2ストロークの排気系とは?エキスパンションチャンバーで燃焼ガスを吸い出す【バイク用語辞典:排気系編】

■排気脈動を利用して掃気効率を改善するのがエキスパンションチャンバーの役割

●掃気ポートと排気ポート、エキスパンションチャンバー形状の最適化が掃気効率改善のポイント

排ガス規制に対応できない2ストロークエンジン搭載バイクは、現在国内向けには生産されていません。2ストロークには混合気で燃焼ガスを排出する掃気行程があるため、混合気の排気管への吹き抜けによって排ガスが悪化するためです。

2ストロークエンジンのマフラーの仕組みと役割について、解説していきます。

●2ストロークの課題は混合気の吹き抜け

2ストロークエンジンには4ストロークエンジンのような吸・排気弁がなく、混合気で燃焼ガスを押し出す掃気行程があります。

掃気行程では、混合気と燃焼ガスが混じり合うため燃焼が不安定になる、また混合気が排気ポートから抜けてしまうので、燃費と排気ガス特性が4ストロークに比べて大きく劣ります。さらに掃気効率が、運転条件によって大きく変動することが排ガスの制御をより難しくしています。

したがって、2ストロークエンジンが発明されて以降、開発のほとんどは、掃気効率を上げる、混合気の吹き抜けを抑えるための努力に費やされたといっても過言ではありません。

●エキスパンションチャンバーの構成

通常2ストロークエンジンのマフラーは、排気管とエキスパンションチャンバー、サイレンサーから成ります。

エキスパンションチャンバーの構成
エキスパンションチャンバーの構成

中間部が膨らんだ形状のエキスパンションチャンバー(以降チャンバーと呼ぶ)は、排気管とテーパー状に繋がる部分のダイバージェットコーン、中間部分の太いストレート管、後流のサイレンサーに向かって絞り込まれていくコンバージェットコーンで構成されます。

この容積変化を利用してチャンバー内に高圧部と低圧部の圧力差を発生させて、混合気の吹き抜けを抑制しながら燃焼ガスの排出を促進します。

排気音は、主として後流のサイレンサーで低減します。

●チャンバーの役割

エキスパンションチャンバーの役割
エキスパンションチャンバーの役割

チャンバーの形状によって排気脈動の圧力形態が変化するため、排気ポートの開閉タイミングとチャンバー形状の組み合わせが重要です。

チャンバーには、次の2つの役割があります。

 

・燃焼ガスの排出促進
シリンダー内で燃焼が始まり排気ポートが開くと、燃焼ガスは排気管からテーパー状に広がったダイバージェットコーン部で急激に膨張します。膨張によって内部の圧力が下がるため、シリンダー内の高圧の燃焼ガスの排出が促進されます。

・掃気の促進と混合気の吹き抜け防止
排気ポートに続いて掃気ポートが開くと、混合気が吸入されてシリンダーの中の燃焼ガスを押し出します。このとき、一部の混合気が燃焼ガスとともに排気管に排出され、これが問題の吹き抜け現象です。チャンバー内の排気ガスは中間部分でさらに膨張した後、逆テーパー状になっているコンバージェットコーンに流入します。

コンバージェットコーンに達した燃焼ガスは、絞り込まれながら徐々にサイレンサーに排出されます。絞られることでチャンバー内部の圧力が高くなり、燃焼ガスとともに排出された混合気はシリンダー内に押し戻されます。

以上のように、チャンバーは排気脈動を効果的に利用して、燃焼ガスの排出を促進しながら混合気の吹き抜けを防止する重要な役割を担っています。


2ストロークエンジンは、掃気ポートと排気ポート、およびエキスパンションチャンバー形状の最適化によって、掃気効率を改善して充填効率を高めてきました。それでも改善には限界があり、4ストロークエンジンと排ガス性能差は縮まらず、2006年の排ガス規制に適合できないため国内から消え去りました。

(Mr.ソラン)