２ストロークエンジンの掃気効率

２ストロークエンジンの掃気効率

掃気効率とは

二行程機関は、吸気、圧縮、燃焼、排気の四つの工程を、曲軸の二回転で終える内燃機関です。四行程機関とは異なり、吸気と排気が同時に起こる掃気という過程があります。この掃気において、新たな混合気を筒の中に送り込み、燃え残りの排気ガスを外に出します。この時、送り込んだ混合気のどれだけが有効に使われたかを数値で表したものが掃気効率です。

もう少し詳しく説明すると、筒の中に残った混合気の量を、筒の中の空気全体の量（残った混合気と残った排気ガスを合わせた量）で割って、百分率で表します。この値が100%に近づくほど、効率の良い掃気が行われていることを示します。言い換えれば、取り込んだ混合気を無駄なく燃焼に使えているということです。

掃気効率を高めるためには、様々な工夫が凝らされています。例えば、掃気方式には、単掃気、ループ掃気、クロス掃気などがあり、それぞれに利点と欠点があります。単掃気は構造が簡単ですが、掃気効率が低くなる傾向があります。ループ掃気は、混合気を筒の中で旋回させることで、排気ガスを効率的に押し出す方式です。クロス掃気は、吸気ポートと排気ポートを対向させることで、混合気が筒内を直線的に流れ、排気ガスを押し出す方式です。どの方式を採用するかは、エンジンの用途や求められる性能によって異なります。

掃気効率は機関の出力に直接影響を与える重要な要素です。効率の良い掃気は、燃焼効率を高め、出力を向上させるだけでなく、燃費の改善にも繋がります。また、排気ガス中の有害物質の排出量を減らす効果も期待できます。そのため、高効率な掃気は機関の性能向上に欠かせません。自動車メーカーは、様々な技術開発を通じて、掃気効率の向上に日々取り組んでいます。

掃気効率の重要性

自動車の心臓部であるエンジンにおいて、いかに効率よく新鮮な空気を取り込み、燃えかすを排出するかは、性能を左右する重要な要素です。この吸排気の効率を表す指標の一つが「掃気効率」です。特に、２行程エンジンと呼ばれる構造のエンジンでは、この掃気効率が性能に直結します。

２行程エンジンは、ピストンの上下運動を利用して、吸気、圧縮、燃焼、排気を一連の流れで行います。この中で、燃焼によって生じた排気ガスをシリンダー外に出し、同時に新しい混合気を取り込む過程を「掃気」と言います。掃気効率が高いということは、この吸排気の入れ替えがスムーズに行われ、シリンダー内に新鮮な混合気が十分に満たされている状態を指します。

掃気効率が高いと、燃焼に必要な酸素が豊富に供給されるため、燃料がより完全に燃焼します。その結果、エンジンの出力向上と燃費の改善に繋がります。さらに、燃え残りのガスが少なくなるため、排気ガスに含まれる有害物質の排出量も削減され、環境への負荷軽減にも貢献します。

反対に掃気効率が低い場合、シリンダー内に排気ガスが残り、新しい混合気が十分に取り込めません。酸素不足によって燃焼が不完全になり、エンジンの出力低下や燃費の悪化を招きます。同時に、燃え残ったガスが大気中に排出されるため、環境汚染の一因となります。

２行程エンジンの設計において、掃気効率の向上は常に重要な課題です。吸気ポートや排気ポートの形状、ピストンの形状、掃気方式など、様々な要素が掃気効率に影響を与えるため、より効率的な掃気を実現するために、技術開発が続けられています。

掃気方式と効率

二行程機関には、空気の入れ替え方法にいくつかの種類があります。大きく分けて、環状掃気、十字掃気、一方向掃気の三つです。それぞれの仕組みと利点、欠点を詳しく見ていきましょう。

まず、環状掃気は、吸気口と排気口が同じ側に並んで配置されています。入った新しい空気は、シリンダー内をぐるりと円を描くように流れて、燃えカスを押し出します。構造が単純で作るのが簡単なのが利点です。しかし、新しい空気と燃えカスがうまく混ざってしまうため、燃えカスを完全に排出しにくく、燃費が悪くなるのが欠点です。

次に、十字掃気は、吸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。入った新しい空気は、シリンダー内を横切るように流れて、燃えカスを押し出します。環状掃気に比べて、新しい空気と燃えカスが混ざりにくいため、燃えカスをより効率的に排出できます。その結果、燃費も向上します。しかし、環状掃気に比べると構造が複雑になり、作るのが少し難しくなります。

最後に、一方向掃気は、吸気口がシリンダーの下部に、排気口が上部に配置されています。入った新しい空気は、下から上へ一方向に流れて、燃えカスを押し出します。この方式は、新しい空気と燃えカスが最も混ざりにくいため、燃えカスを非常に効率的に排出でき、燃費が最も良くなります。また、出力も高くなります。しかし、構造が最も複雑で、作るのが最も難しくなります。

このように、それぞれの掃気方式には利点と欠点があります。そのため、機関の用途や求められる性能に合わせて、最適な方式を選ぶことが重要です。例えば、簡易な構造で良い場合は環状掃気、燃費と出力を重視する場合は一方向掃気が選ばれます。十字掃気はその中間の特性を持ち、バランスの取れた方式と言えるでしょう。

掃気効率の向上対策

空気と燃料の混合気をシリンダー内により効率的に送り込む技術、掃気。その効率を高めることは、エンジンの出力向上や燃費改善に直結する重要な要素です。混合気をスムーズに送り込み、燃焼後のガスを綺麗に取り除く、この一連の流れを最適化するための様々な工夫が存在します。

まず、混合気がシリンダー内へ入る入口と、燃焼後のガスが出る出口の形状を最適化する手法があります。これらの通り道の形を滑らかに整えることで、混合気の乱流を抑え、抵抗を減らすことができます。空気の流れをスムーズにすることで、より多くの混合気をシリンダー内へ送り込むことができるのです。

次に、ポンプを用いて混合気をシリンダーへ送り込む方法があります。エンジン本体のクランクケースを利用する方法や、専用のポンプを別に設置する方法があります。ポンプで混合気を加圧することで、シリンダー内へより多くの混合気を送り込み、掃気効率を高めることができます。まるで送風機で風を送るように、より強い力で混合気を送り込むイメージです。

最後に、燃焼後のガスを排出するタイミングを調整する装置を取り付ける方法があります。排気のタイミングを最適化することで、シリンダー内の燃焼後のガスをより効率的に排出し、新しい混合気をスムーズに導入することができます。これは、まるで呼吸をするように、吸う時と吐く時のタイミングを調整することで、より効率的に空気の入れ替えを行うようなものです。

これらの技術は、単独で用いられる場合もあれば、複数を組み合わせて用いられる場合もあります。状況に応じて最適な方法を選択、あるいは組み合わせることで、エンジンの性能を最大限に引き出すことができます。まるで料理人が様々な食材や調味料を組み合わせて美味しい料理を作るように、エンジンの性能向上のためにも、様々な技術を組み合わせることが重要です。

将来の技術

環境への配慮が世界中で求められる中、二行程機関の燃費向上と排ガス低減は、乗り物の未来を考える上で重要な課題となっています。二行程機関は構造が簡単で高い出力を取り出せる反面、燃費が悪く排ガスも多いという弱点がありました。しかし、技術の進歩により、これらの弱点を克服する研究開発が盛んに行われています。

計算機による模擬実験を使うことで、エンジンの内部でどのように混合気の流れが生じているかを詳しく調べることが可能になりました。これにより、シリンダー内の混合気の動きを最適化し、燃焼効率を向上させる新たな吸排気方式が開発されています。従来の二行程機関は、新しい混合気が排気ガスと共に一部外へ出てしまう欠点がありましたが、掃気効率の向上により、この損失を最小限に抑えることができるようになりました。

さらに、二行程機関の新たな可能性を広げる技術として、電気仕掛けと組み合わせた複合動力方式の開発も進んでいます。電気仕掛けは、発進時や低速走行時など、二行程機関の効率が悪い領域を補う役割を果たします。これにより、燃費の向上だけでなく、排ガス低減にも大きな効果が期待できます。二行程機関の力強さと、電気仕掛けの高い効率性を組み合わせることで、環境性能と走行性能を両立した、未来の乗り物を生み出すことが期待されています。これらの技術革新は、単に環境問題への対応だけでなく、乗り物の動力源の多様化にも繋がり、より持続可能な社会の実現に貢献するものと言えるでしょう。