エンジンのしくみ

01

押す力を回転に変える

ここに見えているのは、自動車エンジンの1気筒を切り開いたものです。筒の中をピストンが上下に動きます。その上には2つのバルブがあり、燃料の種類によってスパークプラグかインジェクターが付いています。下ではコンロッドがピストンとクランクシャフトをつないでいます。クランクシャフトは、最終的に車輪を回す軸です。

考え方は一文で言えます。密閉した空間で燃料を燃やし、熱いガスでピストンを押し下げ、その力を回転に変える。エンジンのほかの部分はすべて、これをきれいに何度もくり返すためにあります。

このくり返しは、行程と呼ばれる4つのステップからなるサイクルです。隅のダイヤルは、エンジンがいまサイクルのどこにいるかを示します。モデルはスローモーションで動いています。実際の自動車エンジンは、アイドリングで1分間に約800回転し、その8倍の速さまで回ることもあります。

モデルをドラッグすると視点を回せます。モデルの上でスクロールすると拡大・縮小できます。読み進めるにつれて、表示も本文に合わせて変わります。

02

4つの行程

行程とは、ピストンがシリンダーの一番上から一番下まで、またはその逆に1回移動することです。一番上を上死点（TDC）、一番下を下死点（BDC）と呼びます。「死点」というのは、ピストンが向きを変える前に、そこで一瞬止まるからです。

1. 吸気

   吸気バルブが開いた状態でピストンが下がり、広がった空間に新しいガス（新気）が吸い込まれます。ガソリンエンジンは、燃料があらかじめ混ざった空気（混合気）を吸い込みます。ディーゼルエンジンが吸い込むのは空気だけです。

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2. 圧縮

   両方のバルブが閉じ、ピストンが上がって、中のガスを10分の1以下の体積まで押し縮めます。気体は圧縮すると熱くなるので、まだ何も燃えていないうちに、ガスは数百度にもなります。

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3. 膨張

   上死点の近くで、ガスに火がつきます。ガソリンエンジンは火花を飛ばします。ディーゼルエンジンは、燃料に火がつくほど熱くなった空気へ燃料を噴き込みます。燃えたガスが膨張し、ピストンを力強く押し下げます。力を生み出すのは、この膨張（燃焼）行程だけです。

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4. 排気

   排気バルブが開き、上がってくるピストンが燃えたあとのガスを押し出します。これでシリンダーは、次のサイクルを始める準備が整います。

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ガスの色に注目してください。新気は冷たいまま入ってきて、圧縮されるにつれて熱くなり、燃えるとオレンジ色に光り、灰色になって出ていきます。

03

ひと押しごとに2回転

1つの行程でクランクシャフトは半回転します。つまり4つの行程で2回転、720度です。ダイヤルが360ではなく720まで数えるのは、このためです。

ピストンは1サイクルに2回、一番上に達します。1回目は排気と吸気の間の0°、2回目はガスに点火する360°です。ピストン自身には、この2つの区別がつきません。どちらがどちらかを知っているのは、バルブと点火だけです。

ピストンを押すのは、4つの行程のうち1つだけです。空気を吸い込む、圧縮する、排気を押し出す。どれもエネルギーを使うので、この3つの行程の間は、何かがエンジンを回し続けなければなりません。その一部は動く部品の勢いがまかない、残りはフライホイールが担います。フライホイールはクランクシャフトの端に付いた重い円盤で、膨張行程でエネルギーをため込み、ほかの3つの行程でそれを返します。

単気筒エンジンの回り方がぎくしゃくするのは、このためです。2回転に1回だけ強く押され、その間は何もありません。芝刈り機は重いフライホイールでこれをならしています。自動車は気筒の数を増やします。これについては後で見ていきます。

04

バルブとカム

バルブは、きのこのような形をした栓です。バルブスプリングがバルブをバルブシートに押しつけて閉じ、カムがそれを押し開けます。カムは、回転する軸に付いた卵形の出っ張りです。出っ張りが回ってくると、バルブをシリンダーの中へ押し下げます。出っ張りが通り過ぎると、スプリングがバルブを引き戻して閉じます。

各バルブは1サイクルに1回開き、1サイクルはクランク2回転です。そのためカムシャフトはクランクの半分の速さで回ります。駆動するのはベルトかチェーンです。カムを見てください。クランクが2回転する間に1回転しています。

バルブがちょうど死点で開閉すると、エンジンはうまく呼吸できません。ガスには重さがあり、動き出すまでに時間がかかるので、開閉のタイミングを前後に広げています。排気バルブは下死点よりかなり早く開き、まだ圧力の残るガスが自分の勢いで吹き出せるようにします。吸気バルブは下死点よりかなり遅く閉じます。ピストンが上がり始めても、空気はまだ勢いよく流れ込んでいるからです。

上死点付近、排気から吸気に移るところでは、一瞬だけ両方のバルブが同時に開きます。このバルブオーバーラップによって、出ていく排気ガスが、後ろから新気を引き込む手助けをします。

05

火をつけるタイミング

燃焼は一瞬では終わりません。ガソリンエンジンでは、炎はスパークプラグから始まり、1000分の数秒かけて燃焼室に広がります。これはクランク1回転の中で、無視できない角度にあたります。押す力がいちばん役に立つのは上死点の直後なので、火花は早めに飛ばす必要があります。その時期は上死点前およそ10〜40度です。

どれだけ早めるかは、回転数によって変わります。炎が広がるのに必要な時間はほぼ一定ですが、回転が速いほど、その間にクランクが回る角度は大きくなります。そのため、回転が上がるにつれて点火時期を早めます。これを点火進角といいます。早すぎると、圧力が上がってくるピストンを押し返してしまいます。遅すぎると、すでに下がり始めたピストンを追いかけることになります。

ディーゼルエンジンにはスパークプラグがありません。圧縮によって空気は約700°Cを超えるまで熱せられ、上死点の少し前にインジェクターがそこへ燃料を噴射します。燃料が気化して火がつくまでには、少し時間がかかります。これが短い着火遅れです。その後、燃料は噴射されるのとほぼ同じ速さで燃えていきます。1つの炎が燃焼室を一気に駆け抜けるのではなく、噴射している間ずっと燃え続けるのです。

グラフはその結果です。ガソリンエンジンの圧力は、上死点の直後に鋭いピークまで上がります。ディーゼルエンジンはずっと強い圧縮から始まり、ピストンが下がり始めても、燃焼が圧力を高く保ちます。

06

直線の動きを回転に

コンロッドは、ピストンと、クランクシャフトの中心からずれた位置にあるピン、クランクピンをつないでいます。ピンが円を描いて回ると、コンロッドはピストンのまっすぐな押す力を回転に変えます。脚で自転車のペダルを回すのと同じしくみです。

ピストンの動きは、なめらかな正弦波にはなりません。ピンが横に振れるとコンロッドが傾き、ピストンはピンが下がった分よりもさらに下へ引かれます。クランク角90度で、ピストンはすでに半分を過ぎ、86mmのうち約50mmまで下がっています。そのためピストンは下死点付近より上死点付近のほうが速く動き、クランクが90度回る前に最高速度に達します。

3,000rpmでは、この最高速度は約14m/sになります。しかもピストンは、1回転ごとに2回、ぴたりと止まって向きを変えます。クランクピンの反対側にある重いカウンターウェイトが、回転するピンとコンロッドの重さと釣り合いをとり、エンジンが自分の振動でばらばらにならないようにしています。

07

どこまで圧縮するか

圧縮比は、ピストンが下死点にあるときの上側の空間と、上死点で残る空間を比べたものです。10:1なら、ガスは元の10分の1の空間に押し込まれます。

圧縮比が高いほど燃えたガスは大きく膨張でき、熱のより多くが押す力に変わります。同じ燃料から、より多くの仕事を取り出せるのです。では、なぜもっと圧縮しないのでしょうか。ガソリンエンジンは燃料と空気を一緒に圧縮し、圧縮すれば温度が上がります。圧縮しすぎると、炎が届く前に混合気のあちこちが勝手に燃え出します。これが鋭いノッキングで、ピストンが割れることもあります。そのためガソリンエンジンの圧縮比はおよそ9〜13:1に抑えられています。

ディーゼルエンジンが圧縮するのは空気だけなので、早く燃え出すものがありません。むしろ熱が必要です。燃料に火がつくほど、空気を熱くしなければならないからです。ディーゼルエンジンの圧縮比は約14〜22:1です。

ここではモデルが上死点で止まります。圧縮比を上げると、ピストン上のすき間が狭くなる様子を見られます。

08

ガソリンかディーゼルか

どちらのエンジンも、同じ4つの行程で動きます。違うのは、燃料の入れ方と、何で火をつけるかです。

ディーゼルエンジンがより効率的なのには、3つの理由があります。1つ目は、より強く圧縮するので、燃料1滴あたりの仕事が多いこと。2つ目は、燃料に必要な量よりはるかに多い空気で、薄く燃やすこと。3つ目は、スロットルがないので、半分閉じた弁ごしに空気を吸い込むために力をむだにしないことです。

ガソリンエンジンは高回転まで回り、なめらかに動きます。混合気は火花が飛んだ瞬間に燃える準備ができていて、炎の広がりも速いからです。圧力が低いぶん部品を軽くでき、高速で回るのも得意です。ディーゼルエンジンは燃料が混ざって火がつくのを待ち、火がついた瞬間に圧力が跳ね上がります。これが、おなじみのガラガラという音のもとです。

ガソリンを見る ディーゼルを見る

ハイブリッド車は、このようなエンジンに電気モーターを組み合わせたものです。モーターはエンジンを助け、必要ないときにはエンジンを止められるようにし、ブレーキをかけるときにはエネルギーを回収します。その話は、この解説ではまだ扱っていません。

09

4つの気筒

1気筒では、2回転に1回しか押されません。1本のクランクシャフトを4つの気筒で共有し、それぞれをサイクルの別の位置に置けば、半回転ごとに押されます。720度ごとではなく、180度ごとに膨張行程が来るのです。クランクを押す力がずっと安定するので、フライホイールもかなり軽くできます。

クランクピンは、1番と4番のピストンが一緒に動き、2番と3番がその逆向きに一緒に動くように配置されています。外側の2つが上がると内側の2つが下がるので、上下方向の主な力が打ち消し合います。

Pistons that move together are never on the same stroke. When piston 1 fires, piston 4 is at the top too, finishing its exhaust. The cylinders fire in the order 1-3-4-2, which alternates between the ends of the crankshaft and spreads the pulses evenly along it.

単気筒 直列4気筒