クラークサイクルとは?2ストロークエンジンに用いられる理想的な行程【自動車用語辞典:エンジンサイクル編】

■2ストローク独特の掃気行程が燃費と排ガス性能悪化の根源

●機構的に掃気効率の改善ができず自動車用としては現在採用例なし

クラークサイクルは、2ストロークエンジンを代表する燃焼サイクルで、4ストロークにはない掃気行程というユニークな行程があります。これによって、エンジン1回転ごとに燃焼を発生させるというメリットを生み出す一方で、燃費と排ガスの悪化という致命的な課題も引き起こしています。

2ストロークエンジンの基本サイクルであるクラークサイクルについて、解説していきます。

●2ストロークエンジンの基本サイクル

4ストロークエンジンが(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4行程をエンジン2回転で行うのに対して、2ストロークエンジンは(吸気/圧縮)-(燃焼/排気/掃気)の2行程をエンジン1回転で行います。

2ストロークエンジンの最大の特徴は、エンジン1回転に1回燃焼が発生することと、4ストロークにはない掃気行程があることです。

掃気行程は、排気行程の中盤以降に吸気によって燃焼ガスを排気(掃気)しながら吸気する行程です。結果としては、これが2ストロークエンジンの最大の欠点になっています。

2ストロークの作動原理
2ストロークの作動原理

・(吸気/圧縮)行程:ピストンが上昇して混合気を圧縮し、同時に吸気口を通してクランクケース内に吸気が取り込まれます。

・(燃焼/排気/掃気)行程:上死点付近で圧縮混合気に点火されると燃焼してピストンが下降し、排気口から排ガスが排出されます。さらにピストンが下降すると、クランクケース内に吸入されていた新気が掃気口を通して燃焼室に入り込み、残留した排気ガスを掃気します。

 

 

●2ストロークエンジンの燃焼サイクル

2ストロークエンジンの燃焼サイクルは、発明者デュガルト・クラークの名前をとってクラークサイクルと呼びます。

燃焼サイクルの評価には、PV線図が使われます。

縦軸Pがシリンダー内圧力、横軸Vがシリンダー容積のPV線図で囲まれる面積の大きさが、エンジンの1サイクルあたりの仕事量を示します。

面積が大きいほど出力が高い、供給される燃料量が同じなら熱効率が高いことを示します。

クラークサイクルの作動原理
クラークサイクルの作動原理

クラークサイクルは、エンジン1回転に1回燃焼が発生し、下死点付近で掃気による吸排気作用を行います。

・ピストンの上昇<圧縮>とともにクランクケース内に、新気が吸い込まれます<吸気>。

・燃料が燃えるとピストンが下がり<燃焼>、排気口から燃焼ガスが排出されます<排気>。さらに、ピストンが下がると、クランクケース内に吸入されていた新気が掃気口を通じて燃焼室に入り込み、燃焼室に残った燃焼ガスを<掃気>します。

●2ストロークエンジンはなぜ消えたのか

4ストロークエンジンに対して、小型軽量で2倍近いトルクが発生するメリットはあるものの、以下のような掃気に関わる課題が解決できず、1980年以降自動車用としては完全に姿を消しました。

・掃気によって、吸気中に大量の排ガスが含まれ、燃焼が不安定になりエンジンが不安定になります。吸気に含まれる排ガス量は運転条件によって変化し、制御はできません。

・さらに、掃気行程では燃料が燃焼ガスとともに排気されるので、排ガス中のHCが増大します。

1980年以降も、当時排ガス規制の緩かった二輪車や汎用エンジン、大型舶用ディーゼルエンジンの一部で採用されていましたが、最近はそれも減少しつつあります。


2ストロークエンジンが市場から消え去った1980年以降も、さまざまな掃気方法や4ストロークのように吸排気弁を採用したもの、掃気効率を高めるため過給と組み合わせた2ストロークなどが提案されましたが、実用化には至りませんでした。

今後も、自動車として2ストロークが採用される可能性はないと思われます。

(Mr.ソラン)