シリンダーの構造は?ピストンバルブ式には「吸気」「排気」「掃気」の3ポートがある【バイク用語辞典:2ストロークエンジン編】

■ピストンの往復運動に連動して吸気、排気、掃気の3つのポートが開閉

●吸・排気弁のように混合気や燃焼ガスを精度よく制御ができないことが致命的な課題

吸・排気弁がない2ストロークエンジンは、シリンダーまたはクランク室に設けられた吸気・排気・掃気ポートとピストンの往復運動で吸気・排気・掃気の流れを制御します。

2ストロークエンジンのシリンダー内壁にポートを設けたピストンリードバルブ方式のシリンダー構造について、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

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(ピストン1往復)で行い、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。

最大の特徴は、吸気、圧縮、燃焼・排気行程の一部が重複し、掃気行程というユニークな行程があることです。

2ストロークの基本サイクル
2ストロークの基本サイクル

(吸気/圧縮)行程

・ピストンが下死点の時は掃気ポートが開いており、加圧された混合気が燃焼室に吸入されます。

・ピストンが上昇するとクランク室の容積が増えて負圧が発生し、吸気ポートが開くと負圧によってクランク室に混合気が吸入されます。

・さらにピストンが上昇し、掃気ポートと排気ポートが閉じると燃焼室内の混合気が圧縮されます。

(燃焼/排気/掃気)行程

・圧縮された混合気は点火プラグで着火燃焼し、燃焼圧力によってピストンは押し下げられます。

・ピストンが下降するとまず排気ポートが開き、燃焼ガスが排出されるとともにクランク室内に吸入されていた混合気が加圧されます。

・さらにピストンが下降すると掃気ポートが開き、加圧された混合気が燃焼室内に吸入され、残留燃焼ガスを排気ポートから掃気します。

●ピストンバルブ方式のシリンダー構造

混合気の吸入方式には、大別すると吸気ポートをシリンダーに設けたピストンリードバルブ方式と、クランク室に設けたクランクケースリードバルブ方式があり、いずれも混合気の吹き返しを防ぐためポート内にはリードバルブが装着されています。

基本的な混合気の吸入方式は、ピストンリードバルブ方式です。これは、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。

ピストンリードバルブ方式
ピストンリードバルブ方式

比較的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。ただし、シリンダー内壁面にポート口が開いているので温度分布が不均一になり、歪が発生しやすい課題があります。

そのため、高出力エンジンではオールアルミ合金製のシリンダー内壁にニッケルなどのメッキを施し、耐摩耗性や耐焼き付き性を向上させたものが採用されています。

●3つのポートの役割

吸気、排気、掃気ポート
吸気、排気、掃気ポート

・吸気ポート

吸気ポートは、新気をクランク室内に吸入するのが役目です。

ピストンが上昇するとクランク室の容積が増えて負圧になり、吸気ポートが開いてクランク室に混合気が吸入されます。

・排気ポート

排気ポートもシリンダー内壁面に設けられ、燃焼ガスをシリンダーの外に排出するのが役目です。

混合気が燃焼してピストンが押し下げられると、排気ポートが開いて燃焼ガスが排出されます。

・掃気ポート

2ストロークエンジンの特徴である掃気を行うのが、掃気ポートです。掃気ポートは、シリンダー内壁面の2~4箇所(吸気ポートを兼用している場合は3~5箇所)に設けられています。

ピストンが下死点近くまで下がると掃気ポートが開き、ピストンに加圧されたクランク室内の混合気がシリンダーに吸入されるとともに、シリンダー内に残留している燃焼ガスを排気ポートから押し出します。


2ストロークエンジンでは、吸・排気弁の代わりにシリンダーに設けた3つのポートとピストンの往復運動によって、混合気の吸入や燃焼、排気を制御しています。

吸・排気弁を使わないので合理的なようですが、吸・排気弁のように混合気や燃焼ガスを精度良く制御ができないことが、致命的な課題と言えます。

(Mr.ソラン)