２ストロークエンジンの非対称掃気

２ストロークエンジンの非対称掃気

掃気方式の種類

二行程機関は、吸入、圧縮、膨張、排気の四つの工程を、回転軸の二回転で終える燃焼機関です。四行程機関と違い、吸入と排気を同時に行う「掃気」という工程があります。この掃気の効率が機関の出力や燃費に大きく左右します。掃気には様々な種類がありますが、大きく分けると単流掃気、横断掃気、環状掃気の三種類に分類できます。

単流掃気は、筒の両端に吸入口と排気口を設け、新鮮な混合気を一方から入れ、排気ガスを反対側から出す方式です。空気の流れが一方向なので、混合気と排気ガスが混ざりにくく、掃気効率が高いのが特徴です。大型のディーゼル機関などで採用されています。

横断掃気は、筒の側面に吸入口と排気口を設け、混合気を筒の中を横切るように流し、排気ガスを押し出す方式です。構造が単純で製造費用を抑えられる利点がありますが、混合気の一部が排気口から出てしまう短所もあります。かつてはオートバイなどで広く使われていました。

環状掃気は、筒の側面に設けた吸入口から入った混合気が、筒の中を渦を巻きながら排気口から排気ガスを出す方式です。混合気が筒内を旋回することで、排気ガスを効率的に押し出すことができます。単流掃気に比べると構造が複雑になりますが、横断掃気に比べると掃気効率が高く、現在、小型の二行程機関で広く採用されています。

管制弁の役割

空気の流れをうまく整えることで、二行程機関の働きを高める工夫の一つに、管制弁があります。二行程機関には、掃気方法の違いによって、一方向掃気、横断掃気、ループ掃気といった種類があります。どれも、ピストンの動きに合わせて空気を取り込み、燃えかすを排気する仕組みです。しかし、ピストンの動きだけでは、空気の流れを細やかに制御することが難しい場合があります。そこで、管制弁が活躍します。

管制弁とは、空気の通り道に設けられた、開閉できる蓋のようなものです。この蓋を開け閉めすることで、空気の入る量やタイミング、出ていく量やタイミングを調整できます。管制弁は、吸気口や排気口に取り付けられています。エンジンの回転速度や負荷に応じて、管制弁の開閉時期を変えることで、より効率的に掃気を行うことができます。例えば、エンジンの回転速度が低いときは、管制弁を早く開けて、空気を多く取り込みます。逆に、エンジンの回転速度が高いときは、管制弁を遅く開けて、空気の取り込み量を減らします。このように、管制弁によって空気の流れを精密に制御することで、掃気効率の向上と出力の増加を実現できます。

管制弁には、いくつかの種類があります。機械式の管制弁は、エンジンの回転速度や負荷に応じて、機械的な仕組みで開閉時期を調整します。一方、電子制御式の管制弁は、コンピューターで制御され、より精密な調整が可能です。その他にも、様々な種類の管制弁があり、エンジンの特性に合わせて最適なものが選ばれます。それぞれの特性に合わせて最適な管制弁を選ぶことで、エンジンの性能を最大限に引き出すことができます。

非対称掃気の仕組み

非対称掃気とは、エンジン内部の空気の流れを制御する技術で、新しい混合気をシリンダー内に送り込み、燃えカスを排出する掃気工程を最適化する仕組みです。通常の掃気方法では、混合気を送り込むための掃気口と、燃えカスを排出するための排気口の開閉タイミングは、ピストンの動きの中で最も下にある下死点という位置を基準に、対称的に設定されています。つまり、下死点前後の同じ角度で両方の口が開閉します。

しかし、非対称掃気では、このタイミングを意図的にずらします。具体的には、排気口を掃気口よりも早く閉じます。ピストンが下死点に達する少し前に排気口を閉じ、下死点を通過して少し上昇した後に掃気口を閉じることで、シリンダー内により多くの新鮮な混合気を閉じ込めることが可能になります。

この仕組みにより、いくつかの利点が生まれます。まず、シリンダー内により多くの混合気が入るため、エンジンの出力が向上します。多くの混合気はより大きな爆発力を生み出し、より強い力をエンジンに与えます。次に、燃えカスがシリンダー内に残りにくくなるため、新しい混合気と燃えカスの混ざりが減り、燃焼効率が向上します。これは燃費の改善に繋がります。さらに、排気ガスに含まれる有害物質の排出量も削減できます。

このように、非対称掃気は、エンジンの出力向上と燃費改善、そして環境性能の向上に貢献する重要な技術と言えるでしょう。無駄なく効果的に混合気をシリンダー内に送り込み、燃焼効率を高めることで、より高性能で環境に優しいエンジンを実現することが期待できます。

過給との組み合わせ

エンジンに空気を押し込む装置、つまり過給器を取り付ける場合、非対称掃気という技術は、より大きな効果を生み出します。過給器は、空気を圧縮してエンジン内部に送り込み、通常よりも多くの混合気を燃焼させることで、エンジンの力を高める働きをします。非対称掃気は、この過給器と組み合わせることで、その効果を最大限に発揮できるのです。

非対称掃気は、吸気と排気のタイミングを調整する技術です。通常のエンジンでは、吸気弁と排気弁の開閉時期はほぼ同じ長さですが、非対称掃気では排気弁を閉じるタイミングを早めます。過給器によって圧縮された空気は、シリンダー内により多くの酸素を送り込みます。しかし、排気弁が開いている時間が長いと、せっかく送り込んだ混合気が排気と一緒に出て行ってしまいます。これを防ぐために排気弁を早く閉じることで、圧縮された混合気をシリンダー内に閉じ込め、より多くの燃料を燃焼させることができます。

例えるなら、風船に空気をたくさん入れようとする時を想像してみてください。風船の口を大きく開けたままでは、せっかく入れた空気も逃げてしまいます。しかし、空気を入れながら口を閉じれば、より多くの空気を風船の中に閉じ込めることができます。非対称掃気は、まさにこの風船の口を閉じる役割を果たし、過給器によって送り込まれた空気を逃さず、エンジンの出力向上に貢献するのです。これにより、エンジンの馬力を高め、力強い加速を実現することができます。さらに、排気ガスの温度を下げ、有害物質の排出を減らす効果も期待できます。

非対称掃気の利点

２行程機関は、吸気と排気を同時に行うという構造上、どうしても排気ガスが燃焼室に残留しやすく、新しい混合気が外へ逃げてしまうという欠点がありました。そこで登場したのが非対称掃気と呼ばれる技術です。これは、排気口と掃気口の開閉時期をずらすことで、燃焼室内のガス交換効率を高める方法です。

従来の対称掃気では、排気口と掃気口が同時に開閉するため、どうしても排気ガスと新しい混合気が混ざり合ってしまい、燃焼効率が低下していました。非対称掃気では、排気口を掃気口よりも早く閉じることで、この問題を解決しています。排気口が閉じられた後に掃気口が開いている状態を作ることで、シリンダー内により多くの新鮮な混合気を送り込むことができます。同時に、燃焼室に残っていた排気ガスもより効果的に押し出すことができます。これにより、燃焼効率が向上し、エンジンの出力が上がります。また、燃料の消費量も抑えることができるため、燃費の改善にもつながります。

さらに、非対称掃気は過給機との相性が良いという利点もあります。過給機は、空気を圧縮してエンジンに送り込む装置で、エンジンの出力を向上させる効果があります。非対称掃気と過給機を組み合わせることで、より多くの空気をシリンダー内に送り込み、さらに大きな出力向上を実現できます。高性能な競技用エンジンから、燃費を重視する実用エンジンまで、幅広い用途で非対称掃気は採用されており、２行程機関の性能向上に大きく貢献していると言えるでしょう。

非対称掃気の課題

吸気と排気を非対称に行う技術は、多くの利点を持つ一方で、いくつかの難題も抱えています。まず、吸気と排気のタイミングを非常に正確に制御する必要がある点が挙げられます。排気を行う穴を閉じるタイミングが早すぎると、排気ガスが十分に外に出ず、エンジンの力が弱まることがあります。反対に、閉じるタイミングが遅すぎると、吸気を送り込む効果が十分に得られません。最適な開閉のタイミングは、エンジンの回転数や負荷によって変化するため、高度な制御技術が必要となります。

次に、排気の流れを制御する弁の耐久性も課題です。排気を行う穴を開け閉めする弁は、高温高圧という厳しい環境で働くため、高い耐久性が求められます。この弁の素材や構造の改良は重要な課題です。

さらに、非対称掃気は、エンジンの構造を複雑にするため、製造コストが高くなる傾向があります。また、制御装置の精密さも求められるため、製造には高度な技術が必要となります。

これらの課題を解決するために、様々な技術開発が行われています。例えば、コンピューターを使った高度な制御システムの開発や、新しい材料を使った耐久性の高い弁の開発などが進められています。これらの技術開発によって、非対称掃気の利点を最大限に引き出し、エンジンの性能向上や燃費改善に役立てることが期待されています。非対称掃気という優れた技術の真価を発揮するためには、これらの課題を克服し、制御技術や部品の耐久性を向上させることが不可欠です。