現行バイクのほとんどがこの形式

【Q&A】いまだから知っておきたいエンジンの仕組み 4ストローク編【バイクトリビア021】

厳しさを増す排出ガス規制や、車やバイクの電動化にむけて世界的に舵を切っただけに、もはや内燃機関はオワコンの雰囲気が無きにしも非ず。……けれども、eフューエルや水素エンジン等々、まだまだ内燃機関に未来はある! というワケで、現行バイクで主流の4ストロークエンジンの仕組みをおさらいしておけば、この先の発展が理解しやすい……かも。

●文:伊藤康司 ●写真:カワサキ

4ストロークエンジンの基本的な構成

|MIGLIORE|ミリオーレ|エンジン形式|4ストロークエンジン|

現在、ほとんどのバイクが4ストロークエンジンを採用。その基本的な仕組みって? [写真タップで拡大]

現在販売されているバイクのエンジンは、排気量や気筒数に関わらず、ほとんどが「4ストローク」だ。とはいえ、なにをもって4なのか? そしてストロークとは? それを知るために、まずは4ストロークエンジンの構成を見てみよう。今回はわかりやすい単気筒のDOHCエンジンで解説する。

まず、バイクはどのような仕組みで走っているのだろう?

エンジンは、昔はキャブレター、現在はFI(フューエルインジェクション)で空気とガソリンを混ぜて作った「混合気」を吸い込み、その混合気に点火して爆発している。そのエネルギーでピストンを押し下げ、その力をクランクシャフトで回転運動に変え、トランスミッション(変速ギヤ)を介して後輪に伝え、タイヤが地面を蹴って走るワケだ。

この図では省略しているが、カムシャフトはクランクシャフトに設けたスプロケットからカムチェーンによって駆動される(チェーンではなくベルトやギヤで駆動する場合もある)。そしてバルブスプリングの力で閉じている吸気バルブと排気バルブを、カムシャフトのカム山で押し下げることで開閉して、混合気を吸い込んだり、排気ガスをマフラーに排出している。

4つの行程で1回爆発、だから4ストローク

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4ストロークエンジンは、吸気→圧縮→爆発→排気を繰り返しながらエネルギーを発生している。 [写真タップで拡大]

4ストロークエンジンは、ピストンが「下る→上がる→下がる→上がる」の4つの行程(ストローク)で1回爆発する。だから4ストロークと呼ぶのだ。それでは各工程の動作を見てみよう。

吸気
ピストンが下がることで、シリンダーの中が「負圧」になる(注射器のピストンを引いて液体を吸い込むような状態)。そのタイミングで吸気バルブが開いて、キャブレターやFIで作られた混合気を吸い込む。

圧縮
下がったピストンは、重いクランクが回転する勢いによって押し上げられる。このタイミングでは吸気バルブは閉じられてシリンダーは密閉されているので、吸い込んだ混合気が圧縮されていく。

爆発
ピストンが上がって圧縮した混合気に、点火プラグから火花を飛ばして爆発させる。すると、爆発による膨張エネルギーがピストンを勢い良く押し下げる。この動きをクランクが回転運動に変換する。

排気
重いクランクが回転する勢いでピストンが上昇。このタイミングで排気バルブが開き、混合気が爆発・燃焼して生まれた排気ガスをマフラーに押し出す。そしてクランクの回転によってピストンが下がり始めると、最初の吸気行程になる。これを繰り返すことでエンジンが回り続ける。

上図からわかるように、4ストロークの単気筒エンジンはクランクシャフトが2回転することで1回爆発する。1回転=360°なので「720°の等間隔爆発」と表現できる。これを覚えておくと、少々難しいかもしれないが多気筒エンジンの不等間隔爆発の意味も理解しやすくなるだろう。

カタログやメカニズム用語との関係は?

たとえば「ストローク」はピストンの行程を表すのと同時に、ピストンの移動距離の意味も持ち、スペック表のボア×ストロークの数値がこれに当たる。そして「ボア」はピストンの直径(≒シリンダーの内径)のことだ。このボアの数値を元にシリンダーの断面積を算出し、ストロークの数値と掛ければシリンダーの内容積、すなわち「排気量」となる。多気筒エンジンの場合は、これに気筒数を掛けたものが総排気量だ。

また4つの行程の中に「圧縮」があるが、このもっともピストンが上昇した時のシリンダーの内容積と、吸気や爆発の行程でもっともピストンが下がったときのシリンダー内容積の比率が「圧縮比」になる。

他にもメカニズム解説でよく登場する「バルブタイミング」は、吸気バルブと排気バルブが開閉するタイミングを表し、「点火タイミング」は点火プラグに火花を飛ばすタイミングのこと。これら微妙なタイミングの設定によってエンジンの特性が変わるのはもちろん、排出ガスや燃費など環境性能にも影響する。

その吸排気バルブにも様々な方式があり、今回サンプルにしたDOHCは「ダブル・オーバー・ヘッド・カムシャフト」の意味。これはシリンダーヘッドに2本(ダブル)のカムシャフトを備えるためで、他にも吸気と排気のカムを1本で賄うタイプのSOHC(シングル・オーバー・ヘッド・カムシャフト)なども存在する。

……といった具合に、エンジンの仕組みを大雑把に知るだけでも、モデルチェンジやマイナーチェンジでどこがリファインされたのか理解しやすく、スペックの数値や採用されるメカニズムからエンジンの特性をイメージすることもできる。


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