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エンジン(基礎編)

エンジンって何?

---内燃機関---
シリンダーなどの内部で燃料を燃焼させ、その燃焼ガスや空気の熱膨張によって生じる力を動力として取り出す機関。
レシプロエンジン、ジェットエンジンやロケットエンジンなど、通常私達が目にするエンジンはほとんどがこれです。

---外燃機関---
機械外部で燃料を燃焼させて動力を取り出す機関。
そのほとんどは、蒸気機関や蒸気タービンなど、ボイラーで水蒸気を作ってそれを動力とする機関である。
艦船のエンジンや発電所等で使われている。

 

火力発電所のしくみ

ジェットエンジンのしくみ

自動車用エンジンの種類

---2サイクルガソリンエンジン---
2ストローク・1サイクル・エンジンの場合にはピストン1往復で、吸入、圧縮、燃焼、排気を行います。
つまり、ピストン1往復で4つの作動を行うので、2ストローク・1サイクル・エンジンと言われます。
エンジンの構造が簡単でコンパクトになる半面、未燃焼ガスが多く、
オイルも燃やしているので排気ガス中の有害物質が多いため、現在はほとんど使用されません


【出典】http://furattoblog.blog14.fc2.com/blog-category-6.html



---4サイクルガソリンエンジン---
4サイクルエンジンの特徴は、エンジンが作動するための必須行程である
「吸気・圧縮・爆発燃焼・排気」の4行程をエンジン内部のシリンダーの気密性を上げて効率よく行うため、
混合気(空気とガソリンを混ぜた気体)を吸入する通路「吸気ポート」と、
排気ガスをシリンダーから排出する通路「排気ポート」にバルブがそれぞれ独立して存在し、
この各バルブがタイミングよく開閉してシリンダー内の気密を保持することで、
効率よく爆発燃焼させてエンジンが動力を生み出すところです。
これら吸気と 排気のバルブは上記4行程の中における正確なタイミングで「カムシャフト」という部品により、
吸気と排気を行う際に開閉しています。


【出典】https://cacaca.jp/dictionary/engine/8485/



---4サイクルディーゼルエンジン---
ディーゼルエンジンもガソリンエンジンと同じく、吸気、圧縮、膨張、排気の4つの動作をくり返して行う。
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンのような点火システ ムを持っていない。
ではどうして燃焼を開始させるのか。空気を圧縮すると温度が上昇する。
ガソリンエンジンの圧縮比は10前後だが、ディーゼルエンジンのそれは 17~22と高い。
この高圧縮によってシリンダー内の空気の温度は500~800℃くらいになる。
そこにディーゼル燃料を噴射すると自己着火が始まるのだ。
高い圧縮比のために、 ディーゼルエンジンは熱効率が高い反面、振動、騒音がガソリンエンジンより多いという特性もある。


【出典】http://www.irs-japan.com/?p=3871
 

ディーゼルエンジンの仕組み

ガソリンvsディーゼルエンジン

エンジンの進化

---サイドバルブ(SV)エンジン---
シリンダーブロック内に 吸排気バルブ、吸排気ポートと カムシャフトを備え、
バルブがシリンダーの径より外に置かれたエンジン。T型フォードに採用され有名になった。
構造は簡単であるものの、吸排気の流れが複雑で抵抗が 大きく、燃焼室のコンパクト化は難しい。
また、圧縮比も高くとれないために性能的には劣っていた。
その後バルブをシリンダーヘッドの中に設けて燃焼室がシリンダー径内に収まるようにした
OHVエンジンが 発明されて、 徐々に姿を消していった。


【出典】https://www.weblio.jp/content/サイドバルブエンジン



---オーバーヘッドバルブ(OHV)エンジン---
OHVの特徴は、燃焼室形状の最適化により、SVに比べて非常に効率よく
ガソリンのエネルギーを取り出せるようになったことです。
エンジンヘッド上のバルブを駆動させるために、
エンジンブロックからエンジンヘッドまでを長い金属棒によって接続することでバルブに必要な動力を得ています。
クランクの回転を受けて回るカムシャフトの動きを、プッシュロッドとロッカーアームを介して
バルブを駆動させることでOHVエンジンは稼働します。
しかし、重く長い金属棒であるプッシュロッドは、熱膨張や慣性重量により、
高回転ではカムの動きを正確にバルブへと伝えることができません。
ムリに回転を上げるとバルブサージングやバルブジャンプなどの症状を引き起こし、
エンジンを壊してしまう恐れがありました。



---オーバーヘッドカムシャフト(OHC・SOHC)エンジン---
SOHCとは「シングル・オーバー・ヘッド・カムシャフト」の略称。その名のとおり、
エンジンヘッドに備わった 1本のカムシャフトで吸排気バルブを駆動するエンジンであり、単にOHCとも呼ばれます。
それまで主流だったOHVに対して、SOHCはカムシャフトをエンジンヘッドに 移動することで
カムの動きをより正確にバルブを駆動させ、より高回転化と高出力化を実現したエンジンです。
1960年あたりから自動車へ用いられるようになり、製造コストと出力性能、
燃費性能のバランスに優れた実用エンジンとして、大衆車への搭載が拡大しました。



---ダブルオーバーヘッドカムシャフト(DOHC)エンジン---
バルブを開閉させるカムシャフトが吸気用と排気用別々になり、燃焼室の上に2本のカムシャフトを備えます。
DOHCのカムシャフトはエンジンヘッド両側に配置されるため、
中央部分の理想的な位置にスパークプラグを配置し良好な燃焼状態にしやすい環境をつくることが可能です。
また、ロッカーアームを用いずカム山で直接バルブ押すことができるため、
高回転でのバルブ追従性を高め、高回転型のエンジンを設計しやすいメリットがあります。
さらに、吸気と排気の2本のカムシャフトを個別に制御できるため、
バルブリフトやタイミングの組み合わせしだいで、低回転でトルクを発揮させることも、
回転数を上げて 高出力を発生させることもできる設計自由度の高さが特徴です。
燃費性能向上の手段としてもDOHCが有効なために、
現在では軽自動車やコンパクトカーにもDOHCエンジンが 搭載されています。

その他のエンジン

---ロータリーエンジン---
ロータリーエンジンとは、一般的なレシプロエンジンのような往復動機構による容積変化ではなく、
回転動機構による容積変化を利用して、熱エネルギーを回転動力に変換して出力する原動機である。
エキセントリックシャフトと呼ばれる中心に三角形の形をしたローターを組み合わせて出来ています。
レシプロエンジン が吸気→圧縮→膨張→排気のサイクルを順々にこなしていくのに対して、
ロータリーエンジンはローターによって区切られた3つの空間で
一連のサイクルを同時並行で 効率よく一気にこなしていきます。
つまり、理論上はロータリーエンジンが1回転で得られる爆発によるエネルギーは
同排気量のレシプロエンジンの3倍あるということ になるのです。
高回転・高出力でスポーティーなエンジンですが、圧縮比が低く、燃焼室形状が悪いこと、
吸気効率が悪いことなどから燃費が悪く、構造上オイルを 燃焼させてしまうために
環境性能が現在の基準に追いつかない状態で、生産も中断しています。


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