圧縮比と排気量とは?圧縮比は吸入空気が圧縮される割合、排気量はピストンの行程容積【バイク用語辞典:4ストロークエンジン編】

■圧縮比は熱効率を、排気量はエンジントルクと出力を決定する主要因子

●エンジンの設計で最も重要なのが圧縮比と排気量の設定

圧縮比はエンジンの熱効率を、排気量はエンジンのトルクや出力を決定する重要な因子です。バイクの目標性能が決まれば、それを実現するための圧縮比や排気量などのエンジンの主要因子が設定されます。

エンジンを設計する際の重要なパラメーターである圧縮比と排気量について、解説していきます。

●圧縮比の定義

圧縮比は、「シリンダー内の空気または混合気が、ピストン上昇によってどれくらい圧縮されるのか」の割合を示す指標で、次の式で表されます。

・圧縮比=(燃焼室容積+排気量)/燃焼室容積

圧縮比と熱効率
圧縮比と熱効率

ここで燃焼室容積とは、ピストンが上死点(往復運動するピストンが最も上昇した位置)での容積、排気量とは、ピストンが往復運動する際の容積で「ボア(シリンダー内径) 2×π/4×ストローク」です。

ガソリンエンジンの理論サイクル(オットーサイクル)では、熱効率は以下のように圧縮比と比熱比で表すことができます。

熱効率 = 1-(1/ε)κ-1

(ε:圧縮比、κ:比熱比=低圧比熱/定積比熱、空気の場合は1.4)

圧縮比が高いほどエンジンの熱効率は向上し、燃費と出力が向上します。

ただし、圧縮比が14より高くなると向上率は頭打ちになる傾向があります。圧縮比を上げていくと、燃焼室容積が減るため、SV比(燃焼室表面積/容積)が増大して、壁面からの熱損失が増えてしまうからです。

●エンジンの圧縮比はどのように設定されるか

ガソリンエンジンでは、圧縮比を上げるとノッキングが発生するため、圧縮比向上には限度があり、一般的には圧縮比は9~13程度に設定されます。

ノッキング
ノッキング

ノッキングは、火花点火による火炎が到達する前に、燃焼室端部の未燃ガスの温度が上がって自着火する現象です。高温高圧の激しい燃焼なので、燃焼室内で高周波の圧力振動が起こり、カリカリといった音が発生し、最悪の場合は熱によってピストンが溶損します。

ノッキングの発生を抑えるため、燃焼室形状の最適化や未燃ガスの温度を下げるために燃焼室の冷却性を向上させるといった手法が採用されています。

水冷エンジンのバイクは冷却性能が高くノックしにくいため、圧縮比を12や13程度まで上げることができ、一方空冷エンジンのバイクは冷却性能が劣るため、圧縮比を上げられず8~9の低圧縮比に設定されます。

●排気量はボア/ストロークで決まる

エンジンの排気量は、シリンダーの内径(ボア)と、ピストンが上下運動する上死点から下死点までの移動する距離(ストローク)で決まります。以下の式で示されます。

・排気量 = π x (ボア)2 x 1/4 x (ストローク) x (気筒数)

排気量が大きいほど、1サイクルでの吸入空気量が増えて投入燃料量が増やせるのでトルクと出力が増大します。バイクに搭載するエンジンの排気量は、そのバイクの大きさ(エンジンスペース)、車重および目標出力が設定されれば、おおよそ決定します。

ボアよりもストロークが長いとロングストロークエンジン、ボアよりもストロークが短いとショートストロークエンジン、またボアとストロークがほぼ同じ場合はスクエアエンジンと呼ばれます。

一般的に自動車用エンジンはロングストロ-ク、バイク用エンジンはショートストロークが採用されています。ロングストロークとショートストロークの違いについては、別頁で詳細に解説します。


ガソリンエンジンの熱効率を向上させるために圧縮比を上げることは、長年のテーマです。そのためには、冷却性能や燃焼室形状、ボア/ストローク比などを最適設計することが重要です。

また同じ排気量であっても、ボアとストロークの関係が変われば、性能(燃費や出力特性)も大きく変わります。

(Mr.ソラン)

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