車のエンジンのしくみ

好奇心から何が起こっているのか知りたいかもしれません。あるいは、新しい車を購入しているときに、「2.5リッターの傾斜4」、「ターボチャージャー付き」、「スタート/ストップテクノロジー」などの音が聞こえます。それはどういう意味ですか？

この記事では、エンジンの背後にある基本的な考え方について説明した後、すべての要素がどのように組み合わされているか、何がうまくいかないか、パフォーマンスを向上させる方法について詳しく説明します。

ガソリン車のエンジンの目的は、変換することであるガソリンをあなたの車を移動できるように、運動に。現在、ガソリンからモーションを作成する最も簡単な方法は、エンジン内でガソリンを燃焼させることです。したがって、自動車のエンジンは内燃機関であり、燃焼は内部で行われます。

注意すべき2つのこと：

次のセクションでは、内燃プロセスについて詳しく見ていきましょう。

コンテンツ

1. 内燃機関
2. 基本的なエンジン部品
3. エンジンの問題
4. エンジンバルブトレインおよび点火システム
5. エンジン冷却、吸気および始動システム
6. エンジンの潤滑、燃料、排気および電気システム
7. より多くのエンジンパワーを生み出す
8. エンジンの質問と回答
9. 4気筒エンジンとV6エンジンの違いは何ですか？

レシプロ内燃エンジンの背後にある原理：少量の高エネルギー密度燃料（ガソリンなど）を小さな密閉された空間に入れて点火すると、信じられないほどの量のエネルギーが膨張ガスの形で放出されます。

そのエネルギーを面白い目的に使うことができます。たとえば、このような爆発を1分間に数百回発生させるサイクルを作成でき、そのエネルギーを便利な方法で利用できる場合、あなたが持っているのは自動車のエンジンのコアです。

ガソリンエンジンを搭載したほとんどすべての車は、4ストローク燃焼サイクルを使用してガソリンを運動に変換します。4ストロークアプローチは、1867年に発明したニコラウスオットーに敬意を表して、オットーサイクルとしても知られています。4ストロークを図1に示します。彼らです：

図1

ピストンはコネクティングロッドによってクランクシャフトに接続されています。クランクシャフトが回転すると、「大砲をリセットする」効果があります。エンジンがそのサイクルを通過するときに何が起こるかを次に示します。

これで、エンジンは次のサイクルの準備ができたので、空気とガスの別のチャージを取り入れます。

エンジンでは、ピストンの線形運動がクランクシャフトによって回転運動に変換されます。とにかく車のホイールを回転（回転）させる予定なので、回転運動は素晴らしいです。

それでは、シリンダーから始めて、これを実現するために連携するすべてのパーツを見てみましょう。

エンジンのコアはシリンダーで、ピストンはシリンダー内で上下に動きます。単気筒エンジンはほとんどの芝刈り機で一般的ですが、通常、車には複数の気筒があります（4気筒、6気筒、8気筒が一般的です）。多気筒エンジンでは、左の図に示すように、シリンダーは通常、インライン、V、またはフラット（水平対向またはボクサーとも呼ばれます）の3つの方法のいずれかで配置されます。

そのため、最初に述べた直列4気筒は、4つのシリンダーが一列に配置されたエンジンです。構成が異なれば、滑らかさ、製造コスト、形状特性の点で長所と短所が異なります。これらの長所と短所により、特定の車両により適したものになります。

いくつかの主要なエンジン部品をさらに詳しく見てみましょう。

スパークプラグ

スパークプラグは、その燃焼が起こり得るので、空気/燃料混合物に点火スパークを供給する。物事が適切に機能するためには、火花がちょうどいいタイミングで発生する必要があります。

バルブ

吸気バルブと排気バルブは適切なタイミングで開き、空気と燃料を取り入れ、排気を排出します。燃焼室が密閉されるように、圧縮および燃焼中は両方のバルブが閉じていることに注意してください。

ピストン

ピストンは、シリンダー内を上下に移動する円筒形の金属片です。

ピストンリング

ピストンリングは、ピストンの外縁とシリンダーの内縁の間にスライドシールを提供します。リングには2つの目的があります。

「オイルを燃やす」と1,000マイルごとにクォートを追加しなければならないほとんどの車は、エンジンが古く、リングが物事を適切に密閉しなくなったため、それを燃やしています。多くの現代の車両は、ピストンリングにより高度な材料を使用しています。これが、エンジンが長持ちし、オイル交換の合間に長くなる可能性がある理由の1つです。

コネクティングロッド

コネクティングロッドはピストンをクランクシャフトに接続します。ピストンが動き、クランクシャフトが回転すると角度が変化するように、両端を回転させることができます。

クランクシャフト

クランクシャフトは、ジャックインザボックスのクランクと同じように、ピストンの上下運動を円運動に変えます。

サンプ

サンプはクランクシャフトを囲んでいます。オイルがいくらか含まれており、サンプ（オイルパン）の底に溜まります。

次に、エンジンで何がうまくいかないかを学びます。

ある朝外出するとエンジンは回転しますが始動しません。何が悪いのでしょうか？エンジンがどのように機能するかがわかったので、エンジンの実行を妨げる可能性のある基本的なことを理解できます。

3つの基本的なことが起こる可能性があります：悪い燃料混合、圧縮の欠如または火花の欠如。それを超えて、何千ものマイナーなことが問題を引き起こす可能性がありますが、これらは「ビッグスリー」です。これまで説明してきた単純なエンジンに基づいて、これらの問題がエンジンにどのように影響するかについて簡単に説明します。

悪い燃料混合はいくつかの方法で発生する可能性があります。

圧縮の欠如：空気と燃料のチャージを適切に圧縮できない場合、燃焼プロセスは期待どおりに機能しません。圧縮不足は、次の理由で発生する可能性があります。

シリンダーの最も一般的な「穴」は、シリンダーの上部（バルブとスパークプラグを保持し、シリンダーヘッドとも呼ばれます）がシリンダー自体に接続する場所で発生します。一般的に、シリンダーとシリンダーヘッドは、良好なシールを確保するために、それらの間に押し込まれた薄いガスケットと一緒にボルトで固定されます。ガスケットが破損すると、シリンダーとシリンダーヘッドの間に小さな穴ができ、これらの穴が漏れの原因になります。

スパークの欠如：スパークは、いくつかの理由で存在しないか弱い可能性があります。

他の多くのことがうまくいかない可能性があります。例えば：

適切に動作しているエンジンでは、これらすべての要素が正常に機能しています。エンジンを動かすのに完璧は必要ありませんが、物事が完璧ではないときに気付くでしょう。

ご覧のとおり、エンジンには、燃料を運動に変換する仕事をするのに役立つ多くのシステムがあります。次のいくつかのセクションでは、エンジンで使用されるさまざまなサブシステムについて説明します。

ほとんどのエンジンサブシステムは、さまざまなテクノロジーを使用して実装でき、より優れたテクノロジーによってエンジンのパフォーマンスを向上させることができます。バルブトレインから始めて、最新のエンジンで使用されているさまざまなサブシステムをすべて見てみましょう。

バルブトレインは、バルブと、バルブを開閉するメカニズムで構成されています。開閉システムはカムシャフトと呼ばれます。図5に示すように、カムシャフトにはバルブを上下に動かすローブがあります。

最近のほとんどのエンジンには、いわゆるオーバーヘッドカムがあります。これは、図5に示すように、カムシャフトがバルブの上に配置されていることを意味します。シャフトのカムは、直接または非常に短いリンケージを介してバルブをアクティブにします。古いエンジンは、クランクシャフト近くのサンプにあるカムシャフトを使用していました。

タイミングベルト又はタイミングチェーンは、弁はピストンと同期しているようにカムシャフトのクランクシャフトを連結します。カムシャフトは、クランクシャフトの半分の速度で回転するように調整されています。多くの高性能エンジンは、シリンダーごとに4つのバルブ（吸気用に2つ、排気用に2つ）を備えており、この配置では、シリンダーのバンクごとに2つのカムシャフトが必要です。

点火装置（図6）は、高電圧電荷を生成し介して点火プラグに送信する点火ワイヤ。料金は最初にディストリビューターに流れます。ディストリビューターは、ほとんどの車のボンネットの下で簡単に見つけることができます。ディストリビューターには、中央に1本のワイヤーがあり、そこから4本、6本、または8本のワイヤー（シリンダーの数に応じて）が出ています。これらの点火ワイヤーは、各スパークプラグに電荷を送ります。エンジンは、一度に1つのシリンダーだけがディストリビューターから火花を受け取るようにタイミングが調整されています。このアプローチは、最大の滑らかさを提供します。

次のセクションでは、車のエンジンがどのように始動し、冷却され、空気を循環させるかを見ていきます。

ほとんどの車の冷却システムは、ラジエーターとウォーターポンプで構成されています。水はシリンダーの周りの通路を通って循環し、次にラジエーターを通って移動して冷却します。いくつかの車（​​特に1999年以前のフォルクスワーゲンビートル）、およびほとんどのオートバイと芝刈り機では、代わりにエンジンが空冷されています（空冷エンジンは、各シリンダーの外側を飾るフィンによってわかります。熱を放散します。）。空冷はエンジンを軽くしますが熱くし、一般的にエンジンの寿命と全体的な性能を低下させます。

これで、エンジンを冷却する方法と理由がわかりました。しかし、なぜ空気循環がそれほど重要なのですか？ほとんどの車は通常吸引されます。つまり、空気はエアフィルターを通って直接シリンダーに流れ込みます。高性能で最新の低燃費エンジンは、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーのいずれかです。つまり、エンジンに流入する空気は最初に加圧され（各シリンダーにより多くの空気/燃料混合物を押し込むことができるように）、パフォーマンスが向上します。加圧量をブーストと呼びます。ターボチャージャは、入ってくる空気流に圧縮タービンを回転するように、排気管に取り付けられた小型のタービンを使用します。コンプレッサーを回転させるために、スーパーチャージャーがエンジンに直接取り付けられています。

ターボチャージャーは高温の排気を再利用してタービンを回転させ、空気を圧縮するため、小型エンジンからの出力が増加します。したがって、燃料をすすりながら4気筒を使用すると、6気筒エンジンが出力できると予想される馬力を確認できると同時に、燃費が10〜30％向上します。

エンジンのパフォーマンスを向上させることは素晴らしいことですが、キーを回してエンジンを始動すると、正確にはどうなりますか？起動システムは、電気スタータモータとから成るスタータソレノイド。イグニッションキーを回すと、スターターモーターがエンジンを数回転させ、燃焼プロセスを開始できるようにします。コールドエンジンを回転させるには強力なモーターが必要です。スターターモーターは克服する必要があります：

非常に多くのエネルギーが必要であり、車は12ボルトの電気システムを使用しているため、数百アンペアの電気がスターターモーターに流れ込む必要があります。スターターソレノイドは本質的に、それだけの電流を処理できる大きな電子スイッチです。イグニッションキーを回すと、ソレノイドが作動してモーターに電力を供給します。

次に、何が入ってくるか（石油と燃料）と何が出てくるか（排気と排出）を維持するエンジンサブシステムを見ていきます。

日常の車のメンテナンスに関しては、おそらく最初の懸念は車内のガスの量です。あなたが入れたガスはどのようにシリンダーに動力を供給しますか？エンジンの燃料システムは、ガスタンクからガスを送り出し、それを空気と混合して、適切な空気/燃料混合物がシリンダーに流入できるようにします。燃料は、ポート燃料噴射と直接燃料噴射の2つの一般的な方法で最新の車両に供給されます。

内燃料噴射エンジン、燃料の適切な量は、いずれかの右吸気弁（ポート燃料噴射）上記直接シリンダ（直接燃料噴射）に各気筒に個別に噴射されます。古い車両はキャブレターで覆われ、空気がエンジンに流入するときにガスと空気がキャブレターによって混合されていました。

石油も重要な役割を果たします。潤滑システムは、それが簡単に移動できるように、エンジン内のすべての可動部が油を得ることを確認します。オイルが必要な2つの主要部品は、ピストン（シリンダー内で簡単にスライドできるようにするため）と、クランクシャフトやカムシャフトなどを自由に回転させるベアリングです。ほとんどの車では、オイルはオイルポンプによってオイルパンから吸い出され、オイルフィルターを通過してグリットが除去された後、高圧下でベアリングとシリンダー壁に噴出されます。その後、オイルはサンプに滴り落ち、そこで再び集められ、サイクルが繰り返されます。

今、あなたはあなたが置くことを原料の一部について知ることで、あなたの車、それから出てくるものの一部での外観をしましょう。排気システムは、排気管と含むマフラー。マフラーがないと、テールパイプから何千もの小さな爆発の音が聞こえます。マフラーは音を減衰させます。

現代の自動車の排出ガス制御システムは、触媒コンバーター、センサーとアクチュエーターのコレクション、およびすべてを監視および調整するコンピューターで構成されています。たとえば、触媒コンバーターは、触媒と酸素を使用して、排気ガス中の未使用の燃料やその他の特定の化学物質を燃焼させます。排気流の酸素センサーは、触媒が機能するのに十分な酸素があることを確認し、必要に応じて調整します。

ガス以外に、あなたの車に動力を与えるものは何ですか？電気システムは、バッテリーとオルタネーターで構成されています。オルタネーターはベルトでエンジンに接続され、バッテリーを再充電するために電気を生成します。バッテリーは、電気（イグニッションシステム、ラジオ、ヘッドライト、必要とする車の中ですべてのものが利用できる12ボルト電源になりワイパー、パワーウィンドウや座席、コンピューター車両の配線を介してなど、）。

メインエンジンサブシステムについてすべて理解したところで、エンジンパフォーマンスを向上させる方法を見てみましょう。

このすべての情報を使用すると、エンジンのパフォーマンスを向上させるためのさまざまな方法がたくさんあることがわかります。自動車メーカーは、エンジンをより強力にしたり、燃料効率を高めたりするために、次のすべての変数を常に使用しています。

排気量の増加：排気量が多いほど、エンジンが1回転するたびにより多くのガスを燃焼できるため、出力が大きくなります。シリンダーを大きくするか、シリンダーを追加することで、変位を増やすことができます。12気筒が実用的な限界のようです。

圧縮率を上げる：圧縮率を高くすると、ある程度まで、より多くの電力が生成されます。ただし、混合気を圧縮すればするほど、（スパークプラグが点火する前に）自然に炎に爆発する可能性が高くなります。高オクタン価ガソリンは、この種の早期燃焼を防ぎます。そのため、高性能車は一般に高オクタン価ガソリンを必要とします。エンジンはより高い出力を得るために、より高い圧縮比を使用しています。

各シリンダーにさらに詰め込む：特定のサイズのシリンダーにより多くの空気（したがって燃料）を詰め込むことができれば、シリンダーからより多くの電力を得ることができます（シリンダーのサイズを大きくするのと同じ方法で）。燃焼に必要な燃料を増やす。ターボチャージャーとスーパーチャージャーは、入ってくる空気を加圧して、より多くの空気をシリンダーに効果的に詰め込みます。

入ってくる空気を冷やす：圧縮空気はその温度を上げます。ただし、空気が高温になるほど、燃焼時に膨張する空気が少なくなるため、シリンダー内の空気をできるだけ低温にする必要があります。したがって、多くのターボチャージャー付きおよびスーパーチャージャー付きの車にはインタークーラーがあります。インタークーラーは、圧縮空気がシリンダーに入る前に冷却するために通過する特別なラジエーターです。

空気をより簡単に取り入れましょう。吸気行程でピストンが下がると、空気抵抗によってエンジンから動力が奪われる可能性があります。各シリンダーに2つの吸気バルブを配置することにより、空気抵抗を劇的に減らすことができます。いくつかの新しい車はまた、そこでの空気抵抗を排除するために磨かれたインテークマニホールドを使用しています。より大きなエアフィルターはまた、空気の流れを改善することができます。

排気をより簡単に排出させる：空気抵抗によって排気がシリンダーから排出されにくくなると、エンジンの出力が失われます。各シリンダーに2つ目の排気バルブを追加することで、空気抵抗を減らすことができます。吸気バルブが2つ、排気バルブが2つある車は、シリンダーごとに4つのバルブがあり、パフォーマンスが向上します。車の広告を聞いたとき、車には4つのシリンダーと16のバルブがあると言われますが、広告が言っているのは、エンジンにはシリンダーごとに4つのバルブがあるということです。

エキゾーストパイプが小さすぎたり、マフラーの空気抵抗が大きい場合、背圧が発生する可能性があり、同じ効果があります。高性能エキゾーストシステムは、ヘッダー、ビッグテールパイプ、フリーフローマフラーを使用して、エキゾーストシステムの背圧を排除します。車に「デュアルエキゾースト」があると聞いたときの目標は、エキゾーストパイプを1本ではなく2本にすることでエキゾーストの流れを改善することです。

すべてを軽くする：軽量の部品は、エンジンのパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。ピストンが方向を変えるたびに、ピストンはエネルギーを消費して、ある方向への移動を停止し、別の方向への移動を開始します。ピストンが軽いほど、必要なエネルギーは少なくなります。これにより、燃費とパフォーマンスが向上します。

燃料を噴射する：燃料噴射により、各シリンダーへの燃料を非常に正確に計量できます。これにより、パフォーマンスと燃費が向上します。

次のセクションでは、読者から寄せられたエンジン関連の一般的な質問に答えます。

読者からのエンジン関連の質問とその回答のセットは次のとおりです。

エンジンに含まれるシリンダーの数は、エンジンの全体的なパフォーマンスにおける重要な要素です。各シリンダーには、その内部をポンピングするピストンが含まれており、それらのピストンはクランクシャフトに接続して回転します。ポンピングするピストンが多いほど、特定の瞬間に発生する燃焼イベントが多くなります。つまり、より多くの電力をより短い時間で生成できるということです。

4気筒エンジンは通常、「ストレート」または「インライン」構成で提供されますが、6気筒エンジンは通常、よりコンパクトな「V」字型で構成されるため、V6エンジンと呼ばれます。V6エンジンは、パワフルで静かなため、アメリカの自動車メーカーに選ばれたエンジンでしたが、ターボチャージャー技術により、4気筒エンジンはよりパワフルでバイヤーにとって魅力的なものになりました。

歴史的に、アメリカの自動車消費者は、彼らが遅く、弱く、不均衡で、加速が不足していると信じて、4気筒エンジンに鼻を向けました。しかし、1980年代から90年代にかけて、ホンダやトヨタなどの日本の自動車メーカーが高効率の4気筒エンジンを自動車に搭載し始めたとき、アメリカ人はコンパクトエンジンに新たな評価を見出しました。トヨタカムリなどの日本のモデルは、同等のアメリカのモデルをすぐにアウトセルし始めました

最新の4気筒エンジンは、フォードのEcoBoostエンジンなどの軽量素材とターボチャージャー技術を使用して、より効率的な4気筒エンジンからV-6のパフォーマンスを引き出しています。マツダがSKYACTIV設計で使用しているような高度な空気力学と技術により、これらの小型ターボチャージャー付きエンジンへのストレスが軽減され、効率とパフォーマンスがさらに向上します。

V6の将来については、近年、4気筒エンジンとV6エンジンの格差が大幅に縮小しています。しかし、V-6エンジンは、パフォーマンスカーだけでなく、まだその用途があります。トレーラーを牽引したり荷物を運搬したりするために使用されるトラックは、それらの仕事を成し遂げるためにV-6の力を必要とします。そのような場合の電力は、効率よりも重要です。

初版：2000年4月5日

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