エキマニの集合距離とトルク特性の関係について

質問

エキマニ（４気筒）の集合について、集合部分までの距離が長い
４－２－１は一般的にトルク重視型と聞きますが、
その理屈がわかりません。
なぜ、集合距離が長くなるとトルクが向上するのでしょうか？
詳しい方、簡単にわかりやすくご説明戴けないでしょうか。
よろしくお願いします。

回答No.1

unimop · ベストアンサー

４－２－１がトルク重視型と言われるのは、低～中回転でのパワーダウンを防げる、って意味に考えるといいかもしれません。
４－１じゃ低中速がダメって事じゃなく、特性として低中速側にも幅を持たせられるのが４－２－１の良いところ、という意味です。

集合管は排ガスの慣性以外に他気筒の排気脈動（圧力の変化）を利用する訳ですよね。Ｖ型など不等間隔燃焼なエンジンでは話が変わってきますが、並列４気筒だとクランク回転１８０度毎排気が普通ですね。で、４－１集合だと１８０度毎、４－２（－１）集合だと３６０度（組み合わせで不等間隔にも）毎のタイミングで連結したどこかに排気サイクルが巡ってくる訳です。その結果、４－１では頻繁に他サイクルの干渉による影響を受けるので集合が効果的です。４－２（－１）だと４－１よりも影響が小さくなりますが相互に干渉する時間間隔は長くなるし、最後１本に集合する点までの長さでもタイミングを変えられるんで、特性に幅を持たせられます。

常に背圧を下げて（抜けを良くして）いれば良い訳じゃない、って話は聞いた事があると思います。高回転では排気が追いつかない傾向が強いので、抜けの良い方がありがたいんですが、低回転で抜けが良すぎると吸気まで引っ張ってしまいパワーダウン＝トルク不足として現れたりします。バイクなど最高回転数が高くバルブオーバーラップが大きめなエンジンの場合は特に顕著です。ただ、低回転でも抜けが悪すぎると、ディーゼルの排気ブレーキ的に作用してギクシャクしたりしますが。

前置きが長くなりました。で、長さについては排気ガスの交わるタイミングを変える事にあります。排気ガスの速さは細い管ほど速くなりますが（混合気濃度とか点火タイミング＝燃焼時間とか排気温度などで変化します）、管径は排気量や排気ポート径である程度決まるので、長さで調節します。で、集合部で他気筒の排気脈動の影響を受けるんですが、圧力が大きく変化すると、やってきた圧力の波が反射して元の方向へ戻る現象が起きます。それをうまく利用すると排気は引き出す、吸気は適度に押し戻す、って２ストのチャンバー的作用が起きてくれます。
元々エンジンはインマニやポートでも同じような現象が起こってますし、ピストンクランク周りにも似た現象がある関係でパワーカーブに山谷あるので、うまいことそれぞれの山と谷を補い合うようにしてると思います。今は特性の良いエンジンも多く、共振点からハズれた所で谷ができないよう常に脈動を打ち消し合うような設計のエキマニも多いみたいですが。それゆえ実際は作ってテストしてみないとなんとも言えませんが、とりあえずエキパイを長くする事で周期を長くできるので、低回転側に特性が合う事が多いみたいです。

メーカー技術者とかじゃないので、参考までに。

お礼

詳しい解説ありがとうございます。非常に複雑で難しいですね。
とても参考になりました。ありがとうございます。