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スバルの新世代・水平対向4気筒エンジン 第3報

Funit.jpg
↑FB20型。オイルフィラー、レベルゲージ、オイルカートリッジの位置に注意


 このほどスバルの新世代エンジンに関する技術説明が行われ、ほぼその全容が明らかになった。まずエンジン型式名は、FB型と発表。したがって、北米用の2.5LはFB25型、日本でメインになる2.0LはFB20型となる。
 FB20のボア・ストロークは、84.0×90.0mm、FB25は94.0×90.0mm。ボアピッチは98.4mmで、EZ系(6気筒)、EE系(ターボディーゼル)と同じ生産ラインで流されることが分かる。とはいえ、FB型のエンジンの骨格、部品は新設計である。

基本諸元

 開発のコンセプトは、ストレスなく高回転域まで吹け上がるというボクサーエンジンの特徴はそのままに、燃焼効率を高めることで環境性能の引き上げと扱いやすさの向上を狙ったという。「え? 今の時代に高回転まで狙っているの?」という気がしないでもないないが、実際には6000回転+アルファが最高許容回転数だろう。
 具体的な開発の狙いは燃焼効率(燃焼速度)のアップと、平均有効圧力の向上=摩擦抵抗の低減をメインに、低中速トルクとレスポンスを高めることで扱いやすさ、ドライバビリティをを高めることだ。
 
 そのため90mmというストロークを選定し、FB20ではロングストロークに、FB25はわずかにオーバースクエアとなっている。もちろんロングストローク化そのものが目的というより、燃焼室径をより小さくし、あわせてバルブ挟み角を狭めることで超コンパクトペントルーフ型燃焼室にし、燃焼速度を高めているわけだ。
 バルブ挟み角は最終型のEJ20(DOHC)との比較で41度→27度と大幅に縮小。吸排気のカム芯間距離は126mm→104mmと限界まで攻めている。ちなみに最初期のEJ20はクラス最高の出力を狙ったスポーツエンジンとされ、バルブ挟み角は意図的に52度と広く、ビッグボアを前提にバルブ面積の拡大とストレートポートを追求した、本格的な高出力・高回転型エンジンだった。FB型と比べるとまさに隔世の感がある。

chamber.jpg

 なお構造的にはシリンダーヘッド部とカムキャリアは分離式とされ、生産性、整備性が高められている。
 カム駆動はチェーン式となり、補機は1本ベルトで駆動される。もっともチェーン駆動としたため、エンジンフロントカバーはアルミ鋳造製となっている。なおチェーン潤滑はオイルパン一体式である。
 FB20はレギュラーガソリン仕様のため、圧縮比は10.5。ピストン頭部は浅皿形状になっている。動弁は、摩擦抵抗を減らすために、従来のダイレクト式からローラロッカーアーム式に変更。

crown.jpg

 なお、バルブ挟み角を狭めると燃焼室形状はコンパクトになり優れた形になるが、その一方で吸気ポート形状が苦しくなる。レース用であればストレートポート、ストレートインテークマニホールドも可能であるが、幅と高さに制限がある乗用車のエンジンルームではポートを含め大きな角度で曲げざるを得ない。
 高出力と低速トルクを両立させるためにはポート形状、吸気をどのようにするかが大きな問題であり、そのひとつの解が可変バルブリフト機構である。しかしFB型エンジンは従来から使用実績のあるTGVを選択した。ポート図のように、ポート側にもTGV用の隔壁を設け、低速時にはTGVを閉じ、吸気を容積の狭い隔壁上部に流すことで吸気流速を高め、なおかつピストン頭部の形状に合わせて縦渦を生成し、均一な混合気を作ることができるようにしているのだ。

port.jpg

chead.jpg

crank2.jpg

 低負荷走行時には従来より大量のEGR(再循環排気ガス)を導入するため、着火性を高めるためにもTGVは採用される。大量EGRの導入は、低負荷走行時にスロットル開度を大きくし、ポンピング損失を低減させる狙いだ。
 ユニークなことにEGRの体積効率を高めるために、ディーゼルエンジンのようなEGRクーラーを装備する。おそらくガソリンエンジンでは他に例を見ないと思う。ただディーゼル用のEGRクーラーは冷却コアを持つ本格的なインタークーラー方式が多いが、水平対向エンジンの場合はエンジン後部上面に左右のシリンダーブロックを接続する流水路を装備するため、FB型はここの内部パイプにEGRを流すことで冷却する水冷式EGRクーラーとしているのだ。

egr.jpg

 
 吸排気カムにはそれぞれAVCS(可変バルブタイミング機構)を装備する。従来は吸気側だけであったが今回から吸排気両方に装備し、高膨張比的な運転も行うことができる。そのため、吸気側のAVCSは油圧式としては初の中間点ロック式とした。従来の油圧式はエンジン停止時には片側ロックとなっていたが、中間ロック式ではエンジン停止時に中間位置で止まり、再始動時には状況に合わせて遅角側に作動させることも可能になり、早閉じ、遅閉じのいずれもできる。
 排気マニホールドも新設計となり等長エキゾーストマニホールドの集合部の体積を減らし、さらにその直下に触媒を配置し、始動時の熱損失を少なくして触媒活性化を早めている。なお燃焼改善により有害物質の発生量も少なくなっているため、触媒の貴金属容量は30%減、触媒コストは半減しているという。
 
 冷却面では、燃焼室周囲をじゅうぶんに冷却する一方でシリンダーブロック部分は高温を維持する2系統冷却を採用。さらにボトムバイパス通路も新設して暖気の促進をはかりシリンダー部の摩擦抵抗低減と冷却損失の低減の両立をはかっている。
 摩擦抵抗を減らすために、ボアは真円加工、すなわちボアのボーリング時にはダミーヘッドを組み付け、スタッドボルト軸力を加えた上で加工する。欧州の高級車のエンジンの手法だが、近年は摩擦抵抗を一段と減らすために、日産マーチ用エンジンでも採用されている。
 ピストン、コンロッドも従来レベルより約20%軽量化された。またバルブ駆動がローラーロッカーアーム式にしたり、オイルポンプのリリーフ圧を低める2段リリーフなどによっても摩擦抵抗を低減している。
 エンジン重量は、アルミ鋳造フロントカバー、AVCSの4個装備などにより従来のEJ20型より少し重くなっている。
 
 FB型の性能は、燃費が約10%、加速性能は約3%、アクセル開度が少ない状態での加速、つまり実用域での加速でレスポンス、加速感の向上が実現しているという。
 なお今回発表されたFB型は自然吸気に特化したチューニングが行われているのだが、レギュラーガソリン仕様とはいえ、出力はやや物足りない気がする。逆に出力を抑えるのであればより低回転化してもよかったのに。
 もちろん今後の展開としては、シリンダーヘッド、ピストンやコンロッドなどを専用設計することでターボ化、直噴化が可能になると考えられる。
 このエンジンは今後10年間といったスパンでのスバルを支えるエンジンの原型といえる。将来的にはダウンサイジングコンセプトも考慮されているようだが、それを実現するにはしばらく時間を要すると思われる。

コメント

非公開コメント

No title

クールEGRですが、マツダはEGRパイプの途中で銅製のヒートイクス
チェンジャーがありクーラントを回りに流してクールEGRとしています。
もともとEGRで燃費を稼ぐのはマツダが先頭をきってはじめたもので
ダイリューテッドEGRと呼称していました。
トヨタは主力エンジンZRシリーズ1.6-2.0L、AZシリーズの2-2.4Lの
全てでEGR経路をサーモスタットハウジングと一体化したクーラント
ジャケットに鋳込んでおり、これも大容量EGRバルブでインテークに
送って居ます。ハイブリッド車ではさらにコアの入ったヒートイクス
チェンジャーになっていてEGRパイプも太くなっています。
その他のメーカーの最新のエンジンでは殆どEGR経路をクーラントで冷やす
ようになっています。通常の定速度走行時ではバルブタイミングを遅く
振ってクールEGRを食わせるのは国内外を問わず定石になりつつあるわけで
なんら珍しくないですね。たとえばアウディでもクールEGRついていますし、
新しいフィアットのツインエアには立派なクールEGRがついています。
まあ富士重工の場合はシリンダブロックが左右別になっているので
ブロックと独立したクールEGRとなっているだけで、クーラントで冷やして
いる点は何ら他のメーカーと変わりません。他にもマツダは別体になって
いますしね。
なんかここを読んでいると、最近のエコのためにどれだけ多くのメーカーが
研究して努力しているのかわかっているのかなと思います。メーカーの
公表資料は非常に慎重に書かれており、世界初とか日本発とかこのクラス
発とかの形容詞は不当表示に該当しないようにエンジニアは神経を
すり減らしてチェックしているわけで、それに他に例を見ないなど、
技術に疎いメディアがうっかり書き加えるのは慎重でないと、
場合によっては法的問題や特許紛争にも巻き込まれることになりかねま
せんよ。

No title

ホンダのEGR経路の見方をお教えします。
ホンダの最近の車のEXマニはアルミ製でヘッド一体になっています。
でマニから鋳込まれた経路があり、これはエンジンフロントカバー内
のウオータージャケットを走り、エンジン吸気側のベルト付近に出て
きます。そこに樹脂製電動型EGRバルブがあります。この時点ではほぼ
クーラントの温度まで冷却されているので樹脂製のバルブになって
いますが、そのセンサー不良があり、先日大量にサービス
キャンペーンになりました。
昔は別体のパイプで熱いEGRを戻していたのですが、最新のエンジン
では樹脂もしくはアルミインテークにEGR経路が鋳込まれています。
最近のEGRは排気対策のためでなくポンプロスを減らし充填効率
をあげるためにもクールEGRを大量に戻しますが、ホンダの
サービスキャンペーンはEGRバルブ不良で中低速でも多いEGRが
供給されエンジンが息つきをおこすものでした。
各社のほぼ同じ構造ですが、EGR経路をブロックに鋳込み冷却する
ことで燃費を稼ぐとともに、インテーク周りを樹脂部品にでき
燃費とインテークまわりの軽量化、コストダウン、パイプ類の
実装を減らすことも狙って居ます。
ただしプリウスのEGRクーラーは異常に凝った設計で、多数の
クーラントパイプが走って居て、トヨタの意気込みを感じます。
一度ごらんになるといいですよ。プリウスのはエンジンブロック
のトランスミッションよりにあり、室内へのクーラントチューブが
とぐろになっていて斜めに実装されています。

No title

なんか付ける薬がないみたいですね。

>その構造ではクーラー装備という表現にはなりませんね。

だから実車も見ずに報道資料だけみてコピペしているから間違いが見つかる
のですよ。実写をみてください。

ホンダの場合EGRは触媒の後から弾くことがおおく、ここからわざと
長くパイプをまわして居ます。そのあと、ステップモーターを使った
大容量EGRバルブを経由し、ウォータージャケットからエンジンへの経路
のまわりを回ってクーランとによる熱交換を期待しつつ、一体型インテーク
から吸気にまざるようになっているのですよ。そうしてEGRをうまく冷やしている
のです。つまり冷却経路は一体型インテークとシリンダブロックによる冷却を
期待しているのですよ。
ディーゼルの場合は主にEGRは主に温度が低下した排気ガスによって
燃焼温度をさげてNOXを減らすためにあります。ガソリンエンジン車も
当初はNOX対策としてEGRはもちいられており、その際はむしろ熱いまま
戻すことによる見かけのリーンバーンになっていました。
その後三元触媒でNOXの問題が解決すると、冷やしたEGRによって
ポンプロスを減らり燃費を稼ぐことを狙って居ます。この際は馬力が
出ないリーンバーンをあまり狙わずにストイキとして馬力をかせぎつつ
遅とじアトキンソンサイクルと組み合わせて低燃費を狙って居ます。
ホンダのこのEGRの細工は初代インサイトあたりからですね。
ただしプリウスのEGRはさらに細工が細かく、EGRからも室内
ヒーターに向かうクーラントへ熱をとるようになっています。まあ、
実車を油まみれになって良く見る習慣が無いと何を書いても空虚な
だけですね。エンジンバラしたり組んだことありますか?

Re: No title

> いまどき多くのエンジンが採用していますよ。
> ハイブリッド車はみんな。フィットとか全社
> ついています。
>
> ああ、無知が恥ずかしい。

ERGを採用している全車がクーラーと呼べる仕組みを持っているのでしょうか? 

No title

????
 ユニークなことにEGRの体積効率を高めるために、ディーゼルエンジンのようなEGRクーラーを装備する。おそらくガソリンエンジンでは他に例を見ないと思う。

いまどき多くのエンジンが採用していますよ。
ハイブリッド車はみんな。フィットとか全社
ついています。

ああ、無知が恥ずかしい。

Re: スペックに現れないもの

これからもよろしくお願いいたします。

スペックに現れないもの

管理人様、

数値に現れない感性に訴える特性はとても大切ですね。
少し、このエンジンに希望が感じられます。

AWD、エンジン、トランスミッションとトータルで魅力ある
車になってほしいですね。

ありがとうございましたm(_ _)m

Re: エンジン計測値

> 水平対抗はマツダのロータリーと同じようにほぼ一社ですから
> 技術発展が鈍いですね。(ついでにスバルはコスト面でも辛い)
> 私的には今後10年は見込んだ気合の入った基本設計がしてほしかったです。


現在は昔のように1エンジンを10年は維持するというのは不可能でしょうね。スバルはコスト的に直4の2倍近い
といわれますが、それでもEJ型の改良でも4年サイクルくらいで大きく手を入れています。初期のEJと後期のそれではまったく別物といえます。

> (シリンダブロックにもバラツキの刻印が在るんですよ)
ただ、エンジン部品の工差は、他社よりかなり小さいほうですよ。

> 今回FB型のカタログ(見かけ)スペックの向上はほとんど
> ありませんが、ベンチで無負荷・スロットル全開で計測した値は
> 実際の使用時(踏んでもハーフスロットルくらいでしょうか?)
> に最大トルク発生回転数や最大パワー発生回転数が一致するものでしょうか?

今回のエンジンはかなり低回転化されているはずです。また内部の摩擦抵抗が大幅に
低減されているので、加速時のレスポンス、特に低開度の加速での立ち上がりのよさ
が売り物とのことです。

エンジン計測値

管理人様、ご丁寧なレスをありがとうございます。

水平対抗はマツダのロータリーと同じようにほぼ一社ですから
技術発展が鈍いですね。(ついでにスバルはコスト面でも辛い)
私的には今後10年は見込んだ気合の入った基本設計がしてほしかったです。
元EJ25乗りの仲間内では、ピストンの首振りが遠因か
冷間時の始動時に異音がしてリビルトエンジンに載せ替えということが
かなり発生しました。
(シリンダブロックにもバラツキの刻印が在るんですよ)

今回FB型のカタログ(見かけ)スペックの向上はほとんど
ありませんが、ベンチで無負荷・スロットル全開で計測した値は
実際の使用時(踏んでもハーフスロットルくらいでしょうか?)
に最大トルク発生回転数や最大パワー発生回転数が一致するものでしょうか?

Re: これからのベースと成り得るの?

コメントありがとうございます。

> 本当にこんなエンジンで今後10年以上やっていけるの?
> と心配になってきます。

今回はNAに特化したエンジンで、ターボ化やダウンサイジングは、このエンジンをそのまま使用する
わけではなく発展的に使用するのではと思います

> バルブの狭角技術も可変バルブタイミングも他社比較10年以上遅れている。

まあ、AVCSは4個必要ですからコスト的に厳しいという理由もあるようです。バルブ挟み角は、スバルは大出力指向からの転換という意味で大きな決断だったと思います。大出力にこだわらなければよかったんですが(笑)

> 2010年にこの程度のエンジンしか発表できないスバルには失望です。

基本的に動きは遅いメーカーですから、2,3年のスパンで見ればという感じですかねぇ。

Re: ボアピッチについて

コメントありがとうございます。
確かにFB25 は厳しいところですね。
ただその一方で、ダウンサイジングも意識しているようですから、2.5ターボはどうなんだろうかというのは
現在のところ不透明です。

ディーゼルに関しては、従来どおりのEE型で進め、FB系にはならないと思います。

これからのベースと成り得るの?

ご紹介の内容を読み解くと、本当にこんなエンジンで今後10年以上やっていけるの?
と心配になってきます。
バルブの狭角技術も可変バルブタイミングも他社比較10年以上遅れている。
トルクの向上もパワーの向上もその他もほとんど劇的に改善されず、逆に重くなっている。
補機類も相変わらずテンコ盛りでエンジン高の低さに甘えて旧来通り。
ロングストローク化でエンジン幅は広いまま、プラグ交換もできなさそう。
(車幅の拡大で手入れ性は期待できるかも)
2010年にこの程度のエンジンしか発表できないスバルには失望です。

ボアピッチについて

FB型エンジンのボアピッチですが、写真を見る限りではEJ型と同じ(113mm?)に見えます。メーカー発表資料なので、98.4mmが正しいのだろうとおもうのですが、そうするとFB25ではボアピッチが4.4mmとなります。門外漢ですが、そんなに薄くて大丈夫なのでしょうか?将来的には過給もするでしょうし、スロットルレス、直噴、もしかするとディーゼルEE20の置き換えまで考えてるのかも、と考えるとなおさら疑問が残ります。

Re: クランクシャフトの写真ですが・・・

> EJ20とFB20の表記が逆の様な。。。


確かに画像では上のほうがウェブの肉厚が薄く見えるんですけど、配置位置はこの置き方
で表示してあったように記憶しています。違いましたかね?

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