２ストロークエンジンの対称掃気方式

２ストロークエンジンの対称掃気方式

掃気方式の種類

二行程機関は、クランク軸が一回転する間に吸気、圧縮、膨張、排気の四つの行程を行う内燃機関です。四行程機関のように吸気と排気を別々に行うのではなく、「掃気」と呼ばれる行程で同時に行います。この掃気行程の良し悪しが機関の性能を大きく左右します。掃気とは、燃焼済みの排気ガスをシリンダーから押し出し、同時に新しい混合気をシリンダー内に送り込む作業です。 掃気方式には、大きく分けてピストン制御方式と弁制御方式の二種類があります。

まず、ピストン制御方式について説明します。この方式は、ピストンの上下運動によってシリンダー壁に設けられた掃気口と排気口を開閉します。構造が簡単で製造費用も抑えられるという利点があります。しかし、ピストンの位置で掃気と排気のタイミングが決まるため、制御の自由度が低いという欠点もあります。ピストンの動きに合わせて吸排気を行うため、どうしても新しい混合気の一部が排気口から出て行ってしまう「ショートサーキット」と呼ばれる現象が発生しやすく、燃費が悪くなる傾向があります。また、排気ガスが十分に排出されずにシリンダー内に残ってしまうこともあり、出力の低下につながることもあります。

次に、弁制御方式について説明します。この方式は、管制弁を用いて掃気口と排気口の開閉時期を制御します。ピストン制御方式と比べて機構は複雑になりますが、掃気と排気のタイミングをより精密に制御できるため、ショートサーキットの発生を抑え、燃費と出力を向上させることができます。回転弁やリード弁など、いくつかの種類があり、それぞれに特徴があります。例えば、回転弁は、円盤状の弁を回転させることで吸排気口を開閉する方式で、高回転域での性能向上に貢献します。リード弁は、薄い板状の弁が圧力差によって開閉する方式で、構造が簡単で費用も抑えられます。このように、弁制御方式は、機関の特性や用途に合わせて最適な弁を選択することで、より高い性能を引き出すことが可能です。

対称掃気方式の仕組み

対称掃気方式とは、二行程機関において、ピストンが上下運動する際に、新しい混合気をシリンダー内に送り込み、同時に燃えカスを排出する過程で用いられる技術のひとつです。この方式の特徴は、ピストンの下死点（ピストンが最も下に来た位置）を基準として、混合気の取り入れ口（掃気口）と燃えカスを排出する口（排気口）の開閉のタイミングが、下死点前後の同じ角度で、鏡写しのように対称になっている点にあります。

具体的には、ピストンが下死点に近づく際、まず排気口が開き始め、燃えカスが外に押し出されます。続いて掃気口が開き、新しい混合気がシリンダー内へと流れ込みます。ピストンが下死点を過ぎて上昇を始めると、まず掃気口が閉じ、次に排気口が閉じます。この一連の動作において、下死点前後の掃気口と排気口の開閉タイミングが、下死点を中心として互いに同じ角度で開閉するよう設計されているため、「対称掃気」と呼ばれます。

対称掃気を利用した代表的な方式として、横断掃気とループ掃気が挙げられます。横断掃気では、掃気口と排気口がシリンダーの反対側に配置されています。ピストンが下死点付近に達すると、掃気口から入った新しい混合気は、シリンダーを横切って排気口へと流れ、燃えカスを押し出すようにシリンダー内を掃除します。この方式は、構造が単純で、製造費用を抑えられるという利点があります。

一方、ループ掃気では、掃気口と排気口がシリンダーの同じ側に配置されています。新しい混合気は、シリンダー内に入り込むと、壁に沿って渦を巻くように流れ、燃えカスを排気口へと押し出します。このループ状の流れを作ることで、燃えカスをより効率的に排出でき、新しい混合気との混合を防ぎ、燃焼効率を高める効果が期待できます。

どちらの方式も、ピストンの上下運動と連動して掃気口と排気口を開閉させるため、対称掃気の原理に基づいています。それぞれの方式には利点と欠点があり、用途や目的に合わせて最適な方式が選択されます。

対称掃気の課題：過給の難しさ

対称掃気という仕組みは、エンジンが空気を吸い込み、排気ガスを出す方法の一つです。吸気と排気が、どちらもシリンダーの両側から行われるため「対称」と呼ばれています。この方式は構造が単純で、作るのが比較的簡単という利点があります。しかし、大きな欠点として、エンジンに過給器を取り付けるのが難しいという問題があります。

過給器とは、空気を圧縮してエンジンに送り込む装置です。より多くの空気を送り込むことで、より多くの燃料を燃やすことができ、エンジンの出力が上がります。まるで鞴（ふいご）で空気を送り込むように、より多くの酸素を燃焼室に送り込み、爆発力を高める技術です。しかし、対称掃気エンジンでは、排気ガスを出す穴と、新しい空気を吸い込む穴が、同じタイミングで開閉しません。排気ガスを出す穴が閉じるのが少し遅いため、せっかく過給器で圧縮した新鮮な空気も、排気と一緒に外に出て行ってしまうのです。これでは、過給器の効果が薄れてしまいます。

例えるなら、穴の開いた風船に空気入れで空気を入れるようなものです。一生懸命空気を入れても、穴から抜けていく空気の量が多ければ、風船は膨らみません。対称掃気エンジンもこれと同じで、せっかく空気を圧縮して送り込んでも、排気と一緒に出て行ってしまっては、エンジンのパワーアップにつながらないのです。

この排気ガスの流出は、エンジンの燃費にも悪影響を与えます。同じパワーを出すにも、より多くの燃料が必要になるため、４行程エンジンに比べて２行程エンジンは燃費が悪くなる傾向にあります。対称掃気の効率の悪さが、２行程エンジンの燃費の悪さの一因となっていると言えるでしょう。この問題を解決するために、排気のタイミングを工夫したり、排気の流れを制御する工夫が様々なエンジンで試みられています。

非対称掃気と管制弁の役割

二行程機関において、いかに効率的に燃焼済みガスを排出し、新たな混合気を送り込むかは、性能を大きく左右する重要な要素です。従来の対称掃気では、掃気ポートと排気ポートが同時に開閉するため、どうしても燃焼済みガスがシリンダー内に残留したり、せっかく送り込んだ新しい混合気が排気ポートから出て行ってしまうという問題がありました。このような課題を解決するために開発されたのが、非対称掃気という技術です。

非対称掃気は、その名の通り、掃気ポートと排気ポートの開閉時期を非対称、つまりずらして制御する方式です。具体的には、排気ポートを掃気ポートよりも先に閉じ、掃気ポートを遅く閉じることで、シリンダー内に新鮮な混合気をより多く閉じ込めることができます。この動作は、まるでポンプで空気を送り込むようにシリンダー内を過給状態にする効果があり、出力向上に繋がります。

この非対称掃気を実現する上で、管制弁という部品が重要な役割を担います。管制弁は排気ポートの開閉時期を調整する弁で、ピストンの動きとは別に独立して制御されます。ピストンが上下する動きだけでは、掃気と排気のタイミングを精密に制御することはできません。そこで、管制弁を導入することで、排気ポートを適切なタイミングで開閉し、燃焼済みガスを効率的に排出しつつ、新しい混合気をシリンダー内にしっかりと送り込み、閉じ込めることが可能になります。管制弁による精密な制御は、エンジンの出力向上だけでなく、燃費の改善にも大きく貢献します。非対称掃気と管制弁は、二行程機関の性能向上に欠かせない重要な技術と言えるでしょう。

掃気方式の進化と展望

二行程機関の吸気と排気を同時に行う技術、掃気方法は、時代と共に大きく進歩してきました。初期の二行程機関は、吸気と排気を同じ行程で行う対称掃気と呼ばれる単純な方式を採用していました。この方式では、吸気と排気が混ざり合いやすく、未燃焼の混合気が排気と共に排出されるため、燃費が悪く、排気ガスもきれいではありませんでした。

この問題を解決するために開発されたのが、管制弁を用いた非対称掃気です。管制弁は排気ポートに設置され、排気の逆流を防ぎながら吸気をスムーズに行うことができます。これにより、吸気と排気の混合が減少し、燃費と排気ガスの改善に大きく貢献しました。非対称掃気には様々な種類があり、ループ掃気やクロス掃気など、シリンダー内の気流を制御することで、より効率的な掃気を実現しています。

近年の環境規制の強化に伴い、二行程機関には更なる燃費向上と排ガス低減が求められています。そこで注目されているのが、コンピューターによる精密な掃気制御です。吸気ポートの開閉時期や管制弁の動作を電子制御することで、運転状況に応じた最適な掃気を実現し、燃費と排気ガスの大幅な改善を図ることができます。

さらに、新型掃気方式の開発も積極的に進められています。例えば、複数種類の掃気方式を組み合わせたり、シリンダーの形状を工夫したりすることで、更なる効率向上を目指しています。これらの技術革新は、環境性能に優れた二行程機関の実現に繋がり、小型軽量という二行程機関の利点を活かしながら、様々な用途での活躍が期待されます。

様々なエンジンの比較

動力源として広く利用されているエンジンには、様々な種類があります。大きく分けると、ガソリンや軽油などの燃料を燃焼させて動力を得る内燃機関と、電気を使って動力を得る電動機、そして両者を組み合わせたハイブリッドシステムなどがあります。ここでは、内燃機関の中でも、代表的な種類である２ストローク、４ストローク、そしてロータリーエンジンについて、それぞれの特徴を詳しく見ていきましょう。

まず、４ストロークエンジンは、吸気、圧縮、爆発、排気の４つの行程を繰り返すことで動力を生み出します。燃費の良さや排気ガスのきれいさ、そして安定した出力特性が特徴です。乗用車をはじめ、トラックやバスなど、幅広い種類の乗り物に搭載されています。構造が複雑なため製造コストはやや高くなりますが、技術の進歩により、静粛性も向上しています。

次に、２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンの半分の行程、つまり吸気と圧縮、そして爆発と排気を同時に行うことで動力を得ます。構造が単純で軽量であるため、小型バイクやチェーンソー、刈払機などに使われています。また、同じ排気量であれば４ストロークエンジンよりも大きな出力を得ることができます。しかし、燃費が悪く、排気ガスもきれいではないという欠点があります。そのため、環境への影響を考慮し、近年では利用範囲が狭まりつつあります。

最後に、ロータリーエンジンは、三角形の回転子（ローター）が回転することで動力を生み出す、独特な構造のエンジンです。小型軽量でありながら高い出力を得られること、そして回転が滑らかで振動が少ないことが特徴です。かつては一部のスポーツカーなどに搭載されていましたが、燃費の悪さと排気ガスの問題、そして独特の構造であるがゆえの製造コストの高さから、現在ではほとんど使われていません。

このように、それぞれのエンジンには、得手不得手があります。用途や目的に合わせて最適なエンジンを選ぶことが、乗り物の性能を最大限に引き出す鍵となります。