4ストロークエンジンの仕組みとは?吸気-圧縮-燃焼-排気を繰り返す【バイク用語辞典:4ストロークエンジン編】

■一部2ストロークエンジンも存在するが、日本ではほとんどが4ストロークエンジン

●吸排気弁の開閉で4つの行程が正確に制御されるので燃費と排ガスが優れる

バイク用エンジンとして、古くは軽量コンパクトな2ストロークエンジンが主役でしたが、2000年以降は排ガス規制に対応できず、現在国内モデルのほとんどは4ストロークエンジンになりました。

バイク用4ストロークエンジンの基本原理と2ストロークエンジンとの違いについて、解説していきます。

●4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は、(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4つの行程で構成されます。この4行程でエンジンは2回転し、それを連続的に繰り返すことによって回転を持続します。

4ストロークエンジン
4ストロークエンジン

・吸気行程
ピストンが下降し始める上死点(ピストンの最上点)直前に吸気弁を開いて、シリンダー内に空気とガソリンの混合気を吸入します。吸入が終了する下死点(ピストンの最下点)後に、吸気弁が閉じます。

・圧縮行程
ピストンが上昇することによって、吸入した混合気を圧縮します。

・燃焼行程
圧縮した混合気を点火プラグの火花で着火させ、燃焼によってピストンを押し下げます。

・排気行程
ピストンが上昇し始める下死点より少し前に排気弁を開いて、燃焼ガスを排出します。燃焼ガスの排出が終了する上死点直後に排気弁が閉じます。

●4つの行程をコントロールする動弁機構

吸・排気弁の開閉を制御する動弁機構が、(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4つの行程をコントロールします。

動弁系機構
動弁系機構

動弁機構のカムシャフトは、クランクシャフトとチェーンやギアを介して連結され、クランクシャフトが2回転する間に1回転します。カムシャフトには、目標とする弁の開閉時期やリフトを実現するプロファイルをもつ卵の断面のような形状のカムが、吸・排気弁の数だけ配列されています。

ピストンの往復運動に連動したカムシャフトの回転によって、吸・排気弁はそれぞれの行程に応じて正確に吸・排気弁を開閉します。

吸・排気弁を駆動する方式には、カムで直接弁を駆動させる直動式と、ロッカーアームやスイングアームを使ってテコの原理で駆動させる方式があります。

カム配置については、1つのカムシャフトで吸・排気弁を駆動させるSOHC(Single OverHead Camshaft)方式、吸・排気それぞれに1つのカムシャフトで駆動させるDOHC(Double OverHead Camshaft)方式があります。

●4ストロークと2ストロークの違いは

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。すなわち、エンジン1回転で1回燃焼してトルクを発生します。

2ストロークエンジン
2ストロークエンジン

・(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。

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、構造的に混合気と排気ガスが混じり合うため燃焼が不安定になります。何よりも問題なのは、混合気が排気口から抜けてしまうので燃費と排気ガス性能が悪化します。

1970年代まで2ストロークエンジンは自動車にも採用されていましたが、排ガス規制強化やユーザーの燃費志向によって市場から消え去り、バイクも同様に2000年以降に国内から激減しました。


4ストロークエンジンは、シリンダー内を往復運動するピストンと、(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4行程にタイミングを合わせて吸・排気弁を開閉する動弁機構によって、基本サイクルを実行しています。

4行程が独立して機能することによって、制御しやすく効率の良いサイクルが実現されています。

(Mr.ソラン)