2ストロークエンジンにおける脈動効果について〜チャンバーの役割〜

オートバイの仕組みと整備
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 皆さんこんにちは。aohitoです。

 前回は4ストロークエンジンの脈動効果についてお話ししました。

4ストロークエンジンにおける脈動効果について〜脈動効果って何?〜
 皆さんこんにちは。aohitoです。 今回は排気装置における4ストロークエンジンの脈動効果についてです。 排気装置の簡単な解説はこちらになるので併せて読んでみて下さい! それではいきましょう!...

 今回は2ストロークエンジンの排気装置、及び脈動効果について話していきます。

4ストロークに比べて多少難しい気もしますが、なるべく簡単に説明したいと思います。

 それではいきましょう!

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2ストロークエンジンの仕組みと排気装置

 まず、簡単にですが2ストロークエンジンの仕組みからいきます。

 2ストロークエンジンは4ストロークエンジンとは構造も異なりサイクルも違います。4ストロークは吸入、圧縮、燃焼、排気という4つの工程を行う為にピストンが4回ストロークする事で一つのサイクルが完了します。

 2ストロークエンジンでは掃気、圧縮、燃焼、排気という4つの工程を行う為にピストンは2回ストロークすることで1つのサイクルが完了します。なので、同じ排気量であれば単純に4ストロークエンジンより、ツーストエンジンの方が倍の出力を発揮してくれる高性能なエンジンという事が言えるのかな?と思いますが、実際はそうとは言い切れないツーストの苦手な面もあるので、それは後ほど。

ツーストエンジンの工程

 では一つ一つの工程についてです。

①掃気

 シリンダーに設けられた掃気ポートが開く事によって、クランクケースで予圧された混合気を燃焼室に送ると同時に、残った燃焼ガスを排気ポートから排出する。

②圧縮

 ピストンが上昇する事で掃気ポート、排気ポートを閉じながら、与圧された混合気を更に圧縮します。それと同時にピストン下部(クランクケース内)か負圧になり、混合気が吸い込まれて来ます。

③燃焼

 プラグの着火により混合気が燃焼(爆発)。ピストンが下へ押し下げられる事によってクランクケース内の混合気を圧縮する

④排気

 ピストンが下がると排気ポートが開き排気ガスが、排出される。

 この工程が、繰り返し行われるのがツーストエンジンの一連の動きとなります。

2ストと4ストの違い

 そんな2ストロークエンジンですが、4ストロークエンジンとの構造的に大きな違いがあってシリンダーヘッドに吸気、排気バルブを持ちません。

 なので、2ストロークエンジンの場合はシリンダーに排気ポートと掃気ポートが設けられています。この二つのポートがピストンの上下運動に伴って開閉し、混合気の充填と排気ガスの排気をおこなっています。

2ストエンジンの吹き抜けとエキスパンションチャンバー

 以上の特徴から2ストロークエンジンは4ストロークエンジンに比べて高出力ではあるものの、問題もあります。それが『吹き抜け』と言われる未燃焼ガスの発生です。

 2ストロークエンジンでは排気工程の後半から混合気の充填もおこなっているので、その際、新たに入ってきた混合気が排気ガスを押し出す形となります。しかし、それに伴い混合気の一部も排気ポートからエキゾーストパイプへ排出されていくのです。

 これが“吹き抜け“です。この未燃焼ガスは出力特性的や燃費、更にCO、HCなどの有害ガスによる大気汚染にも繋がります。

 これらの構造的な原因によって有害ガスの排気が多い2ストロークはだんだんと種類が減っていったわけです。

 なので、2ストロークエンジンには吹き抜けを可能な限り減らす為にエキスパンションチャンバー(チャンバー)というものが用意されました。

 基本的に一体物ですが、エンジン側がエキゾーストパイプ、太くなる部分がエキスパンションチャンバーその先をマフラーと分類します。出力特性に関わってくるのはエキパイからチャンバーまでの部分になります。

チャンバーがもたらす脈動効果

 では、ここからチャンバーがもたらしてくれる脈動効果について話していきます。

 今回も、なるべくわかりやすくなるよう解説していきます。

燃焼室内で混合気(ガソリンと空気が混じったもの)が圧縮され燃焼が起きると、燃焼ガスが発生し、その爆発の勢いてピストンは下降を始めます。

すると、シリンダー内に設けられた排気ポートが開き始め、燃焼ガスが排出されます。この時、4ストロークエンジンの時と同様に圧力波(正圧波)が発生して音速でエキゾーストパイプからチャンバーの方へ伝播してきます。

正圧波がチャンバーに達すると、独特のテーパー状に広がった形状により急激に膨張をします。この膨張をする際に負圧波が発生し、正圧波とは逆方向に(つまり排気ポートへ)音速で伝播してゆきます。

ピストンが更に下降すると、排気ポートもそれに伴って大きく開いていきます。すると今度は掃気ポートも開き始め、クランクケースで予圧されていた混合気が燃焼室へ入ってきます。

燃焼室に流入した混合気は燃焼ガスを排気ポートへ押し出します。一方その時で発生した正圧波はチャンバー後方のテーパー部分(絞られた部分)で急激に絞られます。すると正圧波は反射して、排気ガスの流れとは逆に排気ポートへ向かって音速で伝播してゆきます。この時③で発生した負圧波とは間隔を置いた状態で排気ポートに向かっています。

ピストンが下死点付近まで下がると、排気ポートと掃気ポートが全開になります。すると、混合気がシリンダー内へ引き続き入ってくると同時に排気も行われるのがこのタイミングです。その時ちょうと③で発生した負圧波が排気ポート付近に来る事によって排気ガスを吸い出す効果を発揮してくれます。それにより、混合気の吸い込みも促進されるのですが、一方では未燃焼の混合気も排出してしまうので、それが吹き抜けとなりエキゾーストパイプ方面へ流れていきます。

下死点までいったピストンは再び上昇します。すると、掃気ポートの方が下にあるので先に全閉状態になります。しかし排気ポートは掃気ポートより上部にあるので、わずかに開いている時間があります。そこに⑤で発生した正圧波が排気ポート付近に来る事によって、エキゾーストパイプへ抜けていった未燃焼の混合気を再びシリンダー内へ押し戻す役割をしてくれます。それによりエンジンの充填効率が高まるのです。

 これが2ストロークエンジンにおける脈動効果です。なので、ツーストにおいてチャンバーとは単純に排気するだけのパーツではなく、エンジンと密接な関係を持ち、出力の向上を図るための大切な役割を果たしているのです。

 こんなツーストエンジンはとても魅力的で個人的には面白くて大好きです。しかし冒頭でも言いましたが、苦手な面もやはりあって、低回転と高回転が苦手です。その分パワーバンドに入った時のトルク感とかは凄いんですけどね。
 併せてピーキーなエンジン特性、更にその構造上どうしても排気ガスの問題に引っかかってしまいます。燃焼のコントロールが難しく、オイルが混じった燃料がそのまま排出されるというのは大きな問題になってしまい、今の時代には合わないなっていうのがあります。
 ここ最近では、その姿を見ることもかなり少なくなってきたような印象を受けます。とはいえ、まだまだ根強いファンの方々もいらっしゃるようで、ツーリング先で2ストレプリカに出会ったりすると、甲高い音とエンジンオイルの香りで『やっぱり良いな!』って思います。
 今後も徐々に台数は減っていくとは思いますが、今乗られてる方々はきっととても大切に乗られると思うので、どこかでその勇姿を拝見させてもらえたらと思います。笑

 ここまで読んで頂き、ありがとうございました♪

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