可変吸気システムとは?状況に応じて吸気ポートの長さと太さを可変する仕組み【バイク用語辞典:吸気系編】

■可変吸気システムは、吸気の慣性効果を広い回転域で活用するのが狙い

●細くて長い低速型ポートと太くて短い高速型ポートをエンジン回転で切り替えるのが基本

一般に細くて長い吸気ポートのエンジンは低速トルクに優れた低速型、短くて太い吸気ポートのエンジンは高速トルクに優れた高速型です。可変吸気システムは、吸気ポートの長さを低速域と高速域で切り替えて、全域で高いトルクを得るための技術です。

一部のモデルで採用している可変吸気システムの仕組みと効果について、解説していきます。

●吸気の慣性効果でトルクを上げる

エンジンのトルク(出力)を向上させるには、吸入空気量を増やして充填効率を上げることが効果的です。そのため、吸気流れの動特性を利用して充填効率を上げる吸気の「慣性効果」と「脈動効果」が利用されます。

慣性効果は、吸気流れの慣性力を利用してより多くの空気をシリンダー内に押し込む方法です。一方の脈動効果は、吸気系内で発生する吸気脈動を利用する方法ですが、慣性効果に比べると効果は小さく、実用的ではありません。

したがって、吸気系の構成は慣性効果を最大限発揮するように設計されています。

●慣性効果によってなぜ吸入空気量が増えるのか

吸気の慣性効果
吸気の慣性効果

吸入行程で、ピストンが下降し始めると空気がシリンダー内に入ってきます。気柱の慣性によって、空気はピストンが下死点を過ぎて上昇し始めてもまだ入ってくるので、吸気ポート内の正の圧力が最も高くなった(空気の密度が高い)時に、吸気バルブを閉じます。

吸気バルブが開いているときは、吸気ポート内の圧力とシリンダー内の圧力は同じです。吸気ポート内圧が最も高いときに吸気バルブを閉じるということは、シリンダー内の圧力が最も高い、多くの空気をシリンダー内に閉じ込めることに他なりません。このときシリンダー内に吸入される空気量は最大になり、条件によっては充填効率が100%を超えることもあります。

シリンダー内に発生する正の圧力波は、吸気で発生した負圧が音速で吸気ポート上流の解放端で反射反転して戻ってきた圧力波です。したがって、正圧波のタイミングは吸気ポートの長さに依存し、ポートが短ければ高速で吸気バルブ閉じタイミングに合致、ポートが長ければ低速で吸気バルブ閉じタイミングに合致するので吸入空気量が増大します。

●バイクの可変吸気システムとその効果

代表的な可変吸気システムとしては、2つの方法があります。

可変吸気システム
可変吸気システム

ひとつは自動車で採用されている方法で、吸入空気の入口からエンジン入口までの2つに吸気経路の片方にシャッターバルブを設けて、エンジン回転数に応じて吸気経路を切り替える方法です。

もうひとつはバイクで採用されている方法で、吸気吸い込み口のラッパ状のエアファンネル(吸気ポート)の長さをエンジン回転数に応じて切り替える方法です。

切り替えのため、エアファンネルは上下分割できる構造とし、低回転域では上下のファンネルを結合して吸気ポートを長くし、高回転域では上下のエアファンネルを分割して吸気ポートを短くします。分割は、上下のエアファンネルをモーターによってスライドさせることで実現します。

可変吸気システムの出力特性
可変吸気システムの出力特性

可変吸気システムを採用したエンジンは、吸気ポートを長くした低速トルク型エンジンと吸気ポートを短くした高速トルク型エンジンを組み合わせた、全域で高いトルク特性を示します。

また、上下のファンネルの長さの調節によってトルク特性をある程度自在に設定できます。


自動車では、可変吸気システムよりも可変動弁機構の方が普及しています。その理由は、可変吸気システムの効果がトルク向上だけなのに対して、可変動弁機構はトルク向上だけでなく、燃費や排ガス低減効果もあるからです。

バイクについても、同様に今後は可変吸気システムよりも可変動弁機構の方が普及すると思われます。

(Mr.ソラン)