2ストロークエンジンの「対称掃気」：その仕組みと特徴
車を知りたい
先生、「対称掃気」ってどういう意味ですか？2ストロークエンジンの説明で出てきたのですが、よくわかりません。
自動車研究家
良い質問ですね。「対称掃気」は、2ストロークエンジンの中で、ピストンが上下に動くことで、空気の吸入と排気ガスの排出を行う方式のひとつです。ピストンが動くタイミングで、吸気ポートと排気ポートが同時に開いたり閉じたりするんだけど、そのタイミングが上下対称なので「対称掃気」って呼ばれているんだよ。
車を知りたい
なるほど。吸気と排気が同時に開閉するんですね。でも、それだと新しい空気が入ってきても、すぐに排気と一緒に出ていってしまう気がするんですが…
自動車研究家
その通り！ 実は「対称掃気」だと、新しい空気が排気と一緒に出てしまい、効率が悪くなってしまうんだ。だから、最近の2ストロークエンジンでは、「対称掃気」ではなく「非対称掃気」といって、吸気と排気のタイミングをずらして、効率を上げる工夫がされているんだよ。
対称掃気とは。
「対称掃気」とは、2ストロークエンジンで使われる技術用語です。ピストンの動きを利用して掃気ポートと排気ポートを開閉するタイプのエンジン、具体的には横断掃気やループ掃気エンジンでは、ポートの開閉タイミングが下死点を中心に対称になっています。これが対称掃気です。しかし、対称掃気では排気ポートが掃気ポートより後に閉まるため、エンジン内部の圧力を高める過給ができません。そこで、横断掃気やループ掃気で過給を行う場合は、管制弁という部品を追加してポートの開閉タイミングを非対称にする必要があります。
2ストロークエンジンにおける掃気方式
2ストロークエンジンは、その構造のシンプルさから、軽量・コンパクトかつ高出力という利点を持つ一方、排気ガス処理の難しさから、近年では主流ではなくなりつつあります。しかし、その独特のエンジン特性から、現在でもバイクや刈払機など、様々な分野で活躍しています。
2ストロークエンジンにおいて、燃焼後の排気ガスをシリンダー外に排出すると同時に、新しい混合気をシリンダー内に送り込む「掃気」は、エンジンの性能を大きく左右する重要なプロセスです。掃気方式にはいくつかの種類が存在し、それぞれに利点と欠点があります。そして、その中でも「対称掃気」は、シンプルながらも効率的な掃気方式として知られています。
対称掃気とは？
2ストロークエンジンには、その心臓部であるシリンダー内部で効率的に混合気の流れを作り出すための様々な工夫が凝らされています。その中でも、「掃気方式」はエンジンの性能に大きく影響する要素の一つです。
「対称掃気」は、これらの掃気方式の中でも、シンプルながらも効率的な方法として知られています。 この方式では、シリンダー壁面に設けられた掃気ポートと排気ポートが、ピストンの上下動に合わせて、燃焼済みのガスを排出しつつ、新しい混合気をシリンダー内に導きます。その名の通り、対称的に配置されたポートが、シリンダー内をスムーズに掃気する ことが特徴です。
対称掃気のメリット・デメリット
対称掃気は、その効率的な掃気方式から多くのメリットを持つ一方で、いくつかのデメリットも存在します。
メリットとしては、まず高い掃気効率が挙げられます。シリンダー内に発生する渦を利用することで、新鮮な混合気を効率的に充填し、排気ガスをより多く排出することができます。これにより、2ストロークエンジンの出力向上と燃費向上に貢献します。また、構造がシンプルであることもメリットです。掃気ポートと排気ポートをシリンダーの対称位置に配置するだけでよいため、製造コストを抑えることができます。
一方、デメリットとしては、排気タイミングの調整が難しい点が挙げられます。掃気ポートと排気ポートが対称に配置されているため、排気ポートを長く開けておくことができません。そのため、高回転域での出力向上には限界があります。また、低速域でのトルクが不足しやすい傾向もあります。これは、低回転域では掃気効率が低下するためです。
このように、対称掃気はメリットとデメリットを併せ持つ掃気方式です。そのため、エンジンの用途や求められる性能に応じて、他の掃気方式と比較検討する必要があります。
過給を実現する非対称掃気
2ストロークエンジンにおいて、掃気方式はエンジンの性能を大きく左右する要素の一つです。対称掃気に対し、より高性能を求めて開発されたのが「非対称掃気」です。非対称掃気は、その名の通り、吸気ポートと排気ポートをシリンダーに対して非対称に配置することで、シリンダー内の混合気の swirl（渦流）を積極的に利用します。
この渦流は、新鮮な混合気をシリンダーの上部に押し上げつつ、燃焼済みのガスを排気ポートへと効率的に排出する役割を担います。その結果、シリンダー内の掃気効率が向上し、出力の向上と排ガス浄化に貢献します。さらに、非対称掃気は、吸気ポートの形状やタイミングを調整することで、自然な過給効果を生み出すことも可能です。これは、ピストンが下降する際に発生する負圧を利用して、より多くの混合気をシリンダー内に取り込む仕組みです。
しかし、非対称掃気は、その複雑な構造ゆえに製造コストが高くなる傾向があります。そのため、高性能が求められるレーシングマシンや、一部のスポーツタイプのバイクなどに採用されています。
対称掃気と非対称掃気の比較
2ストロークエンジンにおいて、シリンダー内部の掃気方法はエンジンの性能に大きく影響します。掃気方法の一つである「対称掃気」は、その名の通り、シリンダー中心軸に対して対称に掃気を行う方式です。一方、「非対称掃気」は、シリンダー中心軸に対して非対称に掃気を行います。
対称掃気は、構造がシンプルで製造コストが低いというメリットがあります。また、掃気行程が比較的短く、高回転化に適しているという点も挙げられます。しかし、排気ガスがシリンダー内に残りやすく、燃焼効率が低下する傾向があります。
一方、非対称掃気は、対称掃気に比べて排気効率が高く、燃焼効率に優れています。しかし、構造が複雑になるため、製造コストが高くなる傾向があります。
このように、対称掃気と非対称掃気はそれぞれにメリットとデメリットがあります。そのため、用途や要求される性能に応じて最適な掃気方法が選択されます。