最近の投稿

5月, 2016

排気専用バルブから外に押し出す!4ストロークエンジン

犬09エンジンには、レシプロエンジンとロータリーエンジンの2種類の構造があり、レシプロエンジンには2ストロークエンジンと4ストロークエンジンの2種類があります。
ロータリーエンジンは、ローターハウジングの中でおむすびの様なロータリーが回転しながら、吸気、圧縮、燃焼、排気の1サイクル4行程をロータリー1回転で完了するエンジンです。ローターハウジングとローターが作り出す3箇所の空間で同時に異なる3行程が行われるのも特徴です。
2ストロークエンジンは、シリンダー内のピストンが下死点より上死点まで上昇する間に吸気行程と圧縮行程を行い、上死点から下死点に下降する間に燃焼行程と排気行程を完了するシステムであり、ピストン1往復でクランクシャフト1回転させるエンジンです。
4ストロークエンジンは、ポート噴射エンジンと直噴エンジンとでは若干の機構に差がありますが、一般的にシリンダー上部に吸気弁と排気弁、スパークプラグが装着されています。4ストロークエンジンは、上死点より下降する際に吸気弁や燃料噴射装置より燃料と空気をシリンダー内に吸い込み、下死点より上昇する際に混合気を圧縮し、スパークプラグにより燃焼しピストンが下降します。再び、ピストンが上がる事で排気が排気弁から放出され、有害物質除去機能や消音機能を有するマフラーから排出されます。

混合気をスパークプラグで点火!4ストロークエンジン

犬10

自動車の内燃機関(エンジン)に広く用いられているのは4ストロークエンジンと呼ばれるタイプのものです。これはクランクシャフトが2回転するあいだに、吸入、圧縮、膨張、排気の4つのストロークを行うエンジンです。

吸入プロセスでは、エンジン内にあるピストンの移動により、シリンダ内部の圧力が下がります。その状態で外部とつながっている吸入口が開き、燃料と空気の混合気がシリンダ内部に入り込みます。

圧縮プロセスでは、吸入口が閉じて密閉空間になり、ピストンの移動に伴い混合気が急激に圧縮されます。

そして膨張プロセスで、圧縮させた混合気が爆発することにより回転エネルギーを得ます。爆発にはスパークラグの発する火花を利用します。スパークラグはエンジン稼働中は常に火花を出しています。なお、火花発生のために必要な電圧はイグニッションコイルと呼ばれる部分から供給され、その電圧は10000~30000ボルトに至ります。放電のタイミングがずれるとエンジンの効率が低下しかねないため、スパークラグの調整はエンジンにとって非常に重要な要素になります。

最後の排気プロセスでは、排気口が開き、燃焼後のガス(排気ガス)が外部に排出されます。そして再び吸入プロセスが始まり、これを繰り返すことにより推進エネルギーを取り出し続けます。

混合気を圧縮する4ストロークエンジン

犬08エンジンは空気と燃料の混合気を燃焼室へ取り込んで爆発させ、その力によって回転しています。こうしたエンジンのうち、1つの爆発が起きて燃焼ガスが排出されるまでに、エンジン内部でピストンが2回上昇し、2回下降しているタイプのものを4ストロークエンジン、または4ストローク機関と呼びます。4回のピストンの動きにはそれぞれ重要な働きがあり、吸入(吸気)行程、圧縮行程、燃焼(爆発)行程、排気(排出)行程に分けられます。まず最初の吸入行程で最上部にあったピストンが下降し、ガソリンエンジンの場合はガソリンと空気が混ざった混合気が、ディーゼルエンジンの場合は空気のみが燃焼室に取り込まれます。次の圧縮行程でピストンが上昇し、混合気もしくは空気が圧縮されます。続いて燃焼行程に移り、ガソリンエンジンの場合は点火プラグによる点火によって、ディーゼルエンジンの場合は圧縮により高温になった空気に燃料が噴射されることによって爆発が起こり、ピストンが最下部まで下降します。最後に爆発の慣性によりピストンが上がり、燃焼後に残ったガスを外に排気します。これが排気行程です。4ストロークエンジンの場合、この4つの行程を繰り返すことでエンジンが回転して自動車を動かしています。

エンジン内部のシリンダーへ燃料と空気を取り込む仕組み

犬074ストロークエンジンは、エンジン内部のシリンダーで燃料と空気が混ざった混合気に点火し、爆発させることで回転させています。燃料を増やせば爆発が大きくなって回転数は上昇しますし、吸入する空気が増えた場合も爆発しやすくなるため回転数は上昇します。こうした取り込む燃料と空気の量は、アクセルをどれくらい踏み込むかによって変化します。アクセルにはどれくらい踏み込んでいるかを判断するセンサーがついており、このセンサーが検知した値がコンピューターに信号として送られ、燃料増量信号とスロットルバルブ開信号が同時に出されます。スロットルバルブとは、エンジン内部への空気の吸入量を調整する弁のことで、普段はマンホールの蓋のように空気の通り道を塞いでおり、送られてきた信号に応じて蓋を起こして空気の吸入量を増加させます。燃料増量信号はエンジン内部へ燃料を送り込む燃料噴射装置に送られ、燃料の噴射量を強制的に増やします。これによって爆発力が高まってエンジンの回転数が増加し、それに伴ってタイヤの回転数が増加することで車が加速するのです。エンジンの回転数には限度があるため、どれだけ燃料や空気が取り込まれても一定以上の回転数にならないように制御されています。

4ストロークエンジンの仕組みと流れについて

犬06予混合燃焼機関である車のエンジンは、ガソリンと空気を混合して爆発させることによって動力を得ています。動力を1回発生させるのに4つの行程でひとつのサイクルを構成するエンジンを4ストロークエンジン、もしくは4サイクルエンジンと言います。4つの行程とはガスの吸入、ガスの圧縮、ガスの爆発膨張、ガスの排気です。4ストロークエンジンの特徴は2ストロークエンジンの特徴と対比させるとより明確になります。4ストロークエンジンではクランクシャフトが2回転してひとつの仕事をしますが、2ストロークエンジンではクランクシャフトが1回転してひとつの仕事を行います。両者は行程や特徴が違うだけでなくエンジンの構造や仕組みも違います。4ストロークエンジンでは、吸気・排気に伴う入口・出口の役目をするバルブが備わっていますが、2ストロークエンジンではバルブはなく、ピストンが吸気・掃気・排気のバルブの役目をします。パワーに言及するならば、エンジン回転数が同じ場合2ストロークは4ストロークの2倍の回数燃焼しているわけですから、単純計算で2倍のパワーとなり、同じ排気量ならば2ストロークエンジンの方が有利です。しかしながら2ストロークスエンジンは、行程が少ない分、燃費が悪く、排気行程では吸気口も同時に開いているため未燃焼の燃料がそのまま排気されるだけでなく、オイルもガソリンとともに燃焼されるため排気ガスが汚く環境に悪いというデメリットがあります。またオイルはガソリンとともに燃焼されるためまめなオイルの補充が必要です。その点、4ストロークエンジンはオイルは潤滑としての役目だけであり減らないため、定期的なオイル交換で済みます。

上下運動を回転運動に変えるクランクシャフトについて

犬03

クランクシャフトは、エンジンから生み出される原動力をタイヤの回転力に繋げるために必要となるカー部品の一つです。具体的には、エンジンはシリンダー内でガソリンが爆発してピストンを往復するエネルギーが上下運動により発生するので、それをホイールの回転を生み出す回転運動に変換させる仕組みになっています。

クランクシャフトの構成は、軸であるクランク・ジャーナル、上下運動を伝えるクランク・ピン、ジャーナルとピンを繋げているクランク・アームで構成されています。また高速に上下運動を行い、それを回転運動に結び付けているので、少しの重量の狂いが振動によって発生することもあるため、カウンターウエイトを取り付けることで回転バランスを保っています。

実際にクランクシャフトは往復エネルギーを受けて、高速に上下運動を展開するため、1秒間に何千回転以上の高速回転を行なうこととなります。そういった運動が摩擦熱が発生したりして金属疲労などを引き起こすため、強度、剛性、耐摩耗性などの素材の強度を必要とするケースも多いです。

その素材の材質には特殊鋼、炭素鋼、特殊鋳鉄といった鋼材が主に用いられて、軸部には高周波焼入れを施したり、タフトライドの窒化を施す工夫により、疲労強度を上げる加工を施しています。

爆発の力を受け止め上下するピストンについて

犬02車のエンジンは、シリンダーの中でピストンが上下動しガスの吸入、圧縮、爆発膨張、排気の行程を行い運転しています。ピストンは、シリンダー内を往復する円筒形のもので、上面は燃焼室に直面し、高温・高圧を受け、側面はシリンダーの内面に接触しながら高速で往復摺動するため、軽くて強く、熱や磨耗に耐えられる素材(アルミニウム合金など、アルミダイキャストかアルミ鍛造)で作られています。ピストンの直径は、シリンダーの内径より小さく、ピストンの素材であるアルミニウム合金の熱膨張率がシリンダーの素材である鋳鉄の約2倍であることを計算した上で決められています。ピストンとシリンダーの間にはスムーズな摺動を得るため幾分かの隙間がありますが、そのままだとガスが隙間から漏れてしまいます。そのため、この隙間を塞いで気密にするためのリングが外周にはめられています。このリングのうち、上の溝にはめられるものを圧縮リング、下の溝にはめられるものを油リングと言います。油リングは、シリンダー内面に付いた油をかき落とす働きをします。クランクシャフトと連接する棒はコンロッドと呼ばれます。コンロッドには強い力が作用しますので鋼で鍛造されたものが多いです。

着火するためのスパークプラグについて

犬05一般的に広く使われているガソリンエンジンは、空気と霧状に噴射されたガソリンが混ざった混合気というものを燃焼させて、動力を発生させています。しかし、燃料として使われているガソリンは軽油などに比べて温度を高くしても着火しにくいため、燃焼させるために火をつける必要があります。そこで使われるのがスパークプラグと呼ばれる点火装置です。スパークラグの電極に高電圧を加えることで放電現象を引き起こし、それによって発生した電気火花によって混合気に火をつけます。スパークプラグは主に金属とアルミナ磁器でできていますが、瞬間温度が2000℃にも達する混合気の燃焼を直接受ける部品であるため、温度を下げなければ溶けてしまいます。この温度を下げる度合いを「熱価(ねっか)」と言い、熱価の値によって何種類ものプラグが用意されていて、値が大きく温度がすぐに下るものを高熱価、反対に値が小さく温度が下がりにくいものを低熱価と言います。高熱価のほうが性能が良いように思えますが、電気火花を発生させるためにはプラグが乾燥している必要があるため、ガソリンが付着しても瞬時に蒸発してしまう程度には温度を保っておかなくてはなりません。そのため、それぞれの車にはメーカーが推奨する熱価があります。

レシプロエンジンの特徴とは

犬04乗り物の動力源となるエンジンには様々な種類がありますが、その中でも最も多く利用されているのがレシプロエンジンです。シリンダーと呼ばれる金属製の円筒の中で燃料が爆発することでピストンが往復運動し、それをランクシャフトなどの機械部品によって回転運動に変換しています。ピストンの上下運動によって動力を得るため、ピストンエンジンやピストン機関とも呼ばれます。内部の構造や燃料が爆発する仕組みに違いはありますが、一般的に使われているガソリンエンジンやディーゼルエンジンも大きく分ければレシプロエンジンの仲間に入ります。ロータリーエンジンに比べて燃焼室の面積が小さく、燃焼室も移動しないため、爆発によって発生した熱エネルギーの損失が少なくてすみ、燃費が良いという特徴があります。吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程の4つの行程を1つのサイクルとしており、ピストンの運動が上昇、下降の計2回で1つのサイクルが完結するエンジンを2ストロークエンジン、下降、上昇、下降、上昇の計4回で1つのサイクルが完結するエンジンを4ストロークエンジンと言います。一般的ではありませんが、1リットルのガソリンでどこまで走れるかを競う燃費競技の一部車輌において、6ストロークエンジンが使われています。

乗用車では最も多く採用されているレシプロエンジンとは

犬01レシプロエンジンは自動車などに用いられるエンジンでは最もポピュラーなものです。ピストンの往復運動の力を回転運動に変換する仕組みでピストンエンジン・ピストン機関とも呼ばれ、昔の蒸気機関などもこれにあたります。
レシプロエンジンには大きく分けて外燃機関と内燃機関とがありましたが現在では内燃機関のみとなっています。最も多い4ストロークエンジンは1吸気・2圧縮・3燃焼・4排気の動作を繰り返すことでピストンが往復運動し、連続的に回転動力を出力します。この4ストロークエンジンだけでは無く、旧型のバイクなどに多く見られる2ストロークエンジンもレシプロエンジンで、その他にも燃費競技に使われている6ストロークエンジンもこれにあたり、ストロークの違いだけでは無くDOHCやOHV、リードバルブやロータリーバルブのようなバルブやカムの配置や種類の違い、直列やV型~気筒のように気筒数や気筒配置が違ってもレシプロエンジンである事は同じです。
こうした分類で見てみれば世の中のエンジンのほぼ全てのエンジンはレシプロエンジンという事になりますが、そうでは無いエンジンとしてはロータリーエンジンやタービンエンジンなどがあります。