私が書いたR06Aエンジンのチューニング耐性への反論について

※こちらの記事は過去のブログの転載となっているので投稿日と時系列のズレが発生しております。ご了承ください。

先日の記事「アルトターボRSのチューニングの可能性」をはじめ、私は今まで数回に渡り「R06AエンジンはF6AやK6Aより弱い」と書いてきました。 それに対し「R06Aエンジンは決して弱くない。

あなたは古すぎる考えで短絡的に決めつけている」という主旨の反論があったのでここで反論と言うわけではありませんが、誤解を解くためにも理論に基づいた説明をしたいと思います。

私は決してR06Aエンジンが嫌いな訳でもなく、また、ダメなエンジンだと考えているわけでもありません。 先日試乗したアルトターボRSも「ノーマルで乗っているぶんには」非常によくできたエンジンだと感じましたし。 ただ、「チューニング素材としてその中身を技術的に見た時に、R06Aというエンジンの弱点」を偏見なく素直に理解していただきたいだけなのです。なにもこれはR06Aに限ったことではなく、新しいエンジンが出たらまずチューナーがやることは「そのエンジンのウィークポイントを見つけ、どう対策するか」というのがチューニングのファーストステップですので。 今回の話は内容的には一般の人にはあまり面白くないとは思いますが、私も技術畑で生きてきたはしくれですので、できるだけ理論的に説明し、私の真意を少しでも解っていただけると幸いです。

<参考> →R06Aエンジンについて(デビュー当時)

<参考> →R06Aエンジンについて(縦置きおよびMT追加時)

<参考> →アルトターボRSの試乗とチューニングの可能性

↑アルトターボRSのR06Aターボエンジン。ターボラグをほとんど感じさせず2000rpm以下から充分なトルクを出し、しかもレッドゾーンまでタレることなく回る非常によくできたエンジンです。しかし、パワーアップチューンに対しての「余裕」はF6AやK6Aほどは高くないことは明白です。 実際に、このアルトターボRSのR06Aターボエンジンの最大トルクが10kg-mで抑えられているのも、耐久性を考えてあえて控えめにしているのだと思われます。

R06Aエンジンのクランクシャフトの剛性、強度について

私もR06Aエンジンの全てを知り尽くしているわけではありませんので、今回はその一例としてクランクシャフトについて書きます。 なぜならその反論してきた人曰く「R06AのクランクシャフトがK6Aより細くても、K6Aより強い材質でできているから弱いということはない。それはこの20年でクランクシャフトの鋼材の強度が30%近く上がっているからだ」と言ってきたからです。しかし申し訳ありませんが、これは私に言わせれば「全くお笑い」な話なのです。

↑R06Aエンジンのクランクシャフト。詳細は後述しますが、ジャーナル径、クランクピン径ともに細いうえ、ロングストロークなのでクランクアーム長が長く、そのせいでクランクシャフトの剛性に重要なオーバーラップがほとんどありません。 見るからに「華奢な」クランクです。

まずは鋼材の強度数値と剛性(弾性限)とはまた別の話だということを勉強してください

最近はよく雑誌でもクルマのモノコックボディにも「◯◯MPa級の超高張力鋼材が使用されている」などと解説されることが多くなりました。ここで言う「張力」というのは専門的には「引っ張り強さ」と呼ばれるもので、たとえば「1000MPa級の超高張力鋼は約100kg/mm^2の引っ張り強さである」ということです。最近では1500MPa級などという超高張力鋼板もクルマのボディ、フレームの要所に使われはじめています。

<注意>ここでは現在のSI単位に合わせてMPaという単位を使いましたが、私のポリシー上、この先は従来からの単位である「kg/mm^2」の単位を使いますのでご了承ください。なお「1kg/mm^2=9.8MPa」ですので、MPaに換算する場合は単純に約10倍の数値にして考えていただければ良いです。

さて、以上のような前置きを頭にいれていただいた上で、この反論をしてきた人が言っているのは、要するにクランクシャフトに使用されている材質のこの引っ張り強さが20年前のK6Aエンジンより現在のR06Aエンジンのほうが30%高く(強く)なっていると言いたいわけで、そのため「単純にクランクシャフトのメインジャーナル径やクランクピン径の太さだけを比較してR06AはK6Aより弱いというのは単純な考えすぎる」と言いたいわけです。

↑これはK6AエンジンとR06Aエンジンの要所を比較した表ですが、他の要素はおいといて、クランクシャフトの径に注目してください。見てのようにメインジャーナル、クランクピンともにK6AよりR06Aのほうがかなり細くなっています。 なお、クランクシャフトの製法は両者ともに鍛造です(K6Aはターボエンジンのみ鍛造。NAエンジンは鋳造です)

しかし、鋼材の強度というのは「引っ張り強さだけで決まるものではない」

単純に考えれば、たとえば100kg/mm^2の材質よりも130kg/mm^2の材質のほうが30%強いというのは間違っていません。しかし、この数値はあくまでも「ワーク(品物)を単純に引っ張ったときにどのくらいの力で破断するか」を示したものにすぎません。 しかし、クランクシャフトはそんな単純な力を受けているわけではありません。エンジンの動作を少し考えればわかることですが、ピストンからの燃焼圧力はコンロッドを介してクランクピンにかかり、これはクランクシャフトを「ねじれさせる力」として働きます。 そして、多気筒エンジンの場合はこの力が順次クランクシャフトの全長に渡って起きるわけですから、これはクランクシャフトを「曲げさせる力」となってかかります。 そう、クランクシャフトにかかる大きな2大要素となる力は「ねじれ応力と曲げ応力」なのです。とくに強度上問題となるのは「ねじれ応力」のほうで、これはクランクシャフトを回転方向に「ねじり切ろうとする」力となって働きます。

↑これはスポーツバイクのクランクシャフトですが、見事にねじ切れています。パワーやトルクに対してクランクシャフトの強度が限界を超えると、このように破断してしまうのです。また、振動によっても破損に至ることがあります。最近のリッターSSクラスのスポーツバイクではハードな走行を繰り返すとこのようにクランクシャフトが折れることはそう珍しいことではありません。それだけ「限界設計」をしているためです。

この「ねじれ応力」と聞いて「バネ(コイルスプリングやトーションバースプリング)を連想され「これってバネと同じじゃないか?」と思われた方、あなたは頭が冴えています。 そう、クランクシャフトに要求される強さというのはコイルスプリングやトーションバースプリングのようにねじれ応力に対して対抗する剛性そのものなのです。

↑私のK6Aエンジンのクランクシャフト。オーバーホール時に撮影したものです。ジャーナル径、クランクピン径が太く、ショートストロークなのでオーバーラップ寸法も大きいため、捻れ剛性に余裕があります。上で載せたR06Aのクランクシャフトと比べると見るからに頑丈です。もっとも、そのぶん重く、フリクションロスも大きいという欠点もあるのですが。

ここで重要になるのが「ヤング係数(ヤング率)」と「弾性限」

ここからちょっと話が難しくなります。 金属材料の強さというとまずは前述した「引っ張り強さ」が挙げられることが多いですが、先にも書きましたようにこれは単にそのモノを引っ張ったときの強さでしかありません。では、クランクシャフトにとって重要な「ねじれ応力」に重要な数値は何かというと、それが「弾性限」なのです。その弾性限を決めているのが「ヤング係数(ヤングスモジュラス、縦弾性係数とも言う)」というものです。 早い話、このヤング係数を引き上げることができればねじれ応力に対しての対抗力も引き上げることが可能なのですが、残念ながらこのヤング係数というのは鉄鋼鋼材の場合、その合金成分の種類に関係なく約21000kg/mm^2と一定であり、これは20年前も現在も変わることはありません。 では、ヤング係数を変えられないのならもうひとつの要素「弾性限」を引き上げれば強くなるじゃないか、と思ったあなた、はい、それが正解です。現実に前述した超高張力鋼材だってその弾性限を引き上げていった結果、現在のような「強い鋼材」となったわけですから。

しかし「弾性限引き上げには物理的限界点が存在する」

ここが現在の金属材料工学の限界とも言えるのです。前述したようにヤング係数は一定、それに対して弾性限は熱処理(焼き入れ)をして硬くしていけばどんどん向上していきます。 つまり、「より強くしたいのならばより硬く焼き入れれば良い」となるのですが、なぜか焼き入れ硬さ(硬度)HRc45~50を頂点にそれ以上硬くすると逆に弱く、そして脆くなっていくだけなのです。 なぜこのHRc45~50を境にそれ以上強くならないのかは「鋼材の七不思議」の一つとしていまだに解明されていないのです。 一説によればこれが解明されればノーベル賞ものだとさえ言われています。

↑この図のグラフのように、ブリネル硬さで約500(HRc50)を超えるとなぜかそれ以上は「硬さは上がっても強さは上がらない」のです。 これは今も昔も同じなのです。これが材料強度を上げる限界点というわけです。

このグラフのように、基本的には硬さと強さ(引っ張り強さや弾性限)は比例して上昇していくのですが、あるポイントを超えると「硬さ≒強さ」とはならなくなるのです。 ちなみに、純正クランクシャフトの材質は炭素鋼S45Cやマンガン鋼SMn材が多く、社外のチューニング用クランクシャフトはクロームモリブデン鋼SCMやニッケルクロームモリブデン鋼SNCMが多用されますが、こうした高級材料でも引っ張り強さだけはかなり強くできますが、前述したヤング係数や弾性限の物理的限界は全く変わらないのです。

以上のような理由から材料の強度に頼るのには限界がある

今までの説明で解っていただけたら幸いですが、結局のところ、鋼材の強さを引き上げるのには限界があり、前述したヤング係数と弾性限の限界がある以上、20年前のクランクシャフトも現在のクランクシャフトもさほど材料自体の強度はそう大きくは変わっていないのです。 つまりその反論してきた人が何を根拠に「クランクシャフトの材料の強度が20年前より30%向上している」と私に意見してきたのかはわかりませんが、たしかに製造技術の進歩で少なくとも素材としての強度は昔よりは強くはなっているでしょう。しかし、材質だけに頼った強度アップにはこれまで書いたように「物性値、物理的な限界」が存在し、それは現在も20年前も、いや、それどころか100年近く前から何も変わっていないのです。

だからこそ材料ではなく形状や寸法の設計技術が強度を決める!

モノの剛性というのはクランクシャフトのような丸棒の場合「直径の四乗に比例する」という物理法則があることをまず勉強してください。

とくにクランクシャフトの場合は「ティモシェンコの等値長」という簡単な剛性比較式があるのですが、この式でもねじれ剛性や曲げ剛性は直径の四乗に比例することが証明されており、しかも単に軸の直径だけでなく、クランク1スローの長さや後述するオーバーラップ寸法が与える剛性への影響もこの式で比較できます。

↑クランクシャフトを前方から見たとき、メインジャーナルとクランクピンの断面積が重なる量が多いほどクランクシャフトの剛性、強度は高く、強くなります。つまり「メインジャーナルやクランクピンが太く、ショートストロークなエンジンほど剛性、強度が高くなる」ということなのです。純粋で本格的なレーシングエンジン、たとえばF1マシンのエンジンなどは超ショートストロークなのでこのオーバーラップが非常に大きく、この部分でかなりの剛性を稼いでいます。

たとえば上で載せた表のようにK6Aのメインジャーナル径は45φです。対してR06Aのメインジャーナル径は38φしかありません。その差は約18%、結果、材質が同じならその四乗の1.97倍、直径が僅か7mm違うだけで約2倍もの剛性差が出るのです。 仮にR06Aクランクシャフトの材質強度がK6Aの3割増しだったと仮定して計算してもR06AのクランクシャフトはK6Aのクランクシャフトのせいぜい70%弱の強度しかないということになるのです。 さらに言えばR06AはK6Aよりロングストロークなので、先に説明したクランクシャフトの剛性に非常に重要な要素であるメインジャーナルとクランクピンが重なる「オーバーラップ」がR06Aは面積比でK6Aの1/100以下しかないのです。 この2つの要素を総合的に考えると、この私に反論してきた人の言うように仮にR06Aエンジンのクランクシャフトの材質強度がK6Aより30%強いと仮定したとしても(もっとも、この仮定の根拠自体が曖昧すぎるのだが)私から言えることは「R06Aエンジンのクランクシャフトの強度、剛性はK6Aエンジンのほぼ50%程度しかない、つまりR06Aのクランクシャフトの強度、剛性はK6Aのクランクシャフトの半分ほどしかない」という結論が導き出されるのです。

↑メインジャーナルとクランクピンの細軸化、ロングストローク化により、R06Aのクランクシャフトの

オーバーラップ寸法はK6Aの11mmに対して、たった0.9mmしかありません。 これではたとえ材質や

製法をいくら進歩させても「絶対にK6Aクランクを超えるどころか、匹敵する強度を持たせること

さえ技術的、物理的に不可能なことです」

とにかくまずは「R06Aエンジンは弱い」ということを認めたうえでチューニングすること

世の中にはどうしても「R06Aエンジンの弱さを認めたくない人」がいるようですが今まで書いた通り、理論上それは証明でき、それを覆すことはできません。 ただし、私が誤解してほしくないのは、いくらR06Aが弱いからと言っても当然ながら、ノーマルで乗っているぶんにはまったく問題はありませんし、軽いブーストアップチューン程度であれば簡単に壊れるなんてことはないので安心してください。

私がR06Aエンジンに対して言っている「弱い」という表現はもっと高度にパワーアップした場合の余裕のことで、「大幅なパワーアップや高回転化チューニングに対しての余裕が少ないと言う意味での弱さ」という視点で書いていることを理解してください。決してR06Aのノーマル状態での強度や耐久性について問題視して批判しているわけではないのです。くり返しになりますが、「チューニングを進めて大幅にパワーアップ(たとえば130PSオーバーや150PSオーバー)していったときにF6AやK6Aと比較してR06Aはその限界が低いのは否めない事実である」ということを理解してほしいのです。

私のこの「JA22Wのページ」では「もはやブーストアップ程度のチューニングはチューニングのうちに入らない」という観点から書いていると思ってください。最低でも100PSをオーバーするチューニングをしてその先からがそのエンジンのポテンシャル勝負であるという視点から比較、検証しているのです。

その意味においてやはりR06AというエンジンはF6AやK6Aに比べて「弱い」と言わざるを得ないということなのです。 以上で私の言いたいことがご理解いただけたでしょうか?

最後に「ティモシェンコの等値長」について

上で少し触れたティモシェンコの等値長について説明します。 これは現在のコンピューター解析によるシミュレーションが発達する以前によく使用された「クランクシャフトの剛性比較」が簡単にできる便利な公式で、クランクシャフト各部の寸法を計測し、それを直径10φの丸棒の長さに換算して、剛性や強度を比べることができる数式です。 当然、計算結果の数値が短い(小さい)ほどそのクランクシャフトの剛性が高いということになります。

↑ティモシェンコの等値長の数式。 残念ながら現在私の手元にはK6AのクランクもR06Aのクランクもないので正確な比較はできないのですが、大雑把な寸法は私のエンジンをオーバーホールしたときに残ったメタルなどから寸法を測り、さらにボアピッチなどから推測の寸法で仮定計算をしてみました。

K6A→ Lj=11, Ha=17, Lp=22, Dj=45, Dp=38, R=30.2, Ba=54

R06A→ Lj=11, Ha=17, Lp=22, Dj=38, Dp=32, R=34.1, Ba=48

※Baはクランクアーム横幅寸法。今回はクランクピン径+16mmと仮定。

この計算結果は以下の通り。

K6A→ 0.0000270210004

R06A→ 0.00005351894035

この計算結果は数字が小さいほど剛性が高いことを示すわけですから、結果、R06AのクランクシャフトはK6Aのクランクシャフトの50.5%しか剛性がないことを示しているのです。 つまりR06AのクランクはK6Aのクランクのほぼ半分の強度しかないというわけです。 なお、これは同じ材質での比較ですから、仮に今回反論してきた人が言うようにR06Aの材質強度を30%高くしたとしても、R06AのクランクはK6Aのクランクの65.6%の強度しかないということになるわけです。

どうですか?これでいかにR06Aのクランクシャフトの剛性、強度がK6Aに対して弱いかがよくお判りいただけたかと思います。 もしK6AクランクとR06Aクランクを実際にお持ちの方は実際に寸法を測ってこの計算式に当てはめて比較してみると面白いと思います。おそらくそれほど大きな誤差のない結果が出るはずです。 ここでもし、F6Aのクランクシャフトがあったとしたらそれぞれの剛性の高い順序は「K6A>F6A>R06A」となるはずです。

このように、K6Aエンジンのクランクシャフトは実に「非常に強い」設計なのです。言い方を変えると「無駄に強すぎる設計」とも言えます。なにしろノーマルクランクで200馬力オーバーでもまったく問題なく使えてしまうわけですから(ちなみにF6Aクランクは200馬力オーバーで使うと確実に曲がります)。

逆の意味で好意的に捉えて言うならばR06Aのクランクシャフトは「無駄のない合理的な設計」と言った方がいいかもしれませんね。だからこそパワーアップに対する余計なマージンなどは与えず、可能な限り無駄なぜい肉をそぎ落とした設計となっているわけです。

↑K6Aエンジンのクランクシャフトが「異常な強さ」で設計されている大きな要因はやはり競技ベース車であるこのHB21SアルトワークスRの存在が大きかったからでしょう。このワークスRはダートレースにおいて排気量の大きい格上のライバル達と対等に戦うために200PSも視野に入れたチューンナップをすることを前提に設計されていたため、クランクシャフトだけでなく、各部にハイブースト、ハイパワーに対応した基本ポテンシャルが与えられていました。 つまり「パワーアップチューニングすることを前提に設計されていた」わけです。

↑やはり「100PSを超えるハイパワーチューニング」をするならR06AよりもF6AやK6Aをベースにしたほうが断然有利となることは疑う余地はありません。シャーシダイナモなどで短時間だけパワーを出すだけならR06Aでも100PSオーバーも充分余裕でしょうけど、果たしてそのフルパワーを連続して出し続けるような実走行、たとえば長距離での連続全開最高速アタックなどで耐久性が確保できるのかはかなり疑問です。 とは言っても、R06Aでも実際のところは100PSくらいならそのパワーを常用しない限りは通常のストリート使用であれば全然問題ないと思います。ボーダーラインは150PSを超えてからでしょうかね。

果たしてR06Aでそこまでパワーチューニングする人がどれだけいるのかわかりませんが、すでに現在のK6Aのチューニングでは150PSオーバーはもうジムニーでさえそう珍しい時代ではなくなってきています。

今の私はそういう一歩先の視点から軽自動車のエンジンチューニングを見ているのです。

↑剛性の高いクランクシャフトにそれを強固に支えるラダービームロアケース構造というレーシングエンジンと同様の設計で造られているK6Aエンジン。オープンデッキという弱点を除けば、まさにチューニングベースとして理想に近い思想で設計されていると言えるでしょう。