模型用グローエンジンの仕組み（4ストロークエンジン編）
4ストロークエンジンの仕組み
前回の記事で説明した2ストロークに続いて、今回は4ストロークについて説明していきたいと思います。4ストロークは2ストロークと比べると構造が複雑で、その分、メカニカルな動きとなっており、模型好きにはたまらないものがあるようです。また、その独特のエンジンサウンドも魅力的なもので、特にスケール機マニアに支持されているエンジンとなります。
4ストロークは、2ストロークがクランクシャフトが1回転する間に1回爆発するのに対し、2回転する間に1回爆発します。具体的な行程としては「吸入」「圧縮」「爆発」「排気」の4行程があり、この間にクランクシャフトは2回転するようになっています。
大きな違いは2ストロークがクランクケース内の圧縮を利用して、混合気を吸入、排気するのに対し、4ストロークはシリンダーヘッドに吸気と排気のバルブを搭載し、カムとプッシュロッドを使ってタイミングを合わせて開閉するようにすることで、混合気の吸引と排気をおこなっている点にあります。
行程を詳細に見ていきましょう。ピストンが下がっていく（1度目）と同時に吸気バルブが開き、キャブレターから混合気が燃焼室に入ってきます。次にピストンが反動で上昇してくる際に吸気バルブが閉じるので、燃焼室は密閉状態となります。密閉状態の中でピストンが上昇してくるので、混合気は圧縮され、プラグの熱によって点火し、爆発を起こします。その爆発の勢いで再びピストンは下がっていき（2度目）、次に上がったくる際に今度は排気バルブが開き、燃焼室内の排気ガスはピストンによって外部へ押し出されていきます。これが4ストロークエンジンの仕組みです。
では、排気と吸気のバルブはどのように制御されているのでしょうか。バルブはシリンダーヘッド内に収められたロッカーアームによって制御されています。このロッカーアームを制御しているのが2本のプッシュロッドであり、そのプッシュロッドを押し上げているのが、クランクシャフトに取り付けられたカムシャフトです。このカムシャフトには非対称のカムと呼ばれる突起部分があり、この突起がクランクシャフトが回転するごとにタイミングよくプッシュロッドを押し上げることでロッカーアームが動き、2つのバルブが開閉するようになっているのです。
シリンダーヘッド
4ストロークのシリンダーヘッドには、クランクケースの密閉、放熱、プラグの搭載といった2ストロークと同じ機能以外に、ロッカーアームや吸気、排気バルブの搭載という役割もあり、2ストロークと比較するとその構造は複雑なものとなっています。シリンダーヘッドの上部にはさらにロッカーアームを収めるロッカーカバーもあり、2ストロークと比べるとヘッドが高くなる傾向にあります。
クランクケース
4ストロークのクランクケースは2ストロークと比較するとプッシュロッドの穴が外部に用意されているのが大きな違いです。また、カムシャフトが入る部分も外部からも分かるようになっており、細部を比較すると2ストロークと異なる部分も多くあります。
クランクシャフト
4ストロークのクランクシャフトは、2ストロークにあった燃料を吸入する穴はありませんが、カムシャフトを取り付ける部分に歯車が用意されています。ここにカムシャフトを取り付けることで、タイミングよくプッシュロッドが押され、バルブが開閉するようになります。
シリンダーライナー
2ストロークでは混合気の吸気や排気用の穴が側面にあったシリンダーライナーですが、4ストロークではその役割はバルブが担っているので、シリンダーライナーはシンプルにピストンが内部を上下するための筒状の部品となっています。
ピストンとコンロッド
2ストローク同様、シリンダーライナーの中を上下に激しく動き回るピストンとコンロッド。4ストロークではピストンが上下運動を2回繰り返す中で、吸気と排気がおこなわれます。形状は2ストロークと大きな違いはなく、爆発によって上下する動きをコンロッドがクランクシャフトに伝え、それが回転運動となってプロペラが回転するようになる点は2ストロークも4ストロークも変わりません。
カムシャフト
4ストローク独特の部品であるカムシャフト。クランクシャフトの途中に取り付けられ、カムと呼ばれる非対称の突起が設けられています。これは、クランクシャフトが回転するとカムシャフトも回転し、カムの部分が回転ごとにプッシュロッドに接触し押し上げます。これによってタイミングよく、プッシュロッドが上がり、ロッカーアームが動き、吸気と排気のバブルが開閉するようになります。4ストロークはクランクシャフトが2回転する間に、バルブはそれぞれ1回開閉するため、このカムシャフトによって減速をおこなっています。
ロッカーアーム
シリンダーヘッドの上、ロッカーカバーに覆われた中にあるのがロッカーアーム。吸気と排気のバルブを開閉する仕組みを担っており、プッシュロッドによって押し上げられると、シーソーのようにロッカーアームを介してバブルが開くようになります。このオーバーヘッドバルブ方式（OHV方式）は、4ストロークでもスタンダードなものであり、構造は複雑だが、非常に理にかなっている仕組みです。
プッシュロッドとプッシュロッドカバー
カムシャフトによって押し上げられ、ロッカーアームに伝え、バルブの開閉を担うロッド。クランクケースの外部に取り付けられることが多く、最近の4ストロークではロッドの周囲をカバーで覆っています。このプッシュロッドがカムシャフトのカムによって上部に押し上げられることで、タイミングよくバルブを開閉することができるようになっています。
バルブ
4ストロークの要となるバルブ。吸気バルブが開くことで混合気が取り込まれ、閉じることで密閉状態を作り出し、混合気に点火され爆発を起こします。次にピストンが爆発の影響で下がり、反動で上がってくる時に排気バルブが開き、燃焼室内の排気が外部へ排気されます。このバルブに不具合があると、密閉状態が作れなくなり、エンジンは始動しなくなったり、アイドリングできずにすぐに止まってしまうようになります。
今回は2回にわけて模型用グローエンジンの仕組みを紹介してきましたが、いかがでしたでしょうか？ぜひこれを機会に、電動機にはない数多くの魅力溢れるエンジン機をぜひ飛ばしてみてください！
