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内燃工学
| 何故、高回転志向のエンジンは、バルブタイミングにオーバーラップ角を取るのか
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【問】オーバーラップって、「吸気バルブから入った未燃焼混合気を一旦排気バルブから排出させてしま
う」って本当？
なんでも、前回行程時に排気された排気ガスの反射波が、一旦排気バルブから出た混合気を押し戻
すので混合気の充填効率が上がるのだとか・・・
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【答】ウソ。
その知識は、２ストロークエンジンに使われる「チャンバー」とゴチャ混ぜになっていますよ。
２ストロークエンジンは膨張行程終了付近で排気と吸気を行うため、排気ガスに未燃焼混合気が混じ
るくらい豪快に掃気しないと、燃焼済みガスがシリンダ内に多く残留してしまい、新しい作動ガスが十分
に吸えません。
ところが、豪快に掃気して、排気ガスに未燃焼混合気が混ざってしまうと、気化したガソリンをそのま
ま排出してしまうことになり、大気汚染物質を撒き散らすことになってしまいます。
そこで考えられたのが、排気管途中で燃焼済みガスが膨張するための空間を設けるという仕組み―
―「排気チャンバー」――です。
排気ポートから排出された排気ガスは、圧力波となって排気管の中を出口に向かって進みます。
排気ガスが排気管の途中で膨張すると、圧力波もその空間に広がります。
広がった圧力波は、チャンバーの壁で反射し、今度はチャンバーから排気ポートへ向かって、今来た
道を戻ります。
この出戻り圧力波が、（次回行程で）一旦排気ポートから食み出した未燃焼混合気に干渉すると、食
み出した未燃焼混合気をシリンダー内へ押し戻します。
そうなることで、（EGRは増えますが）２ストロークエンジンの充填効率が向上するのです。
さて、この仕組みは、４ストロークに使えるのでしょうか？
使えない･･･というよりも使う必然性がありません。
４ストロークは排気行程と吸気行程が別々にあります。
排気行程で十分に燃焼済みガスを排出してしまえば、吸気の動的効果を無視してさえ排気量分の未
燃焼混合気を吸い込むことが出来ます。
わざわざ未燃焼混合気を一旦排気マニホールドへ食み出させてから戻さなくても、掃気も充填効率も
問題は生じません。
こう書くと、「いやいや。 未燃焼混合気を一旦排気マニホールドへ食み出させてから戻せば、NAでも
僅かに過給することが出来るジャン」と反論されそうですが、その仕掛けは非論理的です。
まず、オーバーラップ中は圧縮行程に入っても作動ガスが圧縮されません。
つまり、実質的な圧縮比が下がってしまいます。
僅かな過給効果のために、実質的な圧縮比を下げてパワーダウンさせるのは正しくないでしょう。
こう書くと、さらに「いやいや。 元々圧縮比を高くしておいて、オーバーラップ角を大きくすればイイ」と
反論されそうですが、それも非論理的なのです。
一旦排気マニホールドへ食み出した未燃焼混合気「だけ」を戻せるならその理屈も通りそうですが、
実際には燃焼済みガスも一緒にシリンダー内へ入ります。
そうすると上圧死点付近のシリンダ内圧が上昇します。
ガソリンが自然着火してしまう原因は温度と圧力ですから、上圧死点付近のシリンダ内圧が上昇する
と要求オクタン価が上がります。
となると過濃混合気で気化冷却したり、点火時期を遅らせたりしなくてはならなくなり、返ってパワ―ダ
ウンしてしまいます。
では、一体何のために「バルブオーバーラップ」というクランク角度が存在するのでしょうか？
ぶっちゃけ、話は簡単です。
空気を加速するのに時間が掛かるから、その時間だけ余分にバルブを開いておくだけの話です。
クランクの回転が遅い時は問題にならないのですが、クランクの回転が速くなると
・ 排気バルブを開けている僅かな時間では、シリンダ内で停止していた燃焼済みガスが加速する時
間が足りず、排気マニホールド側へ全部出て行ってくれない
→ 残留ガス増大
→ 吸入できる混合気減少
→ 出力低下
・ 吸気バルブを開けている僅かな時間では、バルブ前で停止している未燃焼混合気が加速する時間
が足りず、シリンダへ十分に入ってくれない
→ 吸入できる混合気減少
→ 出力低下
となってしまいます。
その対策として、排気バルブも吸気バルブも少しでも長い時間開けておくのです(※)。
その長い時間（クランク角度）の間で、たまたま排気バルブと吸気バルブが同時に開いている短い時
間（クランク角度）をオーバーラップ角と称するだけの話です。
※ 作動ガスの流れが速い超高回転域になると、作動ガスの慣性力が強くなるので、オーバーラップ角
を狭くしても充填効率に問題が生じなくなります（実質圧縮比が高くなるので、オーバーラップ角の狭い
方が高出力になります）。
まぁ、チャンバーが４サイクルにも効果があるなら、４ストロークエンジンの排気管にもチャンバー室
が設けられるハズですからね。 チャンバー室が無くてもチャンバー効果があるなら、２ストロークエン
ジンの排気管にチャンバー室は要らないし（笑）。
少し考えれば解りそうなモノだけど。
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