掃気効率

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ユニフロー掃気：２ストロークエンジンの進化

エンジン内部で起こる空気の流れ、吸気と排気の動き、特に二行程機関における「一方向掃気」と呼ばれる技術について詳しく見ていきましょう。二行程機関は、ピストンが上下に一回ずつ動く間に、吸気、圧縮、爆発、排気という一連の動作を全て完了させます。このため、四行程機関に比べて構造が単純で、小型軽量化できるという利点があります。しかし、吸気と排気を同時に行わなければならないため、効率的な空気の入れ替えが課題となっていました。従来の掃気方式である「横断掃気」や「ループ掃気」では、シリンダー内に新しい空気を送り込むと同時に、燃えカスを外に押し出す構造でした。しかし、この方法では新しい空気が燃えカスと混ざりやすく、燃えカスがシリンダー内に残ってしまうという問題がありました。これは、エンジンの出力を下げ、排気ガスを汚くする原因となっていました。そこで登場したのが一方向掃気です。一方向掃気では、シリンダーの下部から新しい空気を送り込み、上部から燃えカスを排出します。空気の流れが一方向になることで、新しい空気と燃えカスが混ざるのを防ぎ、燃えカスを効率的に排出することが可能になりました。これにより、エンジンの出力向上と排気ガスの清浄化を実現しています。一方向掃気は、シリンダーの構造を工夫することで実現されます。具体的には、シリンダー下部に吸気口、上部に排気バルブを設けることで、空気の流れが一方向になるように制御しています。この構造により、燃焼効率が向上し、燃費も改善されます。さらに、排気ガス中の有害物質も減らすことができるため、環境保護にも貢献しています。このように、一方向掃気は、二行程機関の性能を飛躍的に向上させる画期的な技術と言えるでしょう。

２ストロークエンジンの横断掃気方式

二行程機関は、吸気、圧縮、爆発、排気の行程をクランク軸の二回転で終える、構造が簡素な機関です。吸気と排気に特化した弁機構を持たないため、シリンダー壁に開けられた吸気口と排気口、そしてピストンの上下運動によって混合気の出し入れを行います。この混合気の入れ替え方法を掃気と言い、様々な方式があります。その中の一つが横断掃気です。横断掃気では、ピストンが下降する際、クランク室が生み出す負圧によって吸気口から新鮮な混合気がシリンダー内に入り込みます。同時にピストンは排気口を塞ぎ、シリンダー内へと導かれた混合気はピストン頭頂部によって押し上げられ、シリンダー上部を旋回するように流れます。その後、ピストンが上昇すると排気口が開き、シリンダー内を横切るように流れた混合気は、燃え残りのガスと共に排気口から排出されます。この混合気がシリンダー内を横切るように流れる動きが、横断掃気の名前の由来です。横断掃気は構造が簡素で製造費用を抑えられるという利点がある一方、新鮮な混合気の一部が排気口から出てしまう短所もあります。これは、吸気口と排気口がシリンダーの反対側に位置しているため、混合気がシリンダー内全体に行き渡る前に排気口に到達してしまうことが原因です。この欠点を補うため、ピストン頭頂部にはデフレクターと呼ばれる突起が設けられており、混合気の流れを制御することで燃焼効率の向上を図っています。しかし、それでもなお、４行程機関と比較すると混合気の排出ロスが多く、燃費や排ガス性能で劣る点が課題として残ります。

２ストローク機関の掃気方式

二行程機関は、四行程機関とは異なり、吸気、圧縮、燃焼、排気の行程をクランク軸の一回転で完結させます。そのため、燃焼を終えた排気ガスをシリンダーから排出すると同時に、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。この排気と吸気の入れ替え作業こそが掃気です。掃気は二行程機関の性能を左右する重要な工程であり、いかに効率的に排気と吸気の入れ替えを行うかが、出力や燃費、排気ガスの特性に大きく影響します。掃気は、シリンダー内の空気の流れを制御することで、燃焼済みの排気と新しい混合気が混ざり合うのを最小限に抑え、燃焼効率を高めることを目的としています。もし排気と混合気が十分に séparation されないと、未燃焼の混合気が排気と一緒に排出されてしまい、出力低下や燃費悪化、排気ガス悪化につながります。逆に、掃気が効率的に行われれば、より多くの混合気をシリンダー内に送り込み、より多くの排気ガスを排出できるため、出力と燃費が向上し、排気ガスも浄化されます。掃気方式には様々な種類があり、大きく分けるとクロス掃気、ループ掃気、ユニフロー掃気などに分類されます。それぞれに特徴があり、採用される機関の種類や用途によって使い分けられています。クロス掃気は、吸気口と排気口がシリンダーの対向側に配置されている方式で、構造が単純であるという利点があります。しかし、排気と吸気が衝突しやすく、掃気効率が低いという欠点もあります。ループ掃気は、吸気口と排気口がシリンダーの同じ側に配置されている方式です。吸気の流れがループ状になるため、クロス掃気に比べて掃気効率が向上します。ユニフロー掃気は、吸気がシリンダーの一方から入り、排気が反対側から出る方式です。この方式は掃気効率が最も高く、高出力の二行程機関に採用されることが多いです。それぞれの方式には利点と欠点があり、最適な方式は機関の設計や用途によって異なります。どの方式を採用するかは、出力特性、燃費、排気ガスの特性、製造コストなど、様々な要素を考慮して決定されます。