2018/02/08

M119 のいびつな水流れについて 引き続き考える M119 Warped Water line analysis ”sticky”


M119 のヘッド なぜ、左バンクのヘッドからしか、ヒーターへ水が行かない設計なのか?
考えてみました。

M119の冷却は、ブロック前、フロントカバーにあるインペラーの回転により、
ラジエターからの冷えた冷却水を圧送して、フロントカバーの2つの孔から左右のブロックバンクに送っています。

204m119 inmani rear 解説


先に説明しましたが、もう一度いうと
それぞれのバンクの左右ブロックから、各ヘッド、左、右に冷却水が上がって、ヘッド、特に熱に厳しい、
エキゾーストのバルブシート、ガイド廻り、や燃焼室、プラグの後にインテーク廻りを冷やして、
インテーク側インマニの1番4番、5番、8番の水穴から、インマニを通って、
水温センサーがつく、インマニブリッジをとおり、ウォーターポンプの上部にあるウォーターネック、サーモハウジングに
つながり、ラジエターホースを通じてラジエターに向かいます。


インペラーから遠い、後ろのL8番(R4番)、つまり、冷却水が水路を通る距離が増えるため圧損が増えて、滞留しやすいのを解決するために
ヒーター側に抜く、ヒーターバルブで強制的に吸ってコアに送るという理屈は良く理解できます。
それなら、なんで4番はヒーターへの出口がないのか?


m119_20180204170853d01.jpg


私の推理は
①  もともとM116.M117の頃からそうだったから(M116はヘッド、左インマニからのOUT・出口のみ、ブロック戻りなし、ウォーターポンプ後ろに戻る。アルミパイプでvバンク間)
②  60年代だと冷却水ヒータは未だオプションという例もあり、
70年代でもサーモスタットは、出口制御がいまだ多く、排ガス規制以降に主流となるサーモスタットの入口制御とくらべて
冷却水の流れ、水温、ヒーター温度変化には鷹揚だった?

③  元々、200馬力程度のエンジンで冷却はこれで、充分だった、冷却解析をよくやっていなかった
④  アクセルワイヤーが右バンクに来るから
⑤  ヒーターコア自体が4気筒、6気筒、8気筒と一緒だから、ヒーター入口を2個にしたくなかった

こんなところです。

もしかすると、左バンクのほうが、水流れで厳しいので、左ヘッドだけを積極的にヒーターコアへ抜いて流量を確保するという考えだったのかもしれません。右バンクはヒーターからの戻りの冷却水をブロックに流す、2つの小穴でインペラーによって吸いだすというコンセプトかもしれません。

ただ、仮にそうだとしても、そうするとヒーターを使わないときは、流量が確保できないということになります
(そういうエンジンは今でもあるけど(笑)、ヒーターを使わない厳しい夏を何とかしてほしいと思います。

このように、解析が進んだ国産のエンジンでも、ヒーターを使うことを前提に冷却水の水路設計をしているエンジンも多く
ヒーターを使わない夏場に過給をあげて大馬力にすると後ろの気筒の冷却が厳しくなるエンジンも少なくないです。

冷却水解析がすすんで、ウォータージャケットスペーサーが登場するのや、
Vバンクで横方向からスラントさせて冷却水を流して、左右バンクの冷却程度を等しくしようというレベルの話ではないです。

そう考えると、80年代、ザウバーの水路はヘッドから後ろに冷却水を廻して、エンジン後ろのサブラジエターという考えで正しかったのかもしれません。

 時代変わって、2000年代のM156ですと、やはり、ブロックへの戻りは、センターから左右バンクに戻るようになっています。

m156block_21.jpg

 よく出来てますね、戻りのパイプ径も流量多いためか、太く見えます。リアのトランスミッションとの接続フランジ、
 ブロックの補強も良く出来てます。馬力だすつもりのブロック、LS1みたいですね

また、前の写真からの分析になりますが、
ツインターボのM119は、ブロックへの戻り孔、純正のスチールパイプが12.7サイズですが、
8/16、すなわちAN8、もしくは 10/16 の10AN 位に拡大しているように見えます。

ザウバーエンジン分解図4bfe3699721

これを見ると、やはりC9、C11の後ろにおかれているコアの一つはサブラジエターにちがいないという推測が立ちます
ドライサンプにしている720馬力程度でも、ヘッド左右から独立に冷却水を後ろに回して、
サブラジエターで冷やした後に、ブロックRバンクにもどしているんでしょう



2018/01/24

電動ウォーターポンプ プロジェクト7  Electric water pump Project 7

M119のウォーターエアセパレーター、スワールポットについて、質問をいただきました。


純正でストラットタワー前にあるプラスチックタンクは、オーバーフローのリザーバータンクではなく、
エアセパレーター,水と泡を分離されるためのスワールポットの類であると記載しています。

メルセデスでは縦目W108 V8モデルのM116の世代から、純正でウォーターラインのエアの混入、ポンプインペラーのキャビテーションによる泡、サブクール冷却の泡、ラジエター水路通過後の乱流による泡等を消して、ポンプのラジエターの冷却効率を高める、エンジンの冷却効率を高めるために、エアセパレーターを
装着しています(もっと前にもあるのかと思います)。

国産モデルでも、おそらく本家の特許が20年で切れたあとから、冷却系が厳しいロータリーターボのFD3S等の13Bでは90年代に入ってから採用されて、チューニングパーツでも採用されています。

何度も説明していますように、W124、500E他でも、すでに、ウォーターエアセパレーターを純正で装着しています。

ストラット前の、プラスチック製のデコボコ形状のタンクにエア混じりの冷却水、ヒーターやラジエターサイドタンク等から集められ、泡が多く含まれた冷却水を、タンク形状によって発生させる渦により分離して、泡分離後の冷却水をウォーターポンプ入口の負圧部分のラジエターホース部にもどしています。

世間では、格好良くない、旧くなると茶色くなる、割れると悪評(笑)の半透明プラスチック製のタンクですが、
実はとてもよく出来ていて、半球状にデコボコしている壁面を水流が流れることにより、
スワール(水流)が隣、隣と断続的におきます。鳴門の渦潮状態です。
これによって、複数の渦巻きが上に向かって生成されることにより、泡と水の分離が促成される仕組みです。

大昔、32GTR、RB26の周回レースでも、このタンク流用して使っている人がいましたので、きっと効果的だったんだと思います。


Sauber-Mercedes-C11_11.jpg

もちろん、本家ザウバーでも、これつかってます。カウルの中にあるプラスチックのタンク、
 まわりは、エアロクイップホースなのに、ここだけ不つり合いなゴムホース付(笑)がわかりますでしょうか?

今回は、これにさらに加えて、もう一つ、エアセパレーターをラジエターサイドタンク前に独立しておこうというわけです。
つまり、ヘッドを冷却して、サブクール冷却後の泡を多く含んだものを、ラジエターに送る前に、泡をできるだけ消しておくことで
冷却水とラジエターとの接触面積を増やす、効率的に冷却するためです。

二つ置くデメリットも特にないと思ったのでやろうと思いましたが、
今回改めて考えるにあたって、この写真見ると、
そういえばザウバーのC9もM119で純正のウォーターエアセパレーターに加えて、
もう一つ、ヘッドからの水に筒型のウォーターセパレータつけてたのを思い出しました。

なので、私が別に最初に考えて実施したわけではないです(笑)

DSC_2884.jpg

 1枚目の車とはモデルが違うので、サスペンションの形式が違いますが
 同じM119です。

 手前の水冷ウエストゲートの右どなり、
 アルミの円筒型の筒、SAMCO のシリコンホースで接続しているのがそれです。
 上から入って、スワールポットになっていて、下から抜けて右側を前方に向かって、
 フロントのラジエターに行くのがわかりますでしょうか?


 ところで、ヤフオクに 722.6用コンピューター 予備、スペアで持っていたのを出品しました。 
 必用な方がいらっしゃったらご連絡ください。
722.6 TCU `ヤフオクへのリンク

2018/01/21

旧きを知りて 新しきを考える 電動ウォーターポンプ プロジェクト6  Electric water pump Project 6

水温、冷却系からはじまって、ここにきて
長々と水の流れについて書いています

ここ10年位で、大幅に解析が進んでいる
現代のエンジンでしたら、水廻りの冷却の解析は CFDで最適化ということなんだと思います。

身近なところで、トヨタも、全世界あげての燃費戦争、環境対策、省燃費のために、
いかに効率的に必要なだけエンジンを冷却するか、また温度を一定に保つのか、
重量や暖気時間を短くするために、冷却水の量自体をいかに減らすか、ラジエターを小さくするかetc
お得意の「乾いた雑巾を絞る」作業をしています。

それに比べると、80年代、30年以上前に設計されたM119は、そこまでやっていません。
その生い立ち、歴史、旧きから考えると、さかのぼることさらに古く、

ブロック、ボアピッチの基本構造は60年代末に遡るM116(鉄ブロック、のちにアルミブロック)、
92x65.8 3499cc 147kw/286Nm 

平たくいうと縦目ベンツにの3500CC 200馬力のV8 (これでも当時としては高出力)

その後継機のM117の発展版、最終形がM119です。

残念ながら、現代のような、徹底したコンピューター解析は行ってないアナログで 過去の偉大な
経験値、実験結果の蓄積であると思います。

そのため、左ヘッド、インマニからヒーターコアへの流れと、
右バンクのブロック側のみへのヒーター戻りや、ウォーターポンプの水回りの構成、サイズは基本的にかわっていません。

200馬力3500ccの2バルブエンジンではこれでよかったのでしょうが、その後、排気量は何度ものボアの変更、
ストロークも、65.8→78.9→85.0の変更で、5000、 しまいには5600ccで94.8mmまで広がり、
5000ccの4バルブ、330馬力

ついには6000CC 381馬力となると、さすがにエンジン内部の冷却系も役不足になったんだと思います。

私が、今、考えるに、 M119エンジン側の改良点は、

① (発熱に見合うように)冷却水量を増やす(発熱量にあわせて全体的に、特にアイドリング、低回転と高回転)
② 水流の改良(左ヘッドだけでなく、右ヘッドインマニからのヒーターINを増やして右ヘッド冷却を向上させる)
③ ウォーター・エアセパレーターをラジエターコアのホット側にもつける(純正はコールド側だけ)

になると思います(冷却水通路を変更とかになると、ヘッド鋳造時とかブロックからになるので、今回はなし(汗))

これがインマニの流れ がエンジンヘッドからラジエターに向かう冷却水のながれ
ピンクが エンジンヘッド(ヒーターコア)からのヒーターコアへ向かう冷却水の流れ、

インマニ3


ブロックでみると
前( #1.#5側 )は左右バンクをまとめて、インマニ全部で集合されたのが、サーモハウジング、ウォーターネックを通って、ラジエターへ 赤→

後(#4 #8)は、L #8は ヘッドからインマニへと向かう水穴があいているが、
R#4は、ヘッドまではあいてるけど、ガスケットで封鎖されている。ピンク→

他方で、ヒーターコアからの戻りの水は、#4ブロックに戻るが、#8には戻りなし

ブロック2

②の改良については、だいぶ先になると思いますが、あとで、

そんなわけで、①③に対応するための、電動ウォーターポンプのラジエターの図面、改良版がようやくできました

20180117radiator2.jpg


純正エアセパレーターからの冷却水戻りホースは、ディーゼルモデルのように
直接ラジエターにはいるようにしてます。

M117時代から伝統のブロック、フロントカバーからの小穴2ツはAN6でつくります、
ラジエターサイドタンク、ウォーターポンプ前の負圧の高い場所に戻します。

サイドタンクのエア抜きは、IN OUT とも一つづつつけました。

これで、①の冷却水量の不足(特に低回転)、高回転での泡立ち、キャビテーションは、電動WPで解決予定
(水温コントロール等の問題は多くあります)

重要度でいうとおまけ①②からは下がりますが、③の冷却水への泡をできるだけ減らす、分離して、
ラジエターコアに流す、ラジエターコアからポンプへ送る等については、ラジエター製作による、
左右タンクからの泡抜き、と
あとで、また詳しく紹介する インマニ前に新設置するスワールポット(エンジンとラジエターサイドタンクの間)
で解決しようというものです





2018/01/17

いまさらながら M119 ウォーターポンプの流量増加について How to modify M119 Water pump and up grade its flow ?

 おもえば、雑誌で500E倶楽部の連載をしていたのが、
 2005年夏からですから、いまからもう13年も前の話です。

 そのころからの読者という方から、ウォーターポンプに関する質問をいただいたので、
 まだ、書いてなかった話しを続きでかきます

500Eのウォーターポンプ

 2009年の記事で、あとで、ウォーターポンプの改造の話を書くといって、そのままでした。
 SJの小沢さんが、ミナグチさんのところの流路改造の話を書いていますので、それで用は足りると思ってましたが
 せっかく、質問をいただいたので、書いておこうと思います。

M119 メーカーリビルド ウォーターポンプ

119-200-2101.jpg





 M119のウォーターポンプ、ベンツでは、典型的な消耗品で、
 昔は、純正新旧、OEM、社外と沢山ありましたが、
 玉石混合というか、ガラクタも多いため、SJで今扱っているのは純正だけです。
 純正も新品供給はなくなって、ベアリング、シール類、インペラーを交換した
 メーカーリビルドだけになってしまったようです。

 M119エンジンに関していえば、
 エンジン・ポンプの設計が、その前のM117のころと変わっておらず、
 SOHC2Vから DOHC4Vになって、燃焼室廻りの水流路が複雑になり、抵抗が増えた、
 出力向上により、発熱量が増えたにもかかわらず、
 インペラーに大きな変化がないものですから、どうしても水流量に問題がでるんだと考えています。

 うすうす、私もわかっていたのですが、何度目かにエンジン開けて、ウォーターポンプを見てから
 これは!というので、電動WPに進むようにって今にいたります(でも、時間かかってます(笑))

 電動ポンプの水流路のことを考えてみていると、メーカーなりに、いろいろ苦労しており、
 ヒーターの電動ポンプや、ウォーターポンプから遠いため、水流が滞留しがちな
 4.8番シリンダーをヒーターへの水流で冷却させることや、
 ウォーターポンプの前に、左右ヘッドからの水戻り(小穴ね!)を設けて、流量を補うようにした苦労や、
 ベンツ伝統のお家芸、純正で、ウォーターエアセパレーターを設ける等の伝統的な工夫も多く見受けられます。

 しかしながら、インペラーのサイズや口径を見ると、そのターゲットは、3000-4000回転程度の流用に
 ターゲットを絞っているようであり、それ以下だと流量が下がって、冷却能力が不足する。
 それより上だと、インペラーの回転があがり、キャビテーション、泡だちが発生しだすという
 制約の中にあることがわかります。

 500Eが低速・渋滞が苦手というのは、ラジエターの通風のこともありますが、
 ウォーターポンプの水流量が、頭でっかちのDOHC4バルブヘッドの複雑な水路だと、
 絶対的に不足するという問題もあります。

 高速については、エンジンの油圧タペットLHAの設計や、カム、吸気管の長さで
 中低速に振っているためもありますが、ウォーターポンプのインペラー自体が、高回転型ではないので、
 連続で6000回転超とかだと、ウォーターポンプのインペラー由来の泡立ちが激しくでてきてしまいます。

 そのため、高速ランナーのみなさんは、水ポンプのプーリーを大きくして、ゆっくり回転させるようにしてます
 (低速、低回転での流量減を犠牲にしても)

 ここらへんの限界を見て、ターボのタービン(排気)のマップを頭に置いてですが、
 要は ターボでいうA/R を変える Aの面積を増やす
 もしくは、インペラーのサイズ(直径・R)変えるか、厚みを変えるか)、補助ポンプつける、電動ポンプにするしかないなと
 私は思って今にいたります。
 
 もうひとつの、古典的な実績のある方法が、ウォーターポンプの流路の拡大です。
 つまり A/R のA  ストート部分の面積を増やすことです
 (ウォーターポンプ自体は、水を遠心力で圧送する側なのでターボでいう吸気圧縮側と同じ仕事をする点に注意) 

 私が、最初にこれを見たのは、もう20年以上も前、えちごやのミナグチさんを紹介した、
 スペシャルカーズの記事した。最初は???でしたが、今になって考えれば、その理由がわかります。

 不足する低速、低回転域での流量を補うために、
 インペラーの出口、入口につながる、ウォーターポンプ、サーモスタット部分の通路の一部を削る(青いところね)
 ことにより、流路をスムーズにし、ラジエターから、インペラー、ブロックの水通路の流路をスムーズに
 ととのえるものです。

 流路面積でいえば、ざっと2割位は増えるでしょうから、インペラーで吸い込む箇所であり、
 吸気リストリクターを外す、ターボのパイピングを
 太くスムーズにした以上の効果が流動抵抗の大きい水にはあるわけです。

 アルミ鋳物をリューターで削るだけですので、さほど難しくもなく、
 流動抵抗こそ減るものの、低回転の水量が犠牲になるとうデメリットもない加工ですので、やってない人は、
 ぜひ加工してみてください。

 ポンプ前後の遮蔽佛を取り払うわけですから、流路抵抗へるし、
 泡立ちも減るで、デメリットなくできることだと思います。

 部品買うときに、加工をお願いして加工済みのものを用意しておいてくれれば、さらにいいと思います(>小沢さん)


 くどいようですけど、たとえば、夏場で外気温が高いときでも、
 また、今の時期で水温が低いときでも、
 高速道路で、エンジン回転3000-4000回転位だと、エンジン水温がサーモスタットの設定温度まで下がるでしょ?
 
 今ぐらいの時期、冬場だったら、もっとわかりやすいと思います。(特に70℃サーモつけてる人)

 それが、それより下の速度域や、それより上の速度域だと、エンジン水温があがる
 発熱や 回転抵抗、車速、通風量の問題もあるんでしょうが、水ポンプの効率の部分も相当あるんだと思っています。

 私の場合、さらなる出力向上狙っていますので、
 水ポンプ自体の抵抗をとりたい、流量自体が補えないとの結論で、電動化にいくことにしましたが、
 400馬力+αであれば、ポンプ加工、良い通風、良いラジエター、オイルクーラー、アルミパン等の放熱増等で
 乗り切れるんじゃないかと経験上おもってます。
 

2018/01/11

M119 エンジンの冷却水の流れ方 電動ポンプ化に際して再考2


前にフロントカバーのところに空いている 2個の小孔について書きました。
ウォーターポンプのインペラー前、いちばん負圧の強いところに、シリンダーヘッドインテークバルブ廻りから、
つながり、左右ブロックを連結して、2つの孔につながります。

前の記事


blockm119.jpg

 右バンク、ブロック部に8個の長穴がみえます。
 ヘッドを冷却した冷却水は、この長穴をとおって、その先にあるフロントカバー前面につながる2個の●穴につづきます。


fc2blog_2018011011035270d.jpg


こちらは、フロントカバーの2つの孔が まとまる小部屋です。インペラー上の下向きの三日月形状の小下手で集合します。
そのあと、上に向いている孔を通って、エンジンブロックから、ヘッド、インテークバルブまわりを冷やしたあとの
冷却水が ヘッドからブロック上部の通路をとおって、ここに通じます。


あらためて、考えたのですが、エキゾーストバルブ廻りを冷やした冷却水、もっとも熱い気泡混じりの冷却水は、
ヒーター側(4、8番)と インマニ内部で左右バンクを合流させて中央部のφ35の短いラバーホースで
ウォーターポンプにつながり、ラジエターに送られます。

ベンツが、ヒーターを廻すことを前提にエンジンを設計して、エキゾースト側の冷却水流はコントロールするけど、
インテーク側の流量が、不足すると考えたのでしょうか?

そのため、ウォーターポンプ上流に引っ張るようにしたのかと考えています。

なので、ラジエターの水配管は修正することにします。