２ストロークエンジンの掃気

２ストロークエンジンの掃気

掃気の仕組み

二行程機関は、ピストンが上下に一度動く間に、動力の発生に必要な一連の動作を完了させる構造を持つ原動機です。四行程機関に比べて部品数が少なく、同じ大きさであればより大きな力を出すことができます。かつては自動二輪車や小型船舶などで多く使われていました。二行程機関特有の工程である掃気について解説します。

ピストンがシリンダーと呼ばれる筒の中を上下に動きます。ピストンが上死点に達すると、シリンダー内の混合気は圧縮され、点火により爆発し、ピストンを押し下げます。ピストンが下がり始めると、まず排気口が開き、燃えカスが外に押し出されます。ピストンがさらに下がると、給気口が開き、新しい混合気がシリンダー内へと送り込まれます。この時、新しい混合気の流れを利用して、燃えカスをシリンダーの外へ押し出すことが掃気です。

掃気は、二行程機関の性能を大きく左右する重要な要素です。新しい混合気を効率よくシリンダー内に送り込み、同時に燃えカスを完全に排出しなければなりません。もし、燃えカスがシリンダー内に残ってしまうと、次の燃焼がうまく行われず、機関の出力低下や燃費悪化につながります。また、新しい混合気が排気口から出て行ってしまうと、これもまた出力低下や燃費悪化、さらには環境汚染の原因となります。いかに燃えカスを排出しつつ、新しい混合気をシリンダー内に留めるかが掃気の効率に関わってきます。

掃気方式には大きく分けて、ピストン掃気、ロータリーディスクバルブ掃気、リードバルブ掃気などがあります。ピストン掃気は、ピストンの形状を工夫することで掃気を行う方式で、構造が単純であることが利点です。ロータリーディスクバルブ掃気は、回転する円盤を用いて給気口と排気口を開閉する方式で、掃気効率が高いことが特徴です。リードバルブ掃気は、薄い板状の弁を用いて給気口を開閉する方式で、構造が単純で、比較的高回転まで対応できることが利点です。それぞれの方式には利点と欠点があり、用途に応じて使い分けられています。

掃気方法の種類

エンジンの内部をきれいにする「掃気」には、大きく分けて二つの方法があります。一つは「ループ掃気」と呼ばれる方法です。この方法は、筒状の部品であるシリンダーの下部から新鮮な混合気を取り込み、シリンダー上部から燃えカスである排気ガスを出すという流れで行います。まるで円を描くように混合気が流れることから、この名前が付けられました。ループ掃気は構造が単純で部品点数が少なく、作るのが簡単という利点があります。しかし、吸気と排気が同じ経路をたどるため、新しい混合気と排気ガスが混ざりやすいという欠点があります。せっかく取り入れた新鮮な混合気が、燃えカスと混ざってしまい、燃焼効率が悪くなってしまうのです。その結果、燃費が悪くなり、排気ガスも汚れてしまいます。

もう一つの方法は「クロス掃気」です。こちらはシリンダーの片側から新鮮な混合気を吸い込み、反対側から排気ガスを出す方法です。混合気の流れがシリンダーを横切るように見えることから、この名前が付けられました。クロス掃気では、吸気と排気の経路が別々なので、ループ掃気に比べて新しい混合気と排気ガスが混ざりにくいという利点があります。そのため、燃焼効率が良く、燃費が良く、排気ガスもきれいになります。しかし、クロス掃気はループ掃気に比べて構造が複雑になり、部品点数も多くなるため、製造コストが高くなる傾向があります。

このように、ループ掃気とクロス掃気にはそれぞれ利点と欠点があります。単純な構造で低コストが求められる場合はループ掃気、高い燃焼効率とクリーンな排気が求められる場合はクロス掃気が選ばれます。近年のバイクや小型エンジンなどでは、環境性能の向上が重視されるため、クロス掃気が主流となっています。エンジンの用途や求められる性能によって、最適な掃気方法が選ばれているのです。

掃気効率の重要性

車の心臓部であるエンジンは、混合気を燃焼させて動力を生み出しています。この燃焼を効率良く行うためには、燃え終わったガスをしっかりと排出し、新しい混合気を十分に取り込む必要があります。この排気と吸気の効率性を示すのが掃気効率です。

掃気効率が高いエンジンは、燃焼済みのガスをほぼ完全にシリンダーから排出できます。そのため、より多くの新鮮な混合気をシリンダー内に取り込むことができ、力強い燃焼を実現します。この力強い燃焼は、高い出力につながり、車の加速性能を向上させます。さらに、燃焼効率も向上するため、燃費の改善にも貢献します。

反対に掃気効率が低いエンジンでは、燃焼済みのガスがシリンダー内に残留してしまいます。この残留ガスは、新しい混合気と混ざり合うことで燃焼を阻害します。結果として、燃焼は弱くなり、出力の低下や燃費の悪化を招きます。また、燃焼しきれなかった混合気が排気ガスとして排出されるため、大気汚染の原因となる可能性も高まります。

特に、２行程エンジンでは、吸気と排気を同時に行うため、掃気効率がエンジンの性能に大きく影響します。そのため、掃気効率を高めるための様々な技術が開発されてきました。例えば、シリンダー内の空気の流れを最適化する掃気ポートの形状や、排気の流れを制御する排気装置の改良などです。これらの技術により、２行程エンジンは高い出力と優れた燃費性能を実現しています。近年では、環境規制の強化に伴い、４行程エンジンにおいても掃気効率の向上が重要視されています。よりクリーンな排気ガスを実現するために、様々な技術開発が進められています。

掃気と燃費・排ガス

二行程機関は、構造が簡素で力強い出力特性を持つ反面、燃費の悪さと排気ガスによる大気汚染が大きな課題となっています。この二つの問題は、掃気という行程に起因しています。掃気とは、燃焼後の排気ガスをシリンダーから排出し、同時に新しい混合気をシリンダー内に導入する作業のことです。二行程機関では、この掃気にクランクケース圧縮という方法を用いるのが一般的です。ピストンが下降する際にクランクケース内で混合気を圧縮し、上昇する際にその圧縮した混合気をシリンダーに送り込みます。しかし、この方式では、新しい混合気と排気ガスがシリンダー内で完全に分離されず、新しい混合気の一部が排気と一緒に排出されてしまうのです。これが未燃焼の燃料の排出につながり、燃費を悪化させ、有害な排気ガスを増加させています。

近年の環境規制の強化に伴い、この問題は二行程機関の利用を大きく制限しています。特に、自動車への搭載はほぼ不可能になっており、現在では主に小型バイクや船舶、芝刈り機などの用途に限られています。この問題を解決するため、様々な技術開発が行われています。排気ガスに含まれる有害物質を化学反応で無害な物質に変換する触媒装置の搭載は有効な手段の一つです。また、電子制御による燃料噴射システムの導入も、燃焼効率を高めて燃費を改善し、排気ガスを抑制する上で効果的です。さらに、掃気方式自体を見直し、混合気と排気ガスの分離をより明確にする工夫も研究されています。これらの技術革新により、二行程機関は環境性能を向上させ、再び活躍の場を広げる可能性を秘めていると言えるでしょう。

技術開発の現状

地球環境への配慮がますます重要視される現代において、二行程機関の技術開発も活発に行われています。従来、二行程機関は構造が単純で高い出力を得られる反面、燃費が悪く排気ガスに有害物質が多く含まれるという課題がありました。しかし、近年の技術革新により、これらの課題を克服する様々な取り組みが進められています。

まず、シリンダー内部の空気の流れを最適化する技術が挙げられます。吸気口と排気口の形状や配置を工夫することで、燃焼効率を高めると同時に、未燃焼の混合気を排気ガスとして排出する量を減らすことができます。コンピューターによるシミュレーション技術の発展も、最適な形状を設計する上で大きく貢献しています。

次に、燃料噴射技術の精密化も重要な要素です。電子制御によって燃料の噴射量やタイミングを緻密に制御することで、燃焼効率を最大限に高め、排気ガス中の有害物質を大幅に削減することが可能になります。従来の機械的な制御に比べて、よりきめ細やかな制御が可能になったことで、環境性能の大幅な向上が実現しています。

さらに、触媒技術の進歩も二行程機関の環境性能向上に大きく寄与しています。排気ガスに含まれる有害物質を化学反応によって浄化する触媒装置の性能向上により、よりクリーンな排気を実現することができます。

これらの技術革新によって、二行程機関は環境性能を向上させながら、高い出力と軽量という長所を活かすことができるようになりました。小型船舶や農林業機械など、特定の分野で活躍してきた二行程機関ですが、今後はより幅広い分野での活用が期待されます。地球環境への負荷を低減しながら、人々の生活を豊かにする技術として、二行程機関のさらなる進化に注目が集まっています。

今後の展望

地球を守る大切さが増す中で、２ストローク機関にはさらなる進歩が求められています。力強く、構造も単純な２ストローク機関ですが、排気ガス中の有害物質の多さや燃費の悪さが課題となっています。この点を解決しない限り、環境への負担が大きい機関として、活躍の場を失ってしまうかもしれません。

そこで、様々な技術開発が進められています。まず、シリンダー内部の空気の流れをスムーズにすることで、燃焼効率を高め、排気ガスを減らす取り組みが続けられています。吸気と排気を同時に行う２ストローク機関は、どうしても燃え残りの燃料が排気ガスに混じってしまいます。空気の流れを制御することで、この燃え残りを減らし、排気ガスの浄化を目指しています。

次に、燃料消費量を抑える技術開発も重要です。電子制御技術を導入し、エンジンの運転状態を細かく調整することで、無駄な燃料消費を減らすことが期待されています。また、燃料噴射の技術向上も燃費改善に大きく貢献するでしょう。燃料を霧状にしてシリンダー内に噴射することで、燃焼効率をさらに高めることができます。

さらに、新しい材料の開発も２ストローク機関の未来を左右するでしょう。軽量で耐久性の高い材料を使用することで、機関全体の重量を軽くし、燃費を向上させることができます。また、摩擦を減らすことで、出力向上にもつながります。これらの技術革新によって、環境性能と高い出力を両立させた、次世代の２ストローク機関が生まれることが期待されています。小型船舶や発電機、芝刈り機など、様々な場面で活躍している２ストローク機関は、これからも進化を続け、私たちの生活を支えてくれることでしょう。