マツダのダウンサイジング・ターボエンジンについて伺います。 SKYACTIV世代のNAエンジンでは、高い掃気効果を出すために長い4－2－1排気マニフォールドを採用しています。

Question

マニフォールドが長いので、搭載する車のボディ設計に苦心したそうですね。

しかし、後から出てきたターボエンジンSKYACTIV-G 2.5Tでは、ターボエンジンの定石に沿って短いマニフォールドを採用してきました。当然、掃気効果は落ちるはず・・・と思いきや、高い掃気効果を持っていると主張しています。NAでは長いマニフォールドが必要だったのに、なぜターボでは短いマニフォールドで、同様の効果を出せるのでしょうか？
最初から短いマニフォールドで済むなら、コストも安いしボディの設計も楽になったでしょうに。

以下参考資料です。

マ ツ ダ 技 報 No.33（2016）
特集：新型CX-9
3 新型ガソリンターボエンジン「SKYACTIV-G 2.5T」の開発
5-1
・・・低回転域では排気圧力脈動の振幅を強調させることでシリンダー掃気効果と高いタービン駆動力が同時に得られ，・・・
http://www.mazda.com/globalassets/ja/assets/innovation/technology/gihou/2016/files/2016_no003.pdf


Car Watch
自動車>マツダ>その他
・・・SKYACTIV-Gエンジンで採用している4-2-1排気管の倍程度の掃気効果が出ている・・・
https://car.watch.impress.co.jp/docs/news/735090.html

Answer 1

trouble_drunkerさんへ

先ず、、、専門の方々が色々と検討を重ねた結果について、門外漢である私がコメントするのもどうかと思ってますが。f(^^;)

>SKYACTIV世代のNAエンジンでは、
>高い掃気効果を出すために
>長い4－2－1排気マニフォールドを採用しています。
だそうですね。更には、某ヨタも後追いで同じアプローチをば。d(^^;)

>後から出てきたターボエンジンSKYACTIV-G 2.5Tでは、
>ターボエンジンの定石に沿って短いマニフォールドを採用
御意 (^^)

>当然、掃気効果は落ちるはず・・・と思いきや、
>高い掃気効果を持っていると主張
>なぜターボでは短いマニフォールドで、
>同様の効果を出せるのでしょうか？
ここなんですヨ、「掃気」の問題なのか、と。(充填効率では無く?)
掃気自体は、過給圧が掛かる訳ですから、嫌でもブロワーしちゃう。d(^^;)
新気を捨てる事を厭わなければ、バルブオーバーラップの期間中、ずっとガス交換してる筈。(新気吹き抜けと同時に、余剰酸素排出は三元触媒不稼働に成って拙いですが)
Turboだと排圧が上がっちゃいますが、これは燃焼室に排ガスが居残るのと等価だから、マイナス要因に成る。。。

>NAでは長いマニフォールドが必要だったのに、
それは慣性を利用して排ガスを吸い出す為。

* * *

こう言った込み入った話を、門外漢が「◯◯だから△△△」と単純に決めつけちゃうのは非常に危険で、その刻(とき)その瞬間では良くても、総体的に見た時の解釈としては「う〜ん、どうなんだかなぁ・・・」って事が起きがちです。(短絡的、と)

Turboで排気マニホールド長を極少にするのは、Turboラグを短縮する為、が何を置いても第一に挙げられるでしょう。
排圧でタービンを回す。。。だけでは無くて、排気バルブが開いた瞬間に飛び出す排気パルス(ブローダウンエネルギー)を最大限に活かす事で、タービンの加速、引いてはTurboラグの短縮に繋がる・・・というのが、FD3Sのシーケンシャルの小Turbo側で行われていた設定でした。(タービン羽根形状からして違う)
逆に、路面μが低いので徒らに路面を引っ掻くばかりに成ってしまいがちなダートトライアル競技では、低回転型な設定のエンジン + Turboの排気マニホールド長を非常に長くして、「敢えてTurboラグを長くした様な」設定で好結果を見たエンジンも在ります。(国政久郎氏が昔駆っていたセリカ。低回転からトルク立ち上げ)
さて、NAとTurbo過給では「掃気」という用語に何を比べましょうや? d(^^;)
過給圧という「動力 ?」が無いNAでは、吸い出す為に、細くて長くて、妙な集合をさせた排気管が必要だった、と言う事ではないでしょうか。

掃気出来ない or させない分は、内部 or 自己EGRとして考える事も出来ます。(それで何を狙うか、という話でもある訳ですが)
と言う事で、疑問としては解らないでは無い物の、特に比較する必要が無い物同士、と考えるのでした。「あぁ、そうなのか」程度の話で。

中々難しい話ですね。何か有れば補足なさって下さいな。

質問者からのお礼コメント

みなさん、ご回答ありがとうございました。
マツダの正式な発表ではないものの、かなり理解を深めることができました。
今後も探求していきたいと思います。

Answer 2

スカイアクティブの長い排気マニフォールドは，隣のシリンダーの圧力脈動の振幅を小さくするために行い，そのことによって高い圧縮になってもノッキング防止に役立っていると言われています。

ターボ・エンジンでは，排気ガス圧力を使ってタービンを回転させていますから，そのための排気エネルギーの損出がおこって，排気マニフォールドが短くても隣のシリンダーとの排気ガス圧力脈動の振幅は大きくならないのではないでしょうか。

Answer 3

２．５ＧＴに採用した排気方式は、エゼクタ効果を利用しています。
エゼクタ効果とは急速に流れる排気ガスの流れに、排気していない気筒の排気が吸われて負圧になる仕組みです。

２０１１年当時にはまだ開発出来ておらず、４－２－１排気管で同様な効果を実現しました。

２．５ＧＴでは、過給機を排気マニホールドの近くに配置したいので、排気管は長くしたく有りません。
そこで、３－１マニホールドを開発し、排気量も絞りで可変させて過給機への排気ガス流速を上げて、エゼクタ効果による掃気と過給機のレスポンスを上げる様にしたのです。

ＮＡエンジンでも同様の仕組みを特許出願していますが、次世代のＳＫＹ－Ｘエンジンは、ノッキング防止効果は不要ですし、体積効率はスーチャで上げるので、採用の必要性は低いと思います。

ＳＫＹ－Ｇ Upgradeで採用の可能性はありますが、４－２－１排気よりもコスト増になると思います。