4ストロークエンジンの概説:バイクではショートストローク型が一般的【バイク用語辞典:4ストロークエンジン編】

■現在はバイク用も、排ガス規制対応のためほとんどが4ストロークエンジン

●4弁化や多気筒化、DOHC、可変動弁機構など自動車の高性能技術を追走

バイク用エンジンとして古くは2ストロークエンジンが主流の時代もありましたが、現在は国内用のバイクは4ストロークエンジンしか生産されていません。基本的な構造は自動車用エンジンと同じですが、自動車の先進技術がバイクでも採用されています。

バイク用4ストロークエンジンの基本構成や特徴について、概説していきます。

●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ています。この4行程でエンジンは2回転して、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ストロークの基本
4ストロークの基本

・吸気行程
ピストンが下降し始める上死点直前に吸気弁を開いて、シリンダー内に混合気を吸入します。

・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。

●エンジントルクとエンジン出力の関係

エンジンのトルク
エンジンのトルク

エンジンの燃焼エネルギーがピストンを押し下げ、連結したコンロッドとクランクシャフトによって回転力を発生します。この回転力をトルクといい、タイヤを回転させる動力源です。

トルクの単位はN・m(またはkg・m)です。エンジン出力は仕事量を表し、単位はkW(またはPS<馬力>)です。トルクと出力の関係は、「出力=トルク×回転数」であり、両者は密接な関係があります。

●排気量と圧縮比

エンジンの排気量は、シリンダーの内径(ボア)と、ピストンが上下運動する上死点から下死点までの移動する距離(ストローク)で決まります。以下の式で示されます。

圧縮比と熱効率
圧縮比と熱効率

・排気量 = π x (ボア÷2)2 × (ストローク) × (気筒数)

圧縮比は、「シリンダー内の空気または混合気が、ピストン上昇によってどれくらい圧縮されるのか」の割合を示す指標で、次の式で表されます。

・圧縮比=(燃焼室容積+排気量)/燃焼室容積

排気量が大きいほどトルクは向上し、圧縮比が高いほどエンジンの熱効率は向上して燃費と出力が改善します。

●バイクエンジンは、なぜショートストロークが主流か

ロングストロークとショートストローク
ロングストロークとショートストローク

低速トルクに強いロングストロークと高速出力に優れたショートスロークですが、一般にバイク用エンジンはショートストロークエンジンが主流です。

排気量あたりの車重をバイクと自動車で比較すると、バイクは自動車の1/4~1/5ほど軽量です。そのため、バイクのエンジンには実用域で高いトルクは必要ありません。その分、ショートストロークで高速出力を確保しています。

●どのような気筒数と気筒配列のエンジンがあるのか

同じ排気量のエンジンでも、用途や目的に応じて様々な気筒数や気筒配列が採用されます。

基本となるのは、シリンダーがひとつの単気筒エンジンです。多気筒エンジンとして、2気筒と3気筒、4気筒、6気筒まであり、気筒数が増えるほど燃焼回数が増えるのでエンジンはスムーズに回り、振動が少なく高回転化が可能です。

また、気筒配列は直列と並列、V型、水平対向があり、それぞれエンジンの特性は異なります。

●吸・排気行程をコントロールする動弁機構

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、設定された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。最近は、吸・排気弁開閉時期を運転条件によって自在に変更できる可変動弁機構が一部のモデルで採用されています。


本章では、バイク用として主流の4ストロークエンジンの基本構成と特徴について、詳細に解説します。

(Mr.ソラン)