【自動車用語辞典:吸排気系「可変吸気システム」】吸気ポートを切り換えて広いトルクバンドを実現する仕組み

■トルク特性の異なる2つの吸気ポートを切り替えて使う

●トルクの谷を作らないことが課題

可変吸気システムは、細くて長い低速トルク型の吸気ポートと、太くて短い高速トルク型の吸気ポートをエンジン回転に応じて切り替えて、広い回転域で高トルクを実現するシステムです。

一部の車種で採用している可変吸気システムの仕組みと効果について、解説していきます。

●吸気の脈度を利用したトルク向上

エンジンのトルクを向上するためには、吸入空気量を増やす、充填効率を高めることが最も効果的です。吸気流れの動特性を利用して充填効率を上げる手法として、慣性効果と脈動効果があります。

慣性効果は、吸気の慣性力を利用してより多くの空気をシリンダー内に押し込む方法です。一方の脈動効果は、吸気系で発生する吸気脈動を利用する方法ですが、慣性効果に比べると効果は小さく、実用的ではありません。

したがって、吸気系のチューニングは慣性効果を最大限発揮するように設計しています。

吸気マニホールド
吸気マニホールドの模式図
吸気の慣性効果
ピストンが下死点を過ぎても空気は入ってくる。これを慣性効果と呼ぶ

●慣性効果とは

吸入行程で、ピストンが下降し始めると空気がシリンダー内に入ってきます。気柱の慣性によって、空気はピストンが下死点を過ぎて上昇し始めてもまだ入ってくるので、吸気ポート内の正の圧力が最も高くなった(空気の密度が高い)時に、吸気弁を閉じます。

吸気弁が開いているときは、吸気ポート内の圧力とシリンダー内の圧力は同じです。吸気ポート内圧が最も高いときに吸気弁を閉じるということは、シリンダー内の圧力が最も高い、多くの空気をシリンダー内に閉じ込めることに他なりません。

このとき、充填効率は最大になり、条件によっては充填効率が100%を超えることもあります。

●吸気マニホールドの最適化

慣性効果を最大限利用するためには、吸気マニホールドはどのような仕様にすべきでしょうか。

吸気マニホールドは、シリンダーが共鳴器で吸気ポートが連通管で構成される「ヘルムホルツの共鳴器」と考えることができ、吸気行程1サイクルで共鳴現象が成立する条件で慣性効果が発揮されます。慣性効果を発揮するエンジン回転速度Nは、以下のように表されます。

N = cθ/12π x √(S/VL)
(c:音速、θ:吸気弁の作動角、S:連通管(吸気ポート)面積、V:共鳴室(シリンダー容積)、L:連通管(吸気ポート)長さ)

以上より、慣性効果が発生するエンジン回転数は吸気ポート径に比例し、長さの平方根に反比例し、またシリンダー容積の平方根に反比例することが分かります。

●可変吸気システムの何が良いのか?

慣性効果を活用したエンジンのトルクカーブは、共鳴が発生する特定回転数でピークが発生するピーキーなトルクカーブになります。吸気ポートを細く長くすれば低速トルク型エンジン、吸気ポートを太く短くすれば高速トルク型エンジンになります。

可変吸気システムは、低速トルク型吸気ポートと高速トルク型吸気ポートを組み合わせて、広い回転域で高トルクを実現します。最もシンプルな方法は、低速トルク型の細くて長い吸気ポートと高速トルク型の太くて短い吸気ポートを、エンジン回転に応じて経路を切り替える方法です。

●トルクの谷

可変吸気システムによって低速トルク型吸気ポートと高速トルク型吸気ポートを組み合わせると、中速域でトルクの谷が発生しやすくなります。トルクの谷は、加速が一時的に鈍くなるのでドライバーにとっては、不快なフィーリングとなります。

この場合、トルクの谷を極力解消してフラットなトルク特性になるように、吸気系全体でチューニングすることが重要です。

可変吸気システム
細く長い吸気ポートと太く短い吸気ポートを回転数で切り替える
トルクの谷
吸気ポートを組み合わせると、切り替え点にトルクの谷ができやすい

可変吸気システムは、1980年代から各メーカーがさまざまな方法で実用化しています。最近は、4気筒エンジンではなく、6気筒エンジンの採用例が多いです。

(Mr.ソラン)