Car-Lover's Blog: 直列6気筒エンジンが優れている理由メルセデスが直6を復活させたワケ BMWがこだわる根拠

2018年8月21日火曜日

直列6気筒エンジンが優れている理由メルセデスが直6を復活させたワケ BMWがこだわる根拠

1: 2018/08/20(月) 18:57:31.83 ID:CAP_USER

振動特性に優れる直列6気筒。しかしレスシリンダー化と衝突安全対策の観点などから、ひとり気を吐くBMWを除き自動車用としてはもはや絶滅危惧種──と思われるなか、ダイムラーが直6エンジンを復活させてきた。あらためて、このエンジンの特徴とねらいを考えてみる。

レシプロエンジンの性能を規定するのは、第一にシリンダー内径×行程、つまりボア／ストロークとそれによって決定される単室気筒容積である。特にガソリンエンジンの場合、シリンダー内径はプラグ点火の火炎伝播距離という制約から無闇に大きくすることは憚られるため、概ね100㎜が上限とされる。第二次大戦時の航空機用ガソリンエンジンには200㎜級の内径を持つものもあったけれど、航空機用エンジンはフェイルセーフの観点から２プラグが必須であること、常用エンジン回転数が2000rpm台に収まり、自動車用のように高回転を用いないから何とかなったのだろう。

　内径に制約があるからには、単室容積を大きくするには行程を上げる他ない。しかしこちらも同様に制約が発生する。同じ単室容積のまま内径を減らすと燃焼室がコンパクトになって冷却損失が減る代わり、吸排気弁の開口面積が減って混合気の吸入効率が悪くなる。また、行程を長く採ると単位時間クランク１回転あたりのピストン移動量が大きくなる。言い換えるとピストン速度が上昇して機械的抵抗が増すのだ。

　ロングストロークになればなるほど平均ピストン速度は上昇し、フリクションと機械的強度の点から高回転化が難しくなる。エンジンの出力は要約すれば単室容積あたりの実効トルク（排気量）×回転数であるから、高出力化するには気筒容積を増やすか、高回転化するしかなく、どちらの方法にも物理的な限界があるというわけだ。

　そこで、もうひとつの解法が登場する。気筒数を増やす方法だ。　

　単室容積500㏄／行程86㎜の単気筒エンジンを内径をそのままに行程を43㎜として250㏄×２気筒とすれば、平均ピストンスピードは半分になる。その分回転数を上げることで高出力となるし、内径×行程をそのままにして単に気筒数を増やせばこれまた出力は上がる。

　ガソリンエンジンの気筒単室容積には一種のセオリーがあって、概ね400～500㏄が抵抗と冷却損失のバランスがとれているとされる。それ故にエンジンの出力バリエーションを作るには、気筒数を増減することになる。世の２ℓ級エンジンがおしなべて４気筒となるのはそうした必然的理由がある。車格に応じて必要な出力が定まれば、あとは気筒数をどうするかーーーがエンジン設計の要諦となるのである。

■多気筒にするとクランクが長くなる

　カール・ベンツとゴットリープ・ダイムラーが作った世界最初の実用ガソリンエンジンは当然ながら単気筒。そこからエンジンの進化は多気筒化と同義であったといってよい。ただし多気筒化には紆余曲折があった。

　２気筒エンジンを作る際、誰でも思いつくのはクランクピンをふたつ並べた直列（並列）２気筒だ。ところが世界初の２気筒エンジンはV型だったのだ。しかもクランクピンだけでなく、コンロッドもひとつ。ひとつの大端部から二叉になってふたつの小端部とピストンを形成するV型としていた。なぜこんな面倒なことをしたかといえば、おそらくピンをふたつ持つクランクシャフトを作るのが困難だったからだ。クランクシャフトは自動車で最も強度と剛性が必要とされる部品であり、屈曲しながら両端は同一軸上に正確になければいけない。それほど精度が必要な部品を19世紀の技術水準で作るのは難しかったはずだ。

　直列方向に気筒数が増えれば、クランクシャフトはどんどん長くなる。長くなればピストンの上下動でクランクは曲げと捻り方向に複雑な応力を受けてのたうち回るようになる。折角高出力＆高回転のために多気筒化しても、クランク強度の問題で高回転化できなくなる。
　
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■ゴットリープ・ダイムラーが製作した多気筒エンジンは狭角V2だった。