エンジンのボア・ストローク（本文から抜粋追記）
ボアストローク比によっってロングストローク、ショートストロークが分類されている。その特性は、簡単に言えば、次のように区別する事が可能だ。ロングストロークエンジンは、ストローク長＞ボア径でボアストローク比≧１のエンジン、ショートストロークエンジンは、その逆でボアストローク比＜１のエンジン。
そもそも、エンジン自体は圧縮、爆発、膨張というプロセスをとるので、圧縮時燃焼室の比表面積が小さい程、燃焼室がコンパクトとなり効率が高くなる。そういう意味で考えれば、ロングストロークエンジンの方が燃焼室形状的にはショートストロークエンジンよりも有利となる。燃焼室の比表面積が小さい程、つまり球体に近い程、点火後の火炎伝播が速やかに進行するために燃焼の面でも有利となる。つまり、ノッキングを誘発しにくいという特徴も有している。点火時期の選択の自由度が高いのも特徴だ。それ故に、効率の高いタイミングでの点火、つまり未燃ガスの発生量を抑える事が可能となるのだ。余談だが、ロータリーエンジンが不利なのは扁平形状の燃焼室故でもある。ロングストロークエンジンでは、燃焼室がコンパクトな上に高いエネルギーを持った状態からの膨張過程においても、熱エネルギーを失う経路となるシリンダー表面がコンパクトとなるので、総じて熱効率の面で有利となる。エンジン行程容積が同じ場合、燃焼室表面積自体もショートストロークエンジンの方が大きくなる傾向で、ここでも熱損失から考えてもロングストロークエンジンの方が有利となる。
しかし、エンジン回転数が高くなる程、ネガティブな要因が出てくる。それは、ピストンリングの摺動速度が高くなり、高回転程、摺動限界が早く訪れるのでエンジンの高回転化が計りづらくなること。さらに、高速運転を行おうとすれば、速やかな混合気の交換が必要だが、ボア径が小さい事によるバルブ開放面積の狭さが、それを妨げることにもなる。結果的に、高回転時において理想的なガス交換が行えなくなり効率的に低下する傾向となる。更に、ストロークが長くなる分、相対的にコンロッド長が短くなり、ピストンの上下で発生するコンロッドの首振り角度が大きくなるために、シリンダー摺動における摩擦損失が大きくなり、振動も増幅する傾向にある。
火花伝播の面ではビッグボアエンジンは不利という本質も、高回転運転では燃焼室形状、ポート形状によって燃焼室内では激しい混合気の渦が発生しており、火炎の伝播は低回転時よりも断然に速やかに行う事が可能となり、ビッグボアエンジンであっても高回転運転においてはノッキング発生リスクが著しく低減するために、ビッグボアエンジンのノッキングリスクは低回転時のみに留まる。逆に、ロングストロークエンジンでは低回転でもノッキングが起こりづらいという特徴を持つのである。
一般にボア、ストロークの比率でロングストローク、ショートストロークで高回転型、低回転型の区別がなされているが、ボアとストロークは別に考える見方も有りかと思う。ボア径については、燃焼室内の火炎伝播速度と想定上限回転数での爆発時間で最大径が決まってくる。火炎の伝播速度は正常な燃焼状態のもとでは、30[m/sec]程度であり、2stでは更に遅くなる。一般に言われているノッキングは異常燃焼の状態で伝播速度が音速に迄上昇した際の音であり、正常な燃焼が行える距離というのはガソリンエンジンでは上限があるのが通例として認識されている。高回転型のエンジンでは、爆発時間が限られてくるためボア径は小さくなるし、低回転型のエンジンでは、ボア径を大きくとることができる。理想的なボア径は、排気量から逆算されて決定されるより、使用回転域で完全燃焼が行える最大径として算出されるべき数値である。現在のガソリンエンジンの理論的な最大径は約150mmと言われているが、10000rpmを許容するエンジンでは、ボア径は最大でも85mm程度となる。一方、10000rpmを許容するストロークはピストンスピードから考えると最長でも60mm程度になる。ピストンスピードの上限値は、リングとシリンダーの間の油膜維持が可能な最大値で、組み合わせる材質、オイルの種類によって様々であるが、通常は20[m/sec]（最高峰F1等でも30m/secには届かない。）という値がよく紹介されている。更なる高回転を狙うとボア径、ストローク長も小さくならざるを得ないが、高出力化を多気筒化で狙うと慣性質量の増加に伴い、気筒当たりの負荷増大を招き中低回転域からの過渡特性の面でネガティブな面が発生する。こんな理屈が必ずしも正論とは限らないが、これに拘ると気筒当たりの容積は300〜350ccあたりがベストと個人的には思う。
勿論、許容回転数を下げれば、その分、ストローク長を伸ばす事も出来るし、ボア径も拡大出来る。例えば、9000rpmを許容するエンジンは毎秒150回転（往復）する。一往復での時間が1/150秒であり、上死点から下死点迄の移動時間は1/300秒となる。つまり、20m/sec（20000mm/sec)×1/300sec＝67mmがストロークとなるのでは無いだろうか？更に、クランクシャフト１回転で1/150秒であり、ガソリンエンジンにおいては燃焼速度が最大となる最高圧力状態となる上死点後10度の時点において一定比率以上の燃焼が完了していなければならない。想定される回転数によって様々に変わるが、燃焼に許される時間は点火時期から上死点後10度までの範囲に限られてしまう。ちなみに、その角度が仮に60度だとすれば、9000rpmのエンジンでは、火炎伝播速度×時間＝30〜40m/sec×1/150×60/360=33〜44mmのボア66〜88mm程度ということになる。勿論、前述したように、燃焼時間、燃焼速度といった項は、燃料の種類、燃焼室形状、想定回転数、圧縮比によって変化する事を忘れては行けないし、ここでは、それに関する突っ込みはパス願いたい。
同様に、非常に大雑把な話になるが、許容回転数、燃焼時間を12000rpm、18000rpmとすれば、それぞれ67mm、45mmがボア径となり、50mm、36mmがストローク長となる。その際の単室容積は、176cc、58ccとなる。これが限られた容積で高速性能を重視して作られた４気筒エンジンならば、前者が700cc強、後者が230cc強となり、昔流行した250ccマルチレプリカ、最近ヨーロッパで人気の600ccスーパースポーツのエンジンに近くなる。
逆に、許容回転数を4500rpm程度に抑えれば、ボア径は100mm、ストローク長は130mm程度まで拡大出来たりする訳だ。
少し前の空冷4気筒車の多くはストローク60mm弱のものが多く、上限回転数も10000rpm弱でありスムーズな反面、低速域からのピックアップ等に現れる過渡特性で優れたエンジンは少ない。最近の水冷4気筒車のストローク50mm強、ボア径80mm程度のエンジンも回転上限は12000rpm辺りであり、高回転域ではパワフルだろうが、極低回転域からの立ち上がりでは弱い傾向は拭い去れない。特に多気筒化に伴う、クランク系の負荷の増大に対しては気筒容積の不足は、中低速域での燃焼復元性に大きなマイナスとなる。
機械としての限界を加味した上で、エンジン回転の上昇過程を楽しむとなれば、最低でも8000rpm程度を許容するエンジンでありたい。となると、ボア径の最大値は90mmチョイだろう。一方でピストンスピードで制約を受けるストローク長は70mm未満となる。そういうシリンダー行程容積は450cc弱、ツインなら900ccくらいが回転上昇を楽しめるツインエンジンの上限ということになるかもしれない。これを越えるビッグボアツインでは、低回転時のノッキングが顕著であり、大排気量であっても低回転でトルクの立ち上がりを楽しむというのは難しい。常用回転数を少しでもたかめ、燃焼が隅々迄確実に進むようにボア径を抑えるとなると、ボア径は80mm程度、その場合の排気量が650ccクラスとなる。ツインで650ccクラスが世界の一つのスタンダードとして定着しているのは、ショートストロークツインでありながら、実用的にノッキングを回避できる中低速性能を確保しつつ、回転上昇が楽しめる、所謂一つの最適解として求められているものと言える。
ツインで回転上昇を楽しむのでなく想定回転数を4000rpm程度に抑えた設計であれば、ノッキングさせない最大ボア径として限界の100mmを与え、ロングストローク化の限界としてストローク長120mmを与えれば、単室で900ccに迫るシリンダーが実現可能だ。大きなトルク＋ハイギヤードで一回の爆発で距離を稼いで進むということで、アメリカン、クルーザーなどには、こういう構成も有り得る。
個人的な好みというと、ショートストロークであっても低速時でのノッキングリスクを或る程度抑えるべく、ボア径に余裕を見たエンジン、、、、こういうのが使い易そう。リッターツインではボア径的に低速時ノッキングが不可避だが、ミドルツインなら大丈夫。Ｖツインで650ccクラスというのが一つの理想だ。