NASCARカップエンジンとFIA F1エンジン。 比べてみると？
NOTE:
THIS IS AN EXPANDED VERSION OF THE ARTICLE
BY Jack Kane WHISPERED IN ISSUE 029 of
RACE ENGINE TECHNOLOGY MAGAZINE
NOTE: この記事は2008年に掲載されたもので、2006年のシーズン終了時に使用されていたF1とNASCAR CUPのエンジンについて書かれています。 その後、F1では大幅な変更があり、NASCARでもいくつかの変更がありました（記事内に記載）。
はじめに
2006年のシーズン終了時には、NASCAR CUPとFIA F1のエンジンは、それぞれのモータースポーツのクラスでクランクシャフト速度の頂点に達していました。 NASCARカップエンジンは10,000rpm、FIAフォーミュラワンエンジンは20,000rpmに達していました。 これらの回転数での運転は、規制によって時代遅れになっていますが（NASCARでは「ギアルール」がさらに厳しくなり、FIAでは2007年に導入された19,000回転のレブリミットが2009年には18,000回転に引き下げられました）、これらの全く異なるエンジンを比較して、共通点があるとすればそれは興味深いことです。
背景
この記事の背景を確立するために、次のいくつかの段落では、両方のエンジンのハイライトを簡単に説明します。
F1エンジンは、確かに地球上で最も洗練され、開発され、洗練された機械の一部です。 2006年のシーズンでは、90°V型8気筒、2.4リットル（146.4立方インチ）の容積を持つ、純粋なレース用のエンジンです。 実装にあたっては、根本的にいくつかの制約があります。 そのわずかな制約とは、2.4リットル、90°V8構成で、180°クランクシャフト、106.5mmのボア間隔、98mmの最大ボア、可変長インレットパイプの使用不可、金属-マトリックス複合材の使用不可、クランクシャフトの最小高さ58mm、1気筒につき1つの噴射ノズル、などです。 エンジンはDOHC、1気筒あたり4バルブのレイアウトで、フィンガーフォロワーとニューマチックバルブスプリングを採用し、点火システムと燃料噴射システムは高度なエンジン管理用デジタルコンピュータシステムによって制御されています。 エンジン重量は95kg以上で、重心高さの制限がパッケージ全体の特性に影響を与えています。
FIA（国際自動車連盟）では、1台の車両が練習-予選-レースの連続した2回のレースで同じエンジンを使用しないとペナルティが課せられるため、2006年のエンジンの設計寿命は1350km程度となっていました。
2006年シーズン終了時点でのF1エンジンは、レッドラインが20,000回転（時にはグランプリ期間中も）で、ピークパワーは19,000回転以上で約755BHP、ピークトルクは17,000回転で約214lb-ft（290nm）を発揮していました。
それに比べてNASCARの「カップ」エンジンは、レギュレーションが逆になっています。
それに比べてNASCARの「カップ」エンジンは、許容される部品、材料、寸法、最小重量などが厳しく制限されているだけでなく、（公称）生産ベースの鉄ブロック、90°V8、プッシュロッドバルブアクチュエーション、2バルブウェッジヘッド、シングル4バレルキャブレターを使用しなければなりません。
特に、カップV8は、最大ボア106.3mm、最大スウェプトボリューム5.86リットル、90°クランクシャフト、スチール製コンロッド、谷部に配置された単一のカムシャフト、22.2mm以下のフラットタペットカムフォロアに制限されています。スチール製プッシュロッドとアルミニウム製またはスチール製ロッカーを使用したロッカーアームによるバルブ作動、（承認済み）スチール製ヘリカルバルブスプリングを使用したシリンダーあたり2バルブのアルミニウム製シリンダーヘッド、Holley社製4バレルキャブレター1基、ディストリビュータ制御のシングルイグニッション。
各マシンは規定により、1回のレースミーティング（練習、予選、決勝）で同じエンジンを使用しなければならず、そうしないとペナルティーが課せられます。
2006年のシーズン終了時点で、カップエンジンのピークパワーは約820〜830BHP/約9000RPM、ピークトルクは約520lb-ft/約7500RPMでした。 典型的なオーバルレースでは、これらのエンジンは約7000〜10000回転の間で連続的に回転する。 もしファイナルドライブのギアリングルールがなければ、今日（2014年）のカップエンジンは11,000rpm近くで動作していただろうと、私は非常に信頼できる筋から聞いています。
UPDATE (and another short rantant):
2014年のNASCARシーズン終了時点で、CUPエンジン（358CI、シングル4バレル、GAS）は約9000RPMで890HP近辺に達していましたが、ギアルールにより、トラック上での速度は約9500RPMに制限されていました。 ピークトルクは540lb-ft（BMEP227.5、トルク比1.51）を超えていた。
（なお、文末の比較表は2006年の性能である約825HP、481lb-ftに基づいています。
それに比べて、今日（2020年）のレースエンジンビルダーの多くは、410立方インチのエンジンに個別の8ランナー燃料噴射を搭載し、METHANOL燃料で走行して890馬力を出すことに興奮し、自慢しています。
この信じられないようなCUPエンジンの構成が、NASCARの頭脳集団によって法制化されてしまったことは、私にとって非常に悔しいことです。 2015年のシーズンでは、「コスト削減」と「より良いレース」のために、これらの天才たちはCUPエンジンに、スロットルボディとインテークプレナムの間に「テーパー付きスペーサー」を装着することを決定しました。 このスペーサーは、エンジンが吸入できる空気の量を制限する、単なるリストリクタープレートに過ぎない。 このルール変更により、エンジン出力は直ちに約725馬力まで低下しました。
そして、NASCARの官僚たちが「レースのコストを削減する」と言っている間に、このルール変更は、この新しい（異なる）エンジン パッケージのパフォーマンスを最適化するための新しいエンジン パッケージ（燃焼室、ポート、マニホールド ランナー、プレナム構成、カム プロファイル、バルブ スプリングなどなど）を開発するために、またしてもR&Dの莫大な資金の支出を必要としました。
エンジン会社は、ダンプカーいっぱいの資金と素晴らしい技術を使って、725馬力の領域から約750馬力まで開発しました。
さらに、それがレースの質を十分に下げていないかのように、2019年のシーズンでは、統治する魔法使いたちは、約550馬力しか許容しない、さらに小さなテーパー付きスペーサーを法制化しました。 —— HEY GUYS, you already HAVE the XFINITY cars.
GOOD GRIEF, I can go to the corner car dealer and buy a STREET CAR with more power that.
“Brain-Dead-Brian “strikes again!
比較
排気量に対するBHPの比率で言えば、F1エンジンの方が圧倒的に優れていると言えるかもしれません（1リットルあたり315BHPに対し、140BHP）。
この記事の残りの部分では、この2つのエンジンの性能を比較するためのいくつかの他の基準を検討します。
文末の表では、これらの基準とその他の関連する数字を並べて、各項目に行番号を付けて、本文中に頻繁に出てくる参照箇所を見つけやすくしています。
基本的な寸法、重量、パワー、トルクの数値は、それぞれの分野で活躍している技術者から匿名で入手したものです。
BMEPとMPS
性能比較の基準として最もよく知られているのが、BMEP（Brake Mean Effective Pressure）とMPS（Mean Piston Speed）です。
ピークトルク時のF1エンジンのBMEP（表の13行目）は15.17barで、CupエンジンのピークトルクのBMEPは15.12bar（0.3%減）です。
ピークパワー時のF1エンジンのBMEP（表の22行目）は14.6barで、CupエンジンのBMEPは14.0bar（4.1%減）です。
FMEP(摩擦平均有効圧力)とBMEPの比がフォーミュラワンではカップ回転数よりもはるかに高いことを考えると、17,000rpmで15.17bar、19,250rpmで14.6barのBMEPを出すことは、驚くべき成果であることがわかります。
しかしながら、カップのBMEP（フラットタペットカム、プッシュロッド/ロッカーアーム、2バルブ/シリンダー、シングルキャブレター）がF1の数値よりもわずか0.3%低いというのは驚くべきことです。
さらに明らかなことは、ピークパワーのRPM（表の19行目）において、F1エンジンのMPS（表の23行目）が25.5m/s（5025フィート/分）であるのに対し、CupエンジンのMPSは24.8m/s（4875フィート/分）と、3％以下の差しかありません。 レッドライン時のMPSは、F1が26.5m/秒であるのに対し、CupのMPSは27.5m/秒という驚異的な数値です。
経験値には注意が必要ですが、ピークパワー時（表24行目）とピークトルク時（表15行目）のBMEP×MPS（bar×m/sec）の無次元値を比較すると面白いです。
ピークパワーでは、カップエンジンの値はF1エンジンに比べてわずか7％の差しかなく、市販のV8エンジンがいかに優れた性能を発揮しているかがわかります。
ピストン運動
ピストンにかかる正味の加速度は、実際には2つの独立した曲線、つまり一次加速度と二次加速度の合計になりますが、これは以下の図1に示されており、さらに詳しい説明はこちらをご覧ください。
図1-ピストンの加速度成分
一次加速度（図1の青線）は、クランクシャフト角速度の二乗、クランク角、ストローク長に基づく一次曲線で、二次加速度（図1の緑線）は、クランクシャフト角速度の二乗、クランク角の2倍、ロッド/ストローク比に基づく二次曲線です。
ピストン加速度の一次成分は、上下で大きさは同じだが符号が逆であるのに対し、二次成分（コンロッドの左右方向の動きによって発生する成分）は、緑の線で示すように、上下ともに正の符号を持っています。 したがって、TDCでは2次成分のピークが1次成分のピークに加算され、BDCでは2次成分のピークが1次成分から減算されます（マゼンタ色の線）。
以下の図2は、レッドライン（テーブルライン28）、20,000および10,000RPMにおける両エンジンのピストン速度と加速度のプロファイルのグラフです。
ロッド/ストローク比は、BDC領域での加速曲線の形状に顕著な影響を与えます。
Formula Oneのロッドの中心間距離はわずか102 mmであるにもかかわらず、ロッド/ストローク比が2.56と大きいため、二次的な加速度成分は比較的小さくなります。
ピストンピンのオフセットがないと仮定すると、最大の正のピストン加速度はTDCで発生します。
フォーミュラーワンとカップのピストン加速度（PPA）の大きな違いは、クランクシャフトの回転数から予想される方向にあります。 一方、ピークおよび平均ピストン速度 (29 行目 & 30) は、どちらのエンジンもほぼ同じです。 フォーミュラワンのピストンパッケージ（ピストン、リング、ピストンピン、サークリップ）の重量は約295gです（33～35行目）。 20,000 RPMの場合、PPAはコンロッドのピストンピンボア（表41）に10622 g x 0.295 kg = 3133 kg（6894 lb）の引張荷重をかけ、ピストンパッケージとコンロッドの往復部分は、CG（ビッグエンドセンターから約1.
これに対し、カップピストンのパッケージ（ピストン、リング、ピストンピン、サークリップ）の重さは約500gです（33～35行目）。 10,000回転の場合、PPAはコンロッドのピストンピンボアに5821g×0.50kg＝2911kg（6403lb）の引張荷重を発生させ（表41行目）、F1の値よりも7％だけ低い値となります。 同様に、ピストン パッケージとコンロッドの往復部分は、CG (ビッグ エンド センターから約 1.66 インチ) におけるロッド ビームの断面 (表行 42) に 3725 kg の引張荷重をかけますが、これは F1 エンジンよりも 8% 低い値です。
CONNECTING ROD COMPARISON
コンロッドの応力とたわみのレベルを大まかに比較するために、2 つのコンロッドの推定モデルを作成しました。
カップロッドの材料はスチールであることが要求されており、300ksiの非常に高い靭性を持つ300-M合金が頻繁に使用されていると聞いていますが、高ニッケル、高コバルト、超低炭素の350ksiマレージング合金の使用も示唆されています。
このようなロッドのある有名なサプライヤーは、適切な強度と剛性を備えたロッドは最低重量をはるかに下回る値で作ることができると公言しています。
ある有名なロッドメーカーは、適切な強度と剛性を備えたロッドは最低重量をはるかに下回る重量で作ることができると公言しています。
荷重がかかったときに最も変形する部分は、引張荷重を受けたときにピストンピンの内径が楕円になることです。 軽いビームセクションは、適用される引張、圧縮、および座屈荷重に対して適切です。
F1ロッドも同様の理由から、525gという最小重量を達成するために、ピストンピンのボア周辺に補強リブの存在を推測しました。 センターライン長102mm、クランクピン径34mm、ピストンピン径18mm、重量は285g前後と言われていますが、これはチタン製のH型断面です。
チタン合金の剛性は鉄の約半分であることから、高強度・高弾性の6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Siアルファベータチタン合金を想定して、F1ロッドを設計しました。 その材料は、他のチタン合金に比べてヤング率が高く（1770万）、密度も中程度なので、軽量を維持しながら材料をたくさん使える（剛性が高い）のが特徴です。
このロッドでも、Cupロッドと同様の理由で、ピストンピンの補強リブの存在を想定しました。
その結果、推定された設計は次の図（図3）のようになります。
これらの推定モデルがあれば、各ロッドの往復(小端)および回転(大端)重量成分を推定することができ、2つのエンジンによってロッドビームとクランクピンに加わる荷重を比較することができます。
図3 – F1ロッドとCupロッドの推定値
適用される引張荷重はF1エンジンの方が大きいのですが（表のライン42）、ロッドビームにかかる計算上の引張応力（表のライン44）は、F1ロッドの方が断面積が大きい（CADモデルでは0.429in²対0.299in²）ため、大幅に少なくなっています。
しかしながら、両方のロッドにかかるビームの引張および圧縮応力は、ピンアイおよびキャップリブ周辺の応力ほど大きくはありません。
しかしながら、両ロッドの梁の引張・圧縮応力は、ピンアイやキャップのリブ周辺の応力ほど大きくはありません。 すべての研究では、非常に強度の高い 8 mm のロッド ボルトを想定し、各ボルトに 8000 ポンドの予圧を使用して、キャップとロッドの間にかなりのクランプ マージンを与えました。
これらの研究では、以下のことが示されました。
- 最大圧縮荷重では、両方のロッドの応力と座屈マージンは許容範囲内です (ただし、「I」ビーム ロッドは、同様の断面を持つ「H」ビーム ロッドよりも、同じ荷重ではかなり多くの座屈マージンがあります)。
- 最大引張荷重では、応力は許容範囲内であり、設計寿命に適したそれぞれの耐久限界からのマージンを持っています。
- ロッドボルトの応力は非常に高い(180,000psi以上)ですが、そのような高い予圧では、非サイクルであるため、おそらく疲労破壊の対象にはなりません。
また、両ロッドとも、応力の低い部分から高い部分へ材料を移動させるという最適化を行うことで、より高い剛性と重要な部分の応力を得ることができることがわかりました。 2枚のFEA画像（図4、5）は、F1とCupのロッド構成を想定した場合の応力を示しています。
図4 – F1ロッドのFEA |
図5 – カップロッドのFEAp |
