マツダ:FS-ZE型エンジンの諸元と性能まとめ [直列4気筒 1991cc]

ここではマツダのBJ5P改型・ファミリア [Mazda-Speed Familia|2001/05モデル] に搭載されているFS-ZE型の自然吸気エンジンのデータを参考に、このエンジンが持つ特性や素性について調べてみます。

FS-ZE型の自然吸気エンジン諸元


BJ5P改型 ファミリア
主要諸元と走行性能まとめ
車両型式GF-BJ5P改型
車名&グレードファミリア
Mazda-Speed Familia
エンジン型式FS-ZE
種類直列4気筒
排気量1991cc
内径×行程83.0mm×92.0mm
ボアストローク比1.11
単気筒容積497.8cc
吸気方式自然吸気
使用燃料ハイオクガソリン
最高出力175PS/6800rpm
最大トルク18.9kgm/5000rpm

まず基本的な成り立ちとして、FS型エンジンはボア(内径)83.0mm、ストローク(行程)92.0mm、ボアストローク比1.11のロングストローク型エンジン(ピストン径よりもストローク量のほうが大きい)です。

排気量と気筒数が同一の場合、ショートストローク型に比べて低回転域でのトルク特性に優れ、扱い易いエンジンとされますが、高回転域では充填効率の悪化や摺動抵抗が増大して出力の低下が懸念されます。

なおかつ回転数も同一の場合、ショートストローク型に比べて平均ピストンスピードが高くなりがちなことから、エンジンへの負荷が大きくなる傾向にあります。

このサイトにて登録されている車種のうち、FS-ZE型の自然吸気エンジンを搭載する最も古い車種は、1997/08から発売された7代目カペラ [GFEP型|1997/08]、最も新しい車種は1999/04から発売された初代プレマシー [CPEW型|2003/05]となっており、NA車は10車種、ターボ/SC車は0車種の全10車種が登録されています。

過渡特性とリッター換算馬力から見た評価

エンジン性能曲線のイメージ
FSのエンジン性能曲線図もどき
馬力の変遷131.9PS → 175PS
トルクの変遷18.9kgm → 18.4kgm
リッター馬力87.9PS/L
リッタートルク9.5kgm/L

今回の参考車両であるファミリアの直列4気筒1991ccでハイオクガソリン仕様の自然吸気エンジンは、6800回転のとき最高出力175馬力を、6800回転のとき最大トルク18.9kgmを発生させます。

馬力と回転数が分かればトルクが、トルクと回転数が分かれば馬力を知ることができますので計算してみますと、最大トルクが発生する5000回転での馬力は131.9PS、最高出力が発生する6800回転でのトルクは18.4kgmになります。

排気量1リットルあたりの馬力は87.9PS/L、トルクは9.5kgm/Lとなり、1気筒(単気筒容積497.8cc)あたりの馬力は43.8PS、トルクは4.7kgmです。

FS型自然吸気エンジンを、このサイトで登録している全てのNA車から集計した偏差値ベースの10段階評価に当てはめると、評価は換算馬力が[ 8 ]、換算トルクが[ 6 ]の「結構な高出力エンジン」にカテゴライズされます。

ちなみに、FS-ZE型のターボ・SCエンジン搭載車種のうち、最高出力が最も大きかったのはBJ5P改型ファミリアの175PS/18.9kgm、最も小さかったのはCPEW型プレマシーの165PS/18.1kgmとなっています。

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排気量アップと圧縮比の上昇、ボアストローク比の変化

ノーマルの排気量と圧縮比
BoreStroke排気量圧縮比B/S比
83.092.01991cc-1.11
ボアアップによる排気量拡大
83.592.02015cc-1.10
84.02039cc-1.10
84.52064cc-1.09
85.02088cc-1.08
85.52113cc-1.08
86.02138cc-1.07
ストロークアップによる排気量拡大
83.093.02013cc-1.12
94.02034cc-1.13
95.02056cc-1.14
96.02078cc-1.16
97.02099cc-1.17

エンジンの排気量を決める要素には気筒数、ボア径、ストローク量の3つがあり、これらを増減することでさまざまな排気量のエンジンが生まれます。

ここでは実際に可能かどうかは別として、ピストン径を純正の83.0mmから0.5mm刻みで86.0mmまで拡大した場合および、ストロークを純正の92.0mmから1mm刻みで97.0mmまで延長した場合の排気量と、燃焼室容積が変化しないと仮定した場合の圧縮比の変化を一覧表にしています。

※ストロークアップと口で言うのは簡単なのですが、ロングストローク化するにあたってはクランクシャフトおよび対応コンロッドが必要になり、純正流用できない場合はワンオフで作らなければならないなど、とにかくお高く付きますので、手を出すには相当の覚悟を求められるメニューです。

B/S比はボアストローク比の略で、ボア径を広げていくとロングストローク型からスクエア型、あるいはショートストローク型の特性へと近付いていきます。FS型エンジンの場合、純正ピストンから+3.0mmのボアアップをすると比は1.11から1.07に変化するという具合です。

ピストン径が近いエンジンと排気量アップ

FS型エンジンのピストン径83.0mmとサイズが近いピストンを持つエンジンが52件ありますので、余興としてピストン流用でボアアップした場合の排気量を計算してみます。

Eg型式ピストン径排気量
日産
MR20型
84.0mm
[+1.0mm]
2039cc
[+48cc]
スバル
FB20型
84.0mm
[+1.0mm]
2039cc
[+48cc]
マツダ
J20A型
84.0mm
[+1.0mm]
2039cc
[+48cc]
ホンダ
B20B型
84.0mm
[+1.0mm]
2039cc
[+48cc]
日産
MR18型
84.0mm
[+1.0mm]
2039cc
[+48cc]
スズキ
J18A型
84.0mm
[+1.0mm]
2039cc
[+48cc]

ピストン径が近いエンジンとしては、日産:CC25型ランディに搭載されるMR20型1997ccの84.0mm、スバル:GT7型XVに搭載されるFB20型1995ccの84.0mm、マツダ:TF52W型プロシード レバンテに搭載されるJ20A型1995ccの84.0mm、ホンダ:RD1型CR-Vに搭載されるB20B型1972ccの84.0mm、日産:JC11型ティーダに搭載されるMR18型1797ccの84.0mm、スズキ:GC41W型カルタス クレセントワゴンに搭載されるJ18A型1839ccの84.0mmなどが該当します。

(もはやこのような探求に楽しみを見い出す人は減ってしまいましたが)いくら径が近かろうとも、ピストンピンの径やピストンの高さ、バルブリセスの都合などなどありますので、なるべくなら同じメーカー、なるべくなら同じ燃料で同じ吸気方式、なるべくなら排気量が近いものを選ぶと純正流用できる可能性が高くなる、かもしれません。

ピストン径が小さい 2000ccクラスのエンジン
ピストン径が大きい 2000ccクラスのエンジン
ストロークが短い 2000ccクラスのエンジン
ストロークが長い 2000ccクラスのエンジン
ボアストローク比・昇順 [2000ccクラス]
ボアストローク比・降順 [2000ccクラス]


平均ピストンスピード

ストローク最大トルク
5000rpm
最高出力
6800rpm
92.0mm15.3m/s20.9m/s
回転数/分秒速時速
2000rpm6.1m/s22km/h
4000rpm12.3m/s44km/h
6000rpm18.4m/s66km/h
8000rpm24.5m/s88km/h
10000rpm30.7m/s111km/h

続きまして平均ピストンスピードについて見てみます。ストロークが92.0mmのエンジンが最高出力を発生する6800回転での平均ピストンスピードは20.9m/sとなり、これは1秒間に20.9メートル(時速にすると75.2km/h)の距離を進む速さでピストンが上下運動していますよ、という意味です。

最大トルクを発生する5000回転では15.3m/s、最高出力が発生する6800回転より500回転高い7300回転をレブリミットと仮定したときの平均速度は22.4m/sとなっています。

参考までにストロークが92.0mmのFS型エンジンを10000回転/毎分まで回したときのピストンスピードの変化を計算してみました。これを見ると回転数が2000回転高くなるごとに概ね6.15m/sずつ速度が増していくようです。

大量生産を前提とした一般的なエンジンの目安である20.0m/sのみを基準として考えると、6520回転くらいが良い感じの回転数になるのではないかと思いますが、このエンジンは最高出力を発生している時点で既に20.0m/sを超えており、レブリミットを考慮するともう少し余分に(300~500回転?)回ることから、内部では大変なことになりながらも頑張って回っているエンジンです。


FS-ZE型エンジンを搭載する車種の例

全10車種のうち、最高出力が大きいものから順に上位3車種を表示しています。その他の車種については、ページ下部にあるリンクよりFS型エンジン搭載車種の一覧をご覧ください。

メーカー
車両型式
画像車名&グレード出力/燃費
パワーウェイト
排気量
変速機
マツダ
BJ5P改
2001/05
ファミリア
Mazda-Speed Familia
[GF-BJ5P改]
175PS
18.9kgm
-
6.80kg/PS
自然吸気
FF/5MT
セダン
5人乗り

ファミリア
[Mazda-Speed Familia]
2001/05モデル
車両型式GF-BJ5P改
最高出力175PS
最大トルク18.9kgm
パワーウェイト6.80kg/PS
吸気方式自然吸気
駆動方式&変速機FF/5MT
車体形状&乗車定員セダン/5人乗り
マツダ
GWEW
2001/12
カペラ ワゴン
SX-Sport
[GF-GWEW]
170PS
18.4kgm
12.0km/L
7.88kg/PS
自然吸気
FF/4AT
ワゴン
5人乗り

カペラ ワゴン
[SX-Sport]
2001/12モデル
車両型式GF-GWEW
最高出力170PS
最大トルク18.4kgm
10-15モード燃費12.0km/L
パワーウェイト7.88kg/PS
吸気方式自然吸気
駆動方式&変速機FF/4AT
車体形状&乗車定員ワゴン/5人乗り
マツダ
GWER
1999/11
カペラ ワゴン
SR-X
[GF-GWER]
170PS
18.4kgm
10.6km/L
8.53kg/PS
自然吸気
4WD/4AT
ワゴン
5人乗り

カペラ ワゴン
[SR-X]
1999/11モデル
車両型式GF-GWER
最高出力170PS
最大トルク18.4kgm
10-15モード燃費10.6km/L
パワーウェイト8.53kg/PS
吸気方式自然吸気
駆動方式&変速機4WD/4AT
車体形状&乗車定員ワゴン/5人乗り
FS型エンジン搭載車種の一覧
パワーウェイトレシオ順|全24車種

その他のFS型エンジン型式と代表的な車種

FS-DE型
全11車種
マツダ:プレマシー [G-Sport 5人乗り]
最高出力165PS/最大トルク18.1kgm
2001/12モデル
マツダ
FS-DE型
全11車種
プレマシー
[G-Sport 5人乗り]
165PS/18.1kgm
FS-DE型
全2車種
日本フォード:テルスターII [20i-X]
最高出力125PS/最大トルク17.6kgm
1996/01モデル
フォードジャパン
FS-DE型
全2車種
テルスターII
[20i-X]
125PS/17.6kgm
FS型
全1車種
マツダ:MPV [FieldBreak]
最高出力135PS/最大トルク18.0kgm
2001/10モデル
マツダ
FS型
全1車種
MPV
[FieldBreak]
135PS/18.0kgm

マツダ製エンジンの原動機型式まとめ
【排気量順】