２ストローク機関の掃気圧について

２ストローク機関の掃気圧について

掃気とは

二行程機関は、ピストンの上下運動を利用し、吸気、圧縮、燃焼、排気の工程をクランク軸が一回転する間に二行程で行う内燃機関です。四行程機関のように、吸気や排気の行程がないため、ピストンが下死点付近にあるわずかな時間で、燃焼後の排気ガスをシリンダーの外へ押し出し、それと同時に新しい混合気をシリンダー内に送り込む必要があります。この新鮮な混合気をシリンダーに送り込み、排気ガスを排出する一連の作業を掃気といいます。掃気は二行程機関の効率や性能を大きく左右する重要な工程です。

掃気方式には大きく分けて、ピストンの側面に設けた掃気口と排気口を利用するピストン掃気方式と、シリンダー壁面に設けた掃気口と排気口を用いるクランク室掃気方式があります。ピストン掃気方式では、ピストンが下降する際に、ピストンの側面に開けられた掃気口から混合気がシリンダー内に入り、同時に排気口から排気ガスが排出されます。この方式は構造が単純であるという利点がありますが、新鮮な混合気の一部が排気口から出てしまう短絡という欠点もあります。

一方、クランク室掃気方式では、ピストンが上昇する際にクランク室に混合気を吸い込み、下降する際にピストンが掃気口を開き、クランク室内の圧縮された混合気をシリンダーに送り込みます。同時に、排気口から排気ガスが排出されます。この方式はピストン掃気方式に比べて短絡が少ないという利点がありますが、構造が複雑になるという欠点もあります。

掃気の効率を高めるためには、シリンダー内の混合気の流動を制御し、短絡を最小限に抑えることが重要です。掃気口や排気口の位置や形状、掃気の流れを制御するデフレクターなどの工夫によって、より効率的な掃気が実現できます。これにより、二行程機関の出力向上、燃費向上、排気ガスの浄化につながります。

掃気圧の役割

機関の心臓部である燃焼室で、力強い爆発を起こすためには、燃えかすをきれいに掃除し、新しい燃料と空気を十分に送り込む必要があります。この大切な役割を担うのが掃気と呼ばれる工程であり、掃気を行うための力の源が掃気圧です。

掃気圧とは、吸気口から燃焼室へと新しい混合気を押し込む圧力のことを指します。燃焼後に残る排気ガスは、排気口から外へ押し出されますが、この時、排気ガスを押し出す力よりも掃気圧の方が大きくなければなりません。ちょうど、古い空気を新しい空気で力強く押し出すイメージです。もし掃気圧が排気ガスを押し出す力よりも弱ければ、燃焼室の中に排気ガスが残り、新しい混合気が十分に入りません。これは、ろうそくの火が酸素不足で弱々しくなるのと同じで、機関の力も弱まってしまいます。

掃気圧が高いほど、燃焼室から排気ガスを効率よく排出し、より多くの新鮮な混合気を送り込めます。新しい混合気がたくさん入れば、それだけ大きな爆発を起こせるので、機関の出力が上がります。さらに、排気ガスが燃焼室に残っていると、新しい混合気の燃焼を邪魔するため、燃費が悪くなります。掃気圧を高めることで、燃え残りを減らし、燃費向上にも繋がります。

掃気圧を高めるためには、吸気口の形状や大きさ、吸気通路の滑らかさ、過給機の有無など、様々な要素が関わってきます。高性能な機関では、これらの要素を緻密に調整することで、最適な掃気圧を実現し、高い出力と燃費の良さを両立させています。

掃気圧を生み出す仕組み

内燃機関、特に大型の二行程機関において、掃気は大変重要な工程です。掃気とは、燃焼を終えた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、あるいは空気をシリンダー内に送り込む作業のことを指します。この掃気を効率的に行うために必要なのが掃気圧です。掃気圧とは、シリンダー内に新しい空気を送り込むための圧力のことで、この圧力が十分でなければ、排気ガスを完全に排出できず、エンジンの出力低下や燃費悪化につながってしまいます。

では、どのようにしてこの掃気圧を生み出すのでしょうか？その役割を担うのが給気予圧機と呼ばれる装置です。代表的なものとして、掃気ポンプや過給機が挙げられます。これらの装置は、大気中の空気を吸い込み、圧縮してシリンダーに送り込むことで掃気圧を発生させます。掃気ポンプは、クランク軸の回転を利用して駆動する容積式ポンプの一種であり、比較的単純な構造で安定した圧力を供給できます。一方、過給機は、排気ガスのエネルギーを利用してタービンを回し、そのタービンに連結された圧縮機で空気を圧縮する装置です。排気エネルギーを再利用するため、エンジンの熱効率向上にも貢献します。

これらの給気予圧機によって生み出された圧縮空気は、シリンダー内の圧力を大気圧よりも高くします。この圧力差が掃気圧となり、排気ポートから排気ガスを押し出し、同時に吸気ポートから新しい混合気、あるいは空気をシリンダー内に送り込みます。このようにして、効率的な掃気を実現し、エンジンの性能を最大限に引き出しているのです。特に大型の二行程機関では、シリンダーの容積が大きいため、自然に排気ガスを排出することが難しく、これらの装置が不可欠となっています。

クランク室掃気方式

２行程機関の中でも、小型のもの、特に自動二輪車などで広く使われているのが、クランク室掃気方式です。この方式は、エンジンを動かすための重要な仕組みである掃気を、クランク室を利用して行うのが特徴です。

ピストンが下がると、クランク室の空間が広がります。この時、クランク室内の圧力が下がり、外気圧よりも低くなります。この圧力差によって、吸気口から混合気がクランク室の中に吸い込まれます。混合気とは、燃料と空気が適切な割合で混ぜられたものです。

次にピストンが上に向かうと、クランク室の空間が狭くなり、圧力が高まります。この圧力は、吸い込まれた混合気を圧縮する力となり、クランク室内の圧力が掃気口を開く圧力に達すると、掃気口が開き、圧縮された混合気が掃気口から燃焼室へと押し出されます。こうして、燃焼済みのガスを新しい混合気で押し出す、掃気が行われます。

このクランク室掃気方式の利点は、構造が単純なことです。部品点数が少なく、製造コストを抑えることができます。また、小型軽量化にも適しており、取り扱いが容易になります。

しかし、欠点もあります。クランク室の容積変化によって圧縮比が決まるため、高圧縮にすることが難しいのです。圧縮比が低いと、燃焼効率が悪くなり、出力や燃費性能が低下する原因となります。また、掃気効率もそれほど高くなく、未燃焼の混合気が排気口から出てしまうため、排気ガスによる環境への影響も懸念されます。そのため、高性能が求められる大型のエンジンには不向きです。

掃気圧と機関性能

２行程機関と呼ばれるエンジンは、吸気、圧縮、燃焼、排気の行程を２つの動きで行う構造です。この仕組みでは、新鮮な混合気をシリンダー内に送り込み、同時に燃えカスを排気する「掃気」という作業が非常に重要になります。この掃気の効率を左右する要素の一つが「掃気圧」です。

掃気圧とは、シリンダー内に送り込まれる混合気の圧力のことで、機関の性能に直結する重要な要素です。適切な掃気圧が保たれていると、シリンダー内は綺麗に新鮮な混合気で満たされ、燃焼効率が向上します。燃焼効率が上がると、燃料を無駄なくエネルギーに変換できるため、エンジンの出力向上と燃費の改善につながります。

逆に掃気圧が低すぎると、燃えカスがシリンダー内に残ってしまい、次の燃焼を邪魔します。その結果、燃焼が不完全になり、エンジンの出力は低下し、燃費も悪化します。さらに、燃え残ったガスが排気と共に大気中に放出されるため、環境汚染の原因にもなってしまいます。

また、掃気圧が高すぎても良い結果にはなりません。掃気圧を高めるためには、より強い力で混合気を送り込む必要があり、多くのエネルギーを消費してしまいます。過剰な掃気圧は、エンジンの負担を増やし、吸気エネルギーの損失を招き、結果として効率を低下させることにつながります。

最適な掃気圧は、エンジンの設計や回転数、負荷といった運転状況によって変化します。そのため、それぞれの状況に応じて最適な掃気圧を維持することが、２行程機関の性能を最大限に引き出す鍵となります。近年では、電子制御技術などを用いて、常に最適な掃気圧を制御する技術も開発されています。

今後の展望

近年、世界中で環境への配慮が高まり、乗り物の排気ガスに関する規則も厳しくなっています。このような状況の中、二行程機関は排気ガス規制に対応することが難しいため、四行程機関への移行が進んでいます。しかし、二行程機関は構造が単純で軽く、同じ大きさの四行程機関よりも大きな力を出すことができるという長所があります。そのため、現在でも一部の乗り物で使われています。二行程機関の排気ガスを減らし、燃費を良くするためには、掃気技術の向上が重要です。掃気とは、燃えかすを外に出し、新しい空気を取り入れる作業のことです。

掃気技術を向上させるための方法の一つとして、電子制御を使って掃気口の開閉のタイミングを細かく調整する技術が挙げられます。掃気口とは、新しい空気が入るための入口のことです。この開閉のタイミングを最適化することで、燃焼効率を向上させ、排気ガスを減らすことができます。また、より効率的に空気を送り込むための掃気ポンプの開発も重要です。掃気ポンプは、新しい空気をエンジン内に送り込むための装置です。より高性能なポンプを開発することで、より多くの新鮮な空気をエンジン内に送り込み、燃焼効率を向上させることができます。

その他にも、燃料噴射技術の改良や、燃焼室形状の最適化なども、二行程機関の性能向上に貢献すると考えられます。燃料噴射技術の改良によって、燃料をより効率的に燃焼させることができ、燃焼室形状の最適化によって、燃焼効率を向上させることができます。これらの技術開発によって、二行程機関の燃費が向上し、排気ガスが減少すれば、環境規制にも対応できるようになり、再び様々な乗り物で使われるようになる可能性があります。二行程機関は、小型で軽量という利点があるため、特に小型の乗り物や、持ち運びできる機械などへの応用が期待されます。