4ストロークの排気系とは?燃焼ガスの抜けを良くするように排気系レイアウトを最適化【バイク用語辞典:排気系編】

■多気筒エンジンでは、各排気ポートの径や長さ、集合の仕方や形状が重要

●排気脈動を効果的に利用して排気圧力を下げることが、出力向上につながる

バイクの主流である4ストロークエンジンのマフラー(排気系)は、排気管やサイレンサーなどのレイアウトを最適化することによって、排気音の消音と排気脈動を利用した充填効率の向上を図っています。

4ストロークエンジンの排気系システムの最適化について、解説していきます。

●集合マフラーとその効果

昔のバイクは、1気筒について1本のマフラー、4気筒なら4本のマフラーが装備されていました。現在は、2本以上の排気管がある場合には、多くの場合1本にまとめて排気させる集合マフラーが採用されています。

集合マフラー
集合マフラー

集合マフラーにすることによって、排気系全体を軽量コンパクトにできます。さらに、排気管を集合させて各気筒の脈動効果を利用して燃焼ガスの吸出し効果を促進する、また、各シリンダーからの燃焼ガスを干渉させて排気音を低減する狙いもあります。

4気筒エンジンの代表的な集合マフラーとしては、排気管を4→1とまとめる4 in 1(4-1)方式と4→2→1とまとめる4 in 2 in 1(4-2-1)方式があります。一般的には、4 in 1方式は高速トルクが向上、4 in 2 in 1方式は中速トルクが向上します。

●排気脈動を利用した燃焼ガスの吸出し効果

排気弁が開くと、排気管には高温・高圧の燃焼ガスが噴き出します。このとき発生する強い衝撃波(正圧)は、排気管の集合部やサイレンサーなどの解放端で反転して、負圧となり反射します。反射した負圧は、シリンダー出口へと音速で返り、他気筒または自気筒の次の排気行程の排気弁が閉まる直前に合致すると、燃焼ガスの吸出しが促進されます。

排気の吸出し効果
排気の吸出し効果

この吸出し効果によって、排気効率が改善されて吸入空気の充填効率が向上します。逆に排気弁が閉まる直前に弱い負圧や正圧が合致すると、燃焼ガスの吸出しが悪化してシリンダー内に残留ガスが増えるので、充填効率は低下します。

排気の吸出し効果を促進する排気脈動波の形態は、マフラー全体の長さや管径、集合マフラーまでの長さや集合マフラーの容積などで決まります。したがって、搭載エンジンの目標出力特性に合わせて、マフラー全体のレイアウト設計を行います。

●排気脈動を利用する排気デバイス

通常バイク用の4ストロークエンジンでは、最高出力回転で最も脈動効果が発揮するように排気系全体のレイアウトを設計します。しかし、脈動波の周波数はエンジン回転数によって変化するので、低中速域では必ずしも有効に脈動が利用できるわけではありません。

排気デバイス
排気デバイス

広い回転域で排気脈動を利用するためには、回転数に合わせてマフラーの長さや排気管内径などを変化させて脈動のタイミングを可変化することが有効です。そのために、2つの方法が採用されています。

ひとつは、排気管の集合部にモーターで駆動するバルブを設け、エンジン回転数やアクセル開度に応じてバルブ開度を全閉から全開まで変化することで排気脈動を制御する方法です。

もうひとつは、各排気管の途中に連通管とサブチャンバーを設けて、互いの脈動を利用する方法です。これは、バルブオーバーラップ時に排気ガスがシリンダー出口側に戻るのを抑制するのが狙いです。


排気脈動は、エンジン回転数とともに変化するため、設定された回転数から外れると逆効果になり排ガスの吸出しが阻害されることがあります。これを避け、広い回転域で排気の吸出し効果を促進するには、排気系のレイアウト、特に最も影響の大きい排気管の長さを可変化することが理想的で、一部のモデルで実用化されています。

(Mr.ソラン)