する力がイコールになるのか・・・？？ 実はならないんです(^^) 実はバネの特性が関係しているのですが、バネを10mm縮める為に必要な力はどんな状況でも同じです。バネレートが10kg/mmとしたら10mm縮めるには100kgのチカラが必要ですよね。 問題はどんなスピードで縮めるか？ が次の課題です。 10秒掛かるのか？ １分なのか？ 縮めるスピードによって仕事率が変わりますよね。つまり必要とする馬力が変わるのです。 逆に、スプリングが伸びる時は、スプリング自身のチカラしかありません。 どんなに瞬時にバネを縮めても戻る力とスピードは一定です。 このスピードは、エンジンの最高回転数+αに達しても不足しないように設定されています。 また、このスピードはカムプロフィールによっても異なります。 素早く短時間でスプリングを縮め、ゆっくり戻す。 こうなると奪われる損失が行きと帰りで異なります。（よりロスが大きい） 更に、エキゾースト側は開く瞬間は大きな摩擦ロスが生まれます。 と言うのも、ものすごく高圧になっている燃焼室は、全ての面積をつかって圧力を受け止めています。 モチロンバルブもしかり。 この強大な圧力を受けているバルブを押し開く訳ですから大きな力を必要とします。 当然、開く瞬間の摩擦ロスも大きくなります。 そして閉じる側はバネのチカラだけです。 まとめると ・圧縮スピードと伸縮スピードが異なる事でロスする。 ・Exバルブが受ける燃焼圧力によってロスする ・バネ力が熱エネルギーに変換されてしまい（発熱する）ロスする。 ・カムプロフィール（スピード）によってロスする。 このような代表的なロスが生まれるお陰で、プラマイゼロにはらないんです。 ご参考になれば幸いです☆(^^)/ Andy
DLC より:フリクションロスでチラリと触れられていたDLCコーティング、どの部品にするのが最もコスパを感じられるんでしょうね？それ以外にも色々なコーティングありますがDLCは飛び抜けて高いんで、 最も効果を感じられる場所、及び、長期間の走行でもコーティングが落ちにくく良いフィーリングが持続できる 箇所、というのが一般ライダーが施行する場合の指針になるのかなぁと。 もしそっち方面の情報をお持ちでしたら是非記事とかにして欲しいですね。
DLCさん コメント有難うございます！ コスパが最も良い部位は、カムシャフト、リフタ―等の動弁系です！ 理想を言えばギヤや回転体全てになりますが、仰る通りコストが高いのでどこで区切りをつけるかだと思います。 余裕があれば動弁系の次はミッションの歯面を行うと良いと思います。 耐久性に関しては・・・レースにおける耐久性は知っているのですが、量産車の使い勝手における耐久性がいかほどなのか、情報を持っておりません。 お役にたてず申し訳ありません。 コーティングや、表面処理について記事を書いてみようと思います。 参考になる意見を有難うございます！！
トルク より:理科が苦手な人間です。馬力とトルクの違いと関係がよく分かりません！ 低速トルクが～ 高回転で馬力が～ とよく雑誌とか書かれてますがイメージ出来ずピンと来ません。 その辺の解説もしてくれるとありがたいですm(_ _)m
トルクさん コメントありがとうございます！ トルクと馬力の関係、、確かに自分もなんだ？ と学生時代に疑問に思い先生に聞きに行った事を思い出しました。 承知しました！ 今後記事としてアップしたいと思います！ リクエストありがとうございます！
ホリさん より:過去記事もそうですが、とてもわかりやすく書かれていて参考になります 次回エンジンを開けるときはDLCコーティングを試してみようと思います 今後サーキット走行におけるサスセッティングの煮詰め方や車種によるライディングフォームの違いなど記事にしていただければ嬉しいです 今後のご活躍応援しています！
ホリさん コメントありがとうございます！ そういって頂けるとマジでテンション上がっちゃうのでヤル気スイッチが入ります！ ( ＾∀＾) サスセッティングの件、了解しました！ 来月には書きたいと思います☆ ふおーすV4 より:ス、スズキは・・・ 去年、今年の成績では無視ですか？ てか、エンジン形式は車体設計の自由度も関係しますし（V4は不自由ですよね）、メーカーのアイデンティティも関係する（ドカの直4は有り得ない）のでは？事実、スズキ直4に戻したのも市販車と関連付け出来ないというのも一因だと聞きましたよ。
ふおーすV4さん コメントありがとうございます。 SUZUKIのマシンに関する情報開示がほとんど無いので触れていません。 決してSUZUKIが嫌いとかダメとか言っているつもりはありませんのでご理解ください(=^・^=) まさにおっしゃる通りでエンジンパワーが全てではありません。どんなエンジン形式を採用したとしてもメリットとデメリットが存在します。 あとは技術とアイディアでメリットを伸ばしデメリットを小さくすることがエンジニアに求められる使命と言えます。 その中でレースは技術の開発、人材の育成、企業ブランドの構築など様々な側面を持ち合わせています。 何にどれくらい重きを置くかはメーカーそれぞれの判断がありますから、一概にコレが正しいと言う事は存在しません。 そしてなにより「ふおーすV4」さんのようなSUZUKIファンの期待に応える責務がSUZUKIにもあると強く思っています。 ファンあってのレースですしライダーあってのバイクメーカーですからね！ もっともっとトップ争いが多数のメーカーで占めてくれる方が、一レースファンとし面白いですし日本メーカーが多いほど嬉しいです♪♪ きっと技術開発スピードも早まる事でしょう。 そう言った事から、私個人的にSUZUKIのリザルトはまだまだ不満です！ 辛口意見になってしまいましたが、「日本のバイクメーカーってどこも全部すげーーんだぜ！！」 と思わせるところにまだ居ません。 しかしいきなりそこに到達する事はできませんし、徐々にリザルトも良くなってきていると思います。 もうあと二歩くらい進んで、毎戦トップ争いを展開して欲しいですね！！
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