【内燃機関】究極の省燃費エンジン：F1用ターボエンジン計算編 (2/3)

実在サイクル

実在サイクルの性能

NAエンジンの実在サイクル

NAエンジンのサイクルは非常に単純明快です。前章で” 理想熱サイクルと実在熱サイクル ” で述べたオットーサイクルの通りになり、排気量、圧縮比、燃焼温度から各工程の理論諸元を求めることができます。ただし実在サイクルの効率を左右する要素として下記のような損失も考える必要があります。

• 容積効率：実際の排気量よりも吸い込める空気量は少ないため、85~100%の値になる。トルクには影響するものの、直接熱効率には影響しない。
• 断熱圧縮効率：容積型のため、90%以上
• 冷却効率：発生熱量の15~40%が奪われ、簡易的には有効燃焼温度と圧力から差し引いて計算する
• ポンピングロス：吸気損失。0~5%以下
• フリクションロス：機械的損失で、エンジン単体では5%以下

冷却損失が最も大きい割合を占めます。また、直接定数として効率は示せないのが、理論最大圧力と実際最大圧力の比率です。点火直後の圧力は定容状態を仮定していますが、実際にはピストンは動いているため、かなりの差が生まれます。エンジンによっては最大圧力は図示サイクルの50%以下になることもあり、三次元燃焼場解析か試験で取得する方法が一般的です。

アトキンソン・ミラーサイクル

アトキンソンサイクルは圧縮行程と膨張行程で容積比が異なる特殊な機構を備えたエンジンです。これに対して構造が簡素なミラーサイクルとは吸気バルブを遅めに閉じて吸気の一部を圧縮させないことで、意図的に圧縮比を下げます。しかし今度膨張過程では排気バルブは通常のタイミングで開きます。これによって圧縮比よりも膨張比のほうが高い値を得ることができ、より効率的に膨張仕事の回収が可能となります。ターボエンジンでも採用が可能なため、最近ではミラーサイクルを謳わずとも意図的にバルブタイミングをずらして燃費重視のモードやパワー重量のモードを切り替える機種が増えています。

1. ①→②：下死点→圧縮行程 (オットーサイクルと同じ、あるいは圧縮比を下げる)
2. ②→③：上死点→点火 (オットーサイクルと同じ)
3. ③→④：燃焼→膨張 (オットーサイクルよりも高い膨張比)
4. ④→①：排気→掃気 (より多くの仕事量を発生)

かなり理想的な形状を描いてはいますが、④→①で圧縮時よりも更に膨張をさせることで、追加の仕事を行うことができるため、熱効率に優れます。

ミラーサイクルの燃費以外の使い方としては、吸気空気密度を減らすことができ、負圧を増やすことができるため吸気温度を下げるという効果が生まれます。これによってノッキング耐性が上がるため、より高い実効圧縮比を追求しやすくなり、効率面では理想的なサイクルと言えます。

(次のトヨタハイブリッドシステムTHSの紹介でアトキンソンサイクルと書かれていますが正確にはミラーサイクルです)

ターボエンジンのサイクル事例

ターボエンジンのサイクル計算ではエンジンの吸気はターボで過給された状態で考えます。また排気にはタービン排圧があるため、実質的には直列二段の圧縮機と排気タービンを備えたシステムとして考えることもできます。P-V/T-S線図で表すと下図のようになります。

1. ①→②：第一圧縮行程：ターボでブーストを発生させる工程
2. ②→③：：インタークーラーで冷却
3. ③→④：第二圧縮行程：エンジンの圧縮行程 (NAエンジンの①→②に相当)
4. ④→⑤：点火工程 (NAエンジンの②→③に相当)
5. ⑤→⑥：第一膨張行程：エンジンの膨張行程 (NAエンジンの③→④に相当)
6. ⑥→⑦：第二膨張行程：タービンで排ガスを膨張させる工程
7. ⑦→①：初期状態に戻る。⑦の状態はまだ排熱が残っているため、開サイクルになります。

ディーゼルエンジン

ディーゼルエンジンの理論サイクル効率はガソリンエンジンより少し優れる程度です。しかし実在サイクル効率はほとんどの場合ディーゼルエンジンが勝ります。この理由は一般的にディーゼルエンジンのうが圧縮比が高く、かつ実在効率が理論効率に近いためです。代表的な高速ディーゼル機関のサバテサイクルを見てみましょう。点線のオットーサイクルに対して、多めに仕事ができることが分かります。また、ピーク圧力が非常に尖った形のオットーサイクルに比べると、少し滑らかでガスが追従しやすいサイクルになっています。

現在は姿を消してしまいましたが、10年ほど前まではル・マンにおいて連戦連勝で最強を誇ったアウディもディーゼルを採用していました。他のレースに先駆けて燃料総量規制が導入されていたル・マンでは、この当時は燃費性能に優れるディーゼルが有利だったのです。レーシングディーゼルの開発がストップしてしまった現代ではF1に抜かれてしまいましたが、当時50%近い熱効率は熱機関としは驚異的なものでした。

ディーゼルエンジン最後の世代となるアウディR18の音です。一般的なレーシングカーのイメージとは異なり、ほとんどタービン音と風切り音しか聞こえません。排気音がしないのは、排気エネルギーの回収効率の高さが成し得る所業で独特の存在感があります。

熱効率の比較：具体例

代表的なエンジンサイクルを紹介したところで、実際のそれぞれのF1エンジンの事例を見てみましょう。それぞれの推定諸元と得られる結果を計算してみました。ここでは図示効率しか見ていないため、実際には冷却損失を始めとした様々な損失があり、更に数割ほど出力を上乗せする必要があります。

定数 (全ケース固定)：

3.0L NAエンジン

入力諸元：

オットーサイクルの教科書通りのサイクルです。縦軸は対数目盛にしています。

計算結果：

A/F =13.2と言うとガソリンエンジンとしては相当高いA/Fで、通常であれば11~12程度までしか上げられません。また、図示燃焼室圧力は実際は半分程度と考えられます。諸々の損失を考えると実際には700~800馬力程度と、公表値とも近い値になります。燃費にそれほど気を遣っていないNAエンジンでも、損失は非常に小さく、図示効率の8割程発揮できていそうです。

また、排気圧力は全圧で示していますが圧力効率と冷却損失があるため、200kPa以上はNAでは考えにくい値となります。仮に圧力損失がない場合でも、大部分は動圧と考えることができるでしょう。

ターボエンジン：1.5L時代と現代

1.5Lの諸元が色々とおかしなことになっていますが、図示熱効率は31%程度と2020年の1.6Lエンジンにかなり劣ることが分かります。またタービン出口圧力772kPaは高すぎるため、エンジン内の圧力損失の加味が必要です。一方でタービン入口温度は1000℃程度、燃焼室圧は30MPaとも記録されているため、大きくは外れていないように思われます。

一方で2020年の1.6LではA/F=20以上と、現実的には考えにくい諸元設定をしているため、果たして本当にこのような使い方が可能なのかは疑問です。より現実的な諸元にするためにはA/Fを下げるか、圧縮比を下げるか、、しかしそれでは公表されている燃費の達成は難しそうです。

過給ミラーサイクルエンジン

先程のターボエンジンサイクルを見ると、2020年1.6Lエンジンはパワーはともかく、熱効率はあまりにも無理のスペックのように思います。果たして公表値はウソなのでしょうか？

それでは、もし2020年エンジンがミラーサイクルエンジンだった場合はどうでしょう。

NA車の場合は吸込み圧力が低下するためパワー低下のデメリットがありますが、ターボでは関係ありません。圧力低下した分過給してやれば済むので好きなだけ吸気量を減らすことができ、飛躍的に熱効率を高めることが可能となります。

図示面積を見ると仕事量が増えていることが分かります。最大図示燃焼室圧力は40MPaに抑えられているにも関わらず、同等以上のパワーを発揮しかつ熱効率にも優れることが分かります。

燃焼室圧は公表値の30~35MPaと比べてもかなり近くなり、各種諸元の整合が取れました。なかなかの諸元ですが、作れなくはないようです。近年人気が増しているスーパーリーンバーンは燃焼室温度を下げ、冷却損失を軽減するのが狙いですが、やりすぎた場合は図示熱効率が低下することも分かります。またあまりに希薄な混合比では着火が難しく実現性がありません。

更にはノッキングを抑えるためにはある程度圧縮比を妥協する必要があり、ターボエンジンでこのような水準の圧縮は通常は困難です。しかしF1エンジンはノッキングとも着火性ともほぼ無縁のジェットイグニッション方式を採用しています。F1や一部のレースカーのみが採用するこの点火方式については次回、(3/3)解説編で説明をしたいと思います。

燃費性能の指標：BSFC g/kWhについて

よく燃費を評価する指標として、km/lが用いられます。しかし本当にこの単位は正しいのでしょうか？20tの荷物を積載できる4km/lの燃費のトラックと、1tの荷物を積積できる20km/lの乗用車では燃費に優れるのはどちらでしょうか？

従って車両で見た場合は、kWh/kg kmが正しい燃費になります。またエンジン単体で見た場合はkg/kWhです。燃料が同一の場合1kgあたりの発熱量は同じため、1kWhを発生させるために何kgの燃料が必要か？を表す単位になります。これをBrake Specific Fuel Consumption (BSFC)　と呼び、単位はkg/kWh、g/kWhです。値が低いほど理想的です。

ガソリンの発熱量はおおよそ44MJ/kg = 12.22kWh/kg のため、熱効率100%のBSFCは81g/kWhになります。一般的なエンジンの数値は大体下の表のような値になります。

燃費エンジンとパワーエンジン

ハイブリッドパワートレインシステム

ハイブリッドシステム搭載のメリット

現代のF1のエンジンの熱効率は50%以上、、、ただしここで考えるべきことは、あくまで”エンジン単体での燃費、熱効率”です。仮に常に全負荷運転をする場合、回生をする機会がないため、ハイブリッドであろうとなかろうと燃費は変わりません。

レーシングカーは激しい加減速を繰り返すため、実は非常にハイブリッドシステムとの相性に優れています。ハイブリットの効果を最大限活用しているのがWEC/ル・マンですが、F1でも一周当たり4MJのエネルギー回収が許可されており、バッテリー容量に換算すると1.1kWhほどです。MGU-K及びMGU-Hにフルパワーを分配すると20秒足らずでバッテリーが枯渇してしまうため、容量は非常に小さいと思われがちですが、実はプリウスなどの一般的なハイブリッド車程度のバッテリー容量を持っています。

MGU-Kは120kWの出力が得られるため加速やオーバーテイクの際には多用され、燃費改善にもよく寄与します。1周あたりのタイムはコースによってマチマチですが、1~2分程度のため、その内10~20sの間120kWものパワーを追加できるのはタイム上大きなメリットになります。

性能差

4MJのハイブリッドシステムを搭載する場合と搭載しない場合どれぐらい動力性能に差がでるのか、見てみましょう。仮に下記のような条件で、毎週MGU-Kのアシストが得られると仮定します。また、実際にはハイブリッドシステム搭載で車体重量は増えますが、レギュレーションで最低車重も決められています。重量増の影響も見てみましょう

実際にはブレーキ中やコーナリング中はエンジンはほとんど出力を発生させていません。また、最高出力回転数に達するまでに時間を要するため、実際のレース中の平均出力は最高出力よりも低くなります。仮にレースを1時間30分と仮定した場合、燃料流量からエンジンの平均出力を算出すると下記のようになります：

搭載燃料：\( 110L \times 0.76kg/L = 84kg \)

平均燃料流量： \( 84kg \div 90 \div 60=0.0156kg/s \)

平均出力: 燃料流量/BSFC: \( 15.6 g/s \div 160 g/kWh \times 3600 = 351kW \)

さて、ここでの前提を元にパワーウェイトレシオにどれぐらい影響があるか見てみましょう。

重量増無しの場合は10%近いパワーウェイトレシオの改善が見られました。また、現実的な重量増を考えてもパワーウェイトレシオへの影響はありません。また平均ではなく、瞬間最大出力で見ると、8.5%も加速力が向上しています。そして燃費は実質的にはほとんど性能ペナルティなしで7%もの燃費改善が可能であることがわかりました。ハイブリッドの優位性は明白なようです。ただ、期待していたほどではない、、、と感じる方もいるかもしれません。

実際のサーキットのタイムは平均パワーウェイトレシオではなく、コーナー脱出の瞬間加速やトップスピードに到達するまでの時間が大きく影響するため、平均値だけでポテンシャルを図ることはできません。しかしMGU-Kだけでの性能向上では現代のF1が達成しているタイムはスピードは難しいものがあります。

ハイブリッドシステムとターボエンジンの真価

減速時に回収したエネルギーはバッテリーで回収できますが、この電力を駆動輪に直接伝えるMGU-Kと異なるターボチャージャーにアシストすることで、ターボラグを消し去ることができるのがMGU-Hです。

一瞬にしてブーストを得ることができると共に、直接駆動動力を車輪に伝えるよりもより遥かに大きなパワーを発生させることができます。MGU-Hの秘密はここにあります。せいぜい元々がシステム出力が１MW近くある総合出力に対して120kWのアシストでは1割り程度の差にはなりません。しかし100kW~200kWの出力のターボチャージャーに数十kWのアシストをすることで、直接吸い込み空気量を増やすことができ、飛躍的にパワーを上げることができます。さらにはコンプレッサ動力が必要しない時にはMGU-Hを発電機として使うことでタービン動力を回収することができます。

パワーを得るためにMGU-Hに電力を回すか、燃費を改善するためにMGU-Kへ電力を回すか。このエネルギーマネジメントが近年のF1のレースストラテジーかなり重要な部分となっていて、小規模なチームの勝利を難しくしている一員とも言われています。

2014年当時に公開された試作品の外観です(現在は少し方式が変わっています)。見た目はターボを分割して間にモーターを入れたような比較的簡素な構造のものですが、14万rpmで回転し、100~200kWの動力を発生させることを考えると開発の難易度を伺うことができます。

ターボシャフトエンジンや排気ガス回収タービンについては下の記事でも書いているので、是非とも読んでみてくださいね。

【ターボ機械シリーズ①】 ジェットエンジン、ターボファンエンジンの仕組み、ファンの直径と効率の関係。ターボ機械とは？ターボ機械の種類と代表例であるターボファンについて解説。第一回。初回は大口径化するターボファン、ジェットエンジンについて見ていきます。...

本日も読んで頂きありがとうございました！過給エンジンとF1のエンジンが作動する環境、ガソリンエンジンの性能計算の方法についていかがでしたか？

次回最終回はもう少しコンポーネントに着目した解説記事にしたいと思っているので、楽しみにしていてください。それではまた次回お会いしましょう！

追記

記事を書いた後にレッドブルホンダが優勝、新規レギュレーション適用となったことで様々なスペックが公開されました！後日、圧縮比はレギュレーションぎりぎりの18に達していることが明らかとなってきたため、恐らくこの記事で推定しているよりも更にアグレッシブなスペックとなっていることが予想されます。既に一部情報が陳腐化してしまっていて申し訳ありませんが、新レギュレーションが出た際には再び新しい記事に着手していけたらなと思っています！

第三回：エンジン詳細はこちらから！

【内燃機関】究極の省燃費エンジン：F1用ターボエンジン解説編 (3/3)F1エンジンの解説第二回の計算から得られた諸元を実現するにはどのような部品が必要なのでしょうか？第三回ではそれぞれの部品の形状や役割について見ていきます。...

参考・クレジット

https://daydaynews.cc/en/car/960712.html

http://mccabism.blogspot.com/2015/09/bmws-f1-rocket-fuel-and-aromatic.html

https://www.f1technical.net/f1db/cars/897/toyota-tf106

https://car.motor-fan.jp/tech/10015879

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