可変排気システムとは？排気タイミングや容量を可変させる仕組み【バイク用語辞典：2ストロークエンジン編】

■2ストロークの弱点である燃焼ガスの抜けを全域で改善して充填効率を向上

4ストロークエンジンでは、VVTなど可変動弁機構が一般的に採用されています。一方2ストロークエンジンでも、運転状況に応じて排気ポートの開閉タイミングや排気マフラー容量を可変化するシステムがあります。

2ストロークエンジンで採用されている可変排気システムについて、解説していきます。

4ストロークエンジンの弁開閉時期と開弁期間に相当するのが、2ストロークエンジンではポートタイミングで、シリンダー上端面(上死点位置)から各ポート開口部までの長さで決まります。

上死点付近で発生した燃焼によってピストンが下がり始め、排気ポート開口部の上端部を通過すると排気ポートが開いて高圧の燃焼ガスが排出されます。その後、掃気ポートが開いて新気で燃焼ガスを押し出す掃気行程を経て、排気ポートが閉じて排気行程が終了します。

シリンダー上端面からポート開口部上端部までの長さが短いと排気ポートの開く時期が早く、同じく開口部下端までが長いと排気ポートの閉じる時期が遅くなります。

ある気筒の排気ポートが開くと、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、シリンダー出口部へ音速で返ってきて、次の排気行程の排気ポート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。この吸出し効果によって、排気効率が改善することを排気の脈動効果と呼びます。

逆に排気ポートが閉まる直前に正圧のような高い圧力波が合致すると、燃焼ガスの抜けが悪くなってシリンダー内に残留ガスが増えて、充填効率が低下します。

合致するタイミングは、エンジン回転数と排気系のレイアウトで決まるので、エンジン回転数によって排気系レイアウトを変更することができれば、全域で出力を向上させることが可能です。

この発想で考えられたのが、可変排気システムです。

可変排気システムには、排気ポートタイミング可変システムと排気容量可変システムの2種類があります。

・排気ポートタイミング可変システム
シリンダーと排気ポートの接合部の上部に切り欠いた円筒状や板状の排気バルブを設け、モーターなどで開閉して排気ポートの高さを変更します。エンジン回転数に応じて、排気バルブを作動させて排気ポートが開くタイミングを変更します。

・排気容量可変システム
排気ポート付近にサブチャンバーを設け、その入口部のバルブを開閉してマフラー容量を変化させます。排気脈動は排気系の長さや容量の大きさで変化するので、吸出し効果が期待できる脈動波の低い圧力が、排気ポート部に合致するようにバルブを開閉します。

排気管内に発生する排気脈動は、エンジン回転数によって変化します。排気吸出し効果が発揮されるのは、排気ポート部の圧力が低い場合であり、逆に圧力が高いと排気ガスの抜けが悪化して充填効率が低下します。

可変排気システムは、そのような回転依存による出力の増減を減らして、全域で出力向上を図る手段です。

（Mr.ソラン）

某自動車メーカーで30年以上、自動車の研究開発に携わってきた経験を持ち、古い技術から最新の技術までをやさしく解説することをモットーに執筆中。もともとはエンジン屋で、失敗や挫折を繰り返しながら、さまざまなエンジンの開発にチャレンジしてきました。

EVや燃料電池の開発が加速する一方で、内燃機関の熱効率はどこまで上げられるのか、まだまだ頑張れるはず、と考えて日々精進しています。夢は、好きな車で、大好きなワンコと一緒に、日本中の世界遺産を見て回ることです。

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