混合気吸入システムとは?ピストンの往復運動で混合気を吸入する仕組み【バイク用語辞典:2ストロークエンジン編】

■大別してシリンダーに吸気ポートを配置するか、クランクケースに配置するかの2方式

●吸気効率が高いクランクケースリードバルブ方式が主流

4ストロークエンジンのように吸・排気弁がない2ストロークエンジンにとっては、吸・排気効率を向上させることが最も重要なテーマであり、混合気の吸入方法には4つの方式があります。現在は、耐久信頼性に優れて吸気効率の高いクランクケースリードバルブ方式が主流です。

2ストロークエンジンの4つの混合気吸入システムとその特徴について、解説していきます。

●ピストンバルブ方式

2ストロークエンジンの最も基本的な混合気の吸入方式は、ピストンバルブ方式です。

シリンダーに設けられた吸気ポートをピストンの往復運動によって開閉することで混合気の吸入を行います。構造が簡単で吸気抵抗も少なく、高回転時の吸入効率が高いため高出力が得やすい特長があります。

しかし、ピストン速度が遅い低中速域ではピストン下降時にクランクケースに吸入された混合気が吸気ポートへ逆流(吹き返し)します。これにより低中速出力が大きく低下するので、現在はほとんど採用されていません。

●ピストンリードバルブ方式

ピストンリードバルブ方式
ピストンリードバルブ方式

ピストンバルブ方式の吸気ポートにリードバルブを装着したのが、ピストンリードバルブ方式です。

ピストン上昇時には、クランク室内に生じた負圧によりリードバルブが開いて混合気が吸入され、ピストン下降時には押し戻されようとする混合気をリードバルブが閉じて、吸気ポートに逆流するのを防ぎます。

リードバルブは、吸気ポートの断面形状の土台に弾力のある薄い強化プラスチック製プレートの片側を固定したものです。片方へは気体を通しますが逆方向へは通さないため、逆流を防止する逆止弁の働きをします。

一方で高回転域では、リードバルブ自体が吸気抵抗となり、吸入効率が低下する欠点があります。

●クランクケースリードバルブ方式

クランクケースリードバルブ方式
クランクケースリードバルブ方式

吸気ポートをシリンダーでなくクランクケースに装着したのが、クランクケースリードバルブ方式です。

ピストンバルブ方式では、ピストンが上昇し始めてクランクケース内に負圧が発生しても、ピストンが吸気ポートを開くまでは混合気はクランクケース内に吸入されません。

クランクケースリードバルブ方式では、ピストンが吸気ポートを閉じることがないため、ピストンが上昇してクランクケース内に負圧が発生すると、すぐにリードバルブが開いて混合気が吸入されます。

ピストンリードバルブ方式に比べて、ポートの断面積を大きく吸気通路の長さを短くできます。また、シリンダーに吸気ポートがないため掃気ポートの断面積やレイアウトが最適化でき、現在は主流の方式です。

特に吸気効率の高さを活用して、2ストロークエンジンを搭載しているスポーツバイクのほとんどがクランクケースリードバルブ方式を採用しています。

●ディスクバルブ方式

ディスクバルブ方式
ディスクバルブ方式

ディスクバルブ方式は、クランク室に設けた吸気ポートの開閉をクランクシャフトに連動して回転する切り欠きのある円盤状のディスクバルブで行います。ディスクを回転させ欠けた部分が吸気ポートを通った時に、吸気口が解放されて混合気が吸入されます。

ディスクバルブ方式は、吸気ポートの開閉時期をディスクバルブの切り欠きの大きさで決定するため、4サイクルエンジンのカムプロファイルのように吸気開閉時期を自由に設定でき、正確にコントロールできます。

ただし構造が非常に複雑になること、ディスクバルブのタイミングとクランク室内圧が連動しないので、クランク室内が負圧でも吸気ポートが閉じていると混合気が吸入できない場合があります。


2ストロークエンジンの最大の課題であるガス交換(吸気効率と排気効率)の悪さを改良するために、さまざまな吸気・排気・掃気システムが提案され開発されました。

しかし、4ストロークの効率を凌駕する2ストロークシステムが出現しなかったのが、2ストロークエンジンの限界を示しています。

(Mr.ソラン)