Homeエンジンの種類と構造

エンジンの種類と構造

エンジンの基礎

「クルマの心臓部」とよく例えられるように、クルマが走るための原動力となるのがエンジン。燃料と空気(酸素)をエンジン内部で爆発させ、それを駆動力にしている。エンジンはその種類や形式も豊富でそれぞれのコンセプトにあったものが搭載されている。

エンジンの主流は4種類

現在では「レシプロエンジン」「ロータリーエンジン」「ディーゼルエンジン」「ハイブリットエンジン」がある。4種類のエンジンは、そのカテゴリーの中でもさらに細かく種類が分かれている。

燃料の違い

エンジンの燃料としてガソリンスタンドで販売されているのは「ガソリン」と軽油」。さらにガソリンは「レギュラー」「ハイオク」に分かれている。レギュラーとハイオクの違いは、含まれる添加剤の割合にある。この割合は「オクタン価」と呼び、オクタン価が高いほうがハイオクと呼ぶ。オクタン価が高いと、エンジン内部の爆発が予期しないところで起こる異常燃焼が起こりにくくなる。また、ディーゼル車はエンジンの構造が他のエンジンと違うため、軽油が燃料になる。もとは石油から作られ、同じ燃料だが、その差は蒸留温度の違いで分けてあるのだ。

レシプロエンジン

乗用車の中で一番多く採用されているのがレシプロエンジン。これは、エンジン内部の円筒状の空間(シリンダー)で爆発した燃料の力を、ピストンが受け止めて上下に動くものだ。その、上下の運動を回転運動に変えるクランクシャフトを介して、回転力として駆動に伝えるメカニズムを持つ。もっともポピュラーなエンジンといえる。

エンジンの中でも、エンジンが動く過程を「空気」「圧縮」「爆発」「排気」の4つで行うものを、4ストロークエンジンと呼ぶ。空気や燃料を取り入れ、排出する空気バルブ、爆発のための着火パーツスパークプラグ(ディーゼルには無い)、爆発を受け止めるピストン、上下運動を回転運動に変えるクランクシャフトの4つが、レシプロエンジンを構成する重要なパーツとなる。

ディーゼルエンジンは燃料が爆発する仕組みがガソリンとは違うが、エンジン内部で行われる行程は変わらないので、レシプロエンジンの仲間に入る。

エンジンが動くまでの仕組み

  1. 吸気
    • シリンダーへ燃料と空気を取り込む行程。吸気専用に設けられたバルブが開いてピストンが下がっていく行くことで、シリンダー内へ気化した燃料が吸い込まれていく。この時点で、クランクシャフトは回転を始める。燃料と空気が混ざった状態を混合気と言う。
  2. 圧縮
    • シリンダー内部に取り込まれた混合気はピストンが上がっていくと圧縮される。この時点でバルブはすべて閉じており、シリンダー内部は密閉されている。吸気行程で、ピストンが一番下がった場所から、圧縮行程でピストンが一番上がった場所までの距離をストロークといい、これにピストンの表面積を掛けたものが1気筒あたりの排気量となる。
  3. 爆発
    • ピストン内で圧縮された混合気は、電気で火花を飛ばすスパークプラグによって点火され、爆発する。スパークプラグが火花を飛ばすのは、上死点と呼ばれるもっともピストンが上に来た状態の時。爆発した混合気が、ピストンを押し下げクランクシャフトを回すことで駆動力が発生する。
  4. 排気
    • 爆発し終わった混合気は、ピストンが再び上がるのと同時に排気専用バルブから外に押し出される。この押し出された爆発後の混合気がマフラーから排出される「排気ガス」だ。ここまでの行程を終えると、再びピストンが下がって吸気を始める。この4つの行程でクランクシャフトが1分間に回転するの回数がエンジンの回転になる。

ロータリーエンジン

ロータリーエンジンは、特殊なメカニズムを持つ。吸気、圧縮、爆発、排気という行程をエンジン内部で行うが、ピストン、吸気・排気バルブ、クランクシャフトを持たないのが特徴。そのため、軽量でコンパクトなエンジンに仕上げることができた。

エンジンの本体であるローターハウジングの中に組み込まれるパーツは、ローターと呼ばれ、おにぎり型の回転するパーツで、これがレシプロのピストンに当たる。クランクシャフトに相当するのが、エキセントリックシャフトと呼ばれ、ローターの中心部に差し込まれている。吸気、排気を行うのは、吸気、排気ポートと呼ばれるローターハウジングに開けられた穴だ。エンジンの動きにロスが少ないため、レシプロに比べて高回転型のエンジンとなる。

エンジンが動くまでの仕組み

  1. 吸気
    • 混合気作るまでのシステムはレシプロと同じだが、この混合気を吸入する入り口はバルブではなく、ローターハウジングに開けられた吸気ポートだ。まゆ型のハウジングの中におむすび型のローターがあることで、常に3つの空間がエンジン内部にあることになる。そのひとつに混合気が吸い込まれる。
  2. 圧縮
    • ローターが回転して容積の狭くなった空間に混合気を移動させることでおこなう。この容積の差を生むのがローターハウジング独特のまゆ型で、ローターの3つの角は回転中でも常にローターハウジングの壁に密着しており、これにより圧縮できるだけの密閉空間が生まれる。
  3. 爆発
    • 圧縮された混合気は、スパークプラグがある場所で爆発する。この爆発膨張した力を利用してローターが回転する。より効率の良い燃焼を得るため、スパークプラグは1つのローターに2つが装着される。
  4. 排気
    • 爆発後の排気ガスは、排気ポートを通って排出される。この4行程が終わるまでに、ローターハウジングの中で1回転することになるが、ローターの回転数がそのままエンジンの回転数になるわけではない。ローターの中心にある出力軸(エキセントリックシャフト)はローター1回転に付き3回転している。つまりロータリーエンジンは1回の爆発で出力軸を3回転させられるので、より回転数を上げることができるのだ。

ハイブリットエンジン

ハイブリットとは「混合」「混成物」とった意味で、エンジンのハイブリッドとは動力が内燃機関とモーターを併せ持つタイプのこと。ハイブリッドエンジンの最大の特徴は、今までのエンジンと比較した時の驚異的な燃費のよさと排気ガスの少なさだ。ハイブリットエンジンは完全にモーターのみで動くのではなく、あくまでエンジンの補助動力としてのモーターと搭載するためで、特別な操作やメンテナンスは必要ない。走行時や発車時lのエンジンとモーターが切り替わる瞬間などはまったく気にはならないくらいだ。

縦置き直列エンジン

  • エンジンの内部構造にはいくつか種類があるが、同じエンジンの内部構造でもその作りや設置方法によって違いがある。
  • レシプロエンジンの中でピストンがまっすぐ並んでいるものは、直列エンジンという。これは気筒数によって直列6気筒や直列4気筒と区別される。直列の場合は、大きいもので6気筒となるが、これ以上、気筒数が増えるとエンジン本体が長くなり、かなり大きなエンジンルームが必要となる。直列8気筒エンジンも存在したが、今では8気筒ならV型にするのが一般的だ。
  • 直列エンジンを縦置きにすると、エンジンからミッション、ドライブシャフトまでボディ下に一直線にレイアウトできることから左右のバランスがよいとされる。また、ドライブシャフトを左右で同じ長さに出来ることからステアリング操作も素直になるのだ。

横置き直列エンジン

  • 同じ直列エンジンを搭載しているクルマでも、FFではその搭載方法が横置きの場合が多い。長さのあるエンジンを横に置くことで、エンジンルームのスペースを小さくすることができ、室内空間をより広く取れるメリットがある。さらにFRと違ってFFではボディ中央にプロペラシャフトがないので、後部座席中央の足元に広いスペースを取れることから、横置きエンジンは室内のスペース確保に非常に有効なのだ。
  • このほか、横置きエンジンはボンネット前方に余裕を持ったクラッシャブルゾーンを取ることが出来るので、衝突安全性を向上させる役割もある。

V型エンジン

  • V型エンジンは、エンジンを前方から見た時にピストンが左右にV型に並べられていることからこう呼ばれる。直列エンジンはピストンがすべて一直線に並んでいるが、この直列エンジンのピストンをクランクシャフト部分から、重ならないように左右に振り分けたものと考えるとりかいしやすい。
  • 直列エンジンで気筒数が多くなるとエンジンは長くなるが、V型の場合、同じ気筒数でも直列エンジンよりも全長を短く出来るメリットがある。
  • V型エンジンの左右のピストン角度は、60度、90度などがあり、この角度のことを「バンク角」ともいう。

水平対向エンジン

  • 現在、国内では富士重工のみが生産するエンジンが水平対向エンジン。ピストンの動きがボクサーの繰り出すパンチのイメージと重なることから、「ボクサーエンジン」とも呼ばれ、また「フラット」とという呼び方もあり、6気筒ならフラット6エンジンだ。
  • 水平対向エンジンはV型エンジンと似ており、クランクシャフトからつながるピストンが左右に振り分けられ、それが地面と水平に動くため、エンジンの高さを抑えることができる。このため、クルマ全体の銃身バランスを低くできるというメリットがある。さらにピストンがお互いの振動を打ち消すため、低振動性もメリットのひとつだ。
  • 水平エンジンの特徴は、その排気音にもある。ドロドロという力強い排気音はエンジンにつながったエキゾーストマニフォールド(排気のためのパイプ)の左右の長さが違うためにおこる排気干渉のため。これがボクサーサウンドのしくみだ。

DOHC/Double Over Head Camshaft

DOHC、これは「ダブルオーバーヘッドカムシャフト」の頭文字を略したもので、エンジンの上部にあるカムシャフトが何本あるかを示している。DOHC は、吸気側バルブと排気側バルブがそれぞれ1本ずつ、合計で2本のカムシャフトを持つため、エンジンが動いている時にカムシャフトとバルブのタイムラグ(時間差)が少なくできる。そのため、高回転、高出力が可能になるというメリットがあるが、エンジン内部の部品点数が多くなるため、製作コストも高くエンジンが重くなりやすい。また、燃費もSOHCに比べると、劣ることが多い。DOHCは別名「ツインカムエンジン」とも呼ばれる。

SOHC/Single Over Herd Camshaft

SOHCは「シングルオーバーカムシャフト」の名前からも分るようにカムシャフトが1本のものだ。吸気と排気バルブの中心に置かれた一本のカムシャフトで、吸気、排気バルブを動かす。カムシャフトが1本減ることによって、エンジンヘッド(バルブやカムシャフトが収まるエンジンの上半分)の簡略化と軽量化が期待できる。さらにエンジン内部のパーツ同士による回転抵抗の軽減もSOHCのメリットだ。

OHV/Over Head Valve

現在では限られた車種にしか採用されなくなったOHV。OHVは「オーバーヘッドバルブ」の略で、エンジン上部に設置されたバルブを動かすためのカムシャフトがピストンシリンダーよりも低い位置にあるのが特徴だ。当然、バルブとカムシャフトの距離は長くなるので、プッシュロッドとロッカーアームと呼ばれるパーツが必要となる。その構造から、高回転まで回すようなエンジンの使い方には向かないが、逆に低回転で使用するならなんら問題は無く、トラックなどには今も採用されることが多い。

SV/Side Valve

吸気、排気バルブが上を向いて装着されているのがサイドバルブエンジン。エンジンのバルブ機構の中でもっとも古いスタイルで、4ストロークエンジンはこのサイドバルブから進化を始める。現在ではこのサイドバルブを使用ている国産車は姿を消しているが、やはり設計の古さから来る問題点が、多いのだろう。上を向いたバルブが特徴のSVだが、決して効率はよくない。

直噴エンジン

レシプロエンジンの中で、燃料の噴射方式のが従来の方式と違うものを直噴エンジンと呼ぶ。普通のレシプロエンジンの場合は、空気と燃料をピストンシリンダーに取り入れる前の段階で混ぜているが、直噴エンジンではまずピストンシリンダー内に空気だけを取り入れ、燃料となるガソリンだけをそのあとから直接噴射している。直噴エンジンにはメリットが多いため、年々採用するクルマが増えている。そのメリットは、普通の混合気を作って爆発させるより、直噴の方が爆発の効率がよく、さらに燃費も向上する。それに伴って、排気のガスもクリーンになる。高速走行の場合など、燃費向上の効果が大きいとされている。

ターボチャージャー/Turbo Charger

ターボチャージャーとは、エンジンの排気の量を変えずに馬力を上げることができるシステムのこと。エンジンから出る排気ガスの力でコンプレッサーを回し、そのコンプレッサーで圧縮された空気をピストンシリンダー内に押し込むしくみだ。空気を圧縮するということは、1000ccの容積しか持たないエンジンに体積が小さくなった2000ccの空気を入れることができるので、エンジンの排気を増やした時と同じ力が出せるのだ。しかし、排気が同じでもパワーが出るので使用する燃料は増え、結果的に、燃費が悪くなるのだ。

空気を圧縮する動力が排気ガスの流れに頼ってるため、エンジンの回転数が低い時には圧縮力も弱くなる。このため、ある程度エンジンの回転数を挙げた時にターボは威力を発揮することとなる。

スーパーチャージャー/Super Charger

ターボチャージャーと同じく、空気を圧縮して排気以上のパワーをだすのだが、スーパーチャージャーの駆動方式は、排気ガスではなくエンジンの爆発によって回転するクランクシャフトの回転力を使って空気を圧縮するのだ。これは、エンジンが低回転でも効果が期待でき、低い回転数でもしっかりパワーを出すことができるが、高回転になると、その効果は薄れる傾向にある。

ターボ系パーツ

インタークーラー

空気を圧縮すると体積が減り、同時に熱が発生する。熱を持った空気は膨張して燃焼効率が悪くなるので、その熱を冷却するためのパーツ。装着場所はさまざまである。

ブーストメーター

ターボがどれくらい空気を圧縮しているかを見ることができるメーター。ターボが付いていても、スポーツカー以外は装着されていないこともある。

マフラー

マフラーはどのクルマにも装着されているが、ターボチャージャー用のマフラーはパイプが太いものが多い。

アクチュエター

圧縮する力が上がり過ぎないように制御する装置。アクチュエーターとタービンはパイプでつながれ、規定以上の圧力がかかると、過給圧がそれ以上に上がらないようにしている安全装置のこと。

オイルの種類

エンジンオイル

エンジン内部のパーツの摩擦軽減と冷却を助ける。エンジンオイルに限らないが、ある程度使用したオイルは定期的に交換することでエンジン性能を一定に保てる。

ミッションオイル

ギヤオイルとも呼ぶ。変速機に入れるオイルでマニュアル、オートマチック共に走行距離が2万km程度での交換が目安。

パワーステアリングオイル

パワーステアリングを動かすためのオイル。交換する必要は無いが、減った時は足す。

ブレーキオイル

油圧式ブレーキに使用するオイル。このオイルの圧力でブレーキペダルを踏んだ力を増幅させ、クルマを止める。

オイルの粘度表示

オイルの性能を表しており、オイルの粘り気を「10W-40」のような数字と英語で表している。10WのWはWinterの頭文字で冬を表していて、低温時のオイル粘度、もう一方の数字はエンジン内部の温度が上昇した時の粘度。この数字の差が大きければ大きいほど、オイルの粘度を保てる温度域が広いものとなる。

エンジンのその他のパーツ

燃料噴射装置(インジェクター)

燃料を霧化させる装置。空気と燃料を混ぜる前の段階で燃料を霧状にして噴射させるパーツ。燃料供給方法が上からのものをトップフィード、横からのものはサイドフィードと呼ぶ。また、電子制御で燃料を噴射するクルマのことをインジェクション車と呼ぶ。

キャブレター/Carburetor

機械式の燃料噴射装置。混合気を作る昨日は変わらないが、そのしくみは別物だ。キャブレターはフロントチャンバーと呼ばれる燃料を一定に溜め込んでおく部分と、空気が流れるベンチュリー部分で構成される。ベンチュリー部分は空気の流れる通路の入り口と出口が狭くなっていて、ここを空気が通過する時、流速が最大となりニードルジェット(ガソリン吐出口)からガソリンが吸いだされ、混合気となる。

エンジン用語解説

エンジンマウント/Engine Mount

エンジンを固定するためのパーツで金属とゴムで作られている。通常は2つで支える。

オイルパン/Oil Pan

エンジンの最下部にあり、エンジンオイルをためておく場所。オイルを抜くドレインボルトもここにある。

カムカバー/Cam Cover

エンジンの上部にあり、カムシャフトやバルブなどが収まっている部分のカバー。

カムスプロケット/Cam Sprocket

カムシャフトの先端に付く歯車。ここにタイミングベルトがかかり、カムシャフトをまわす。

プラグコード/Plug Cord

スパークプラグが火花を散らすために必要な電気を送るコード。

コネクティングロッド/Connecting Rod

ピストンとクランクシャフトをつなぐための金属製のパーツ。

カムシャフト/Cam Shaft

回転しながらバルブを押し開く棒状のパーツ。バルブを押す部分に山があり、山の部分の大きさが大きくなれば、それだけバルブを押している時間が長くなる。この山の大きさを「リフト量」と呼ぶ。これによってバルブから混合気や排出される排気ガスの量が増えることで、よりエンジンのパワーを上げることができる。

燃料比

燃料と空気の割合のこと。約14.7(空気):1(燃料)の割合が、計算上、完全燃焼に最適といわれている。

クーラント/Coolant

ラジエターに入れる冷却水。気温が0度以下になった時も凍らないような成分となっている。

燃焼室

ピストンが上下する空間。ここでスパークプラグが火花を散らし、混合気や燃料が爆発する。

ウォーターポンプ/Water Pomp

冷却水をエンジン内部に循環させるためのポンプ。

フライホイール/Fly Wheel

クランクシャフトの端につけられる弾み車。クランクに伝わった力を蓄えて慣性の力でエンジンの回転を助ける。

シリンダーブロック/Cylinder Block

エンジン本体の下半分部指し、下部にはオイルパンが装着されている。オイルと共に冷却水が通る溝が入っている場所もシリンダーブロック内部だ。

ページトップへ
Copyright (C) kurumadays.com All Rights Reserved.