車のボンネットを開けて、そこで何が起こっているのか疑問に思ったことはありますか？車のエンジンは、初心者にとっては、金属、チューブ、ワイヤーの大きな混乱のように見えることがあります。
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、ガソリンを運動に変換して、車が動くようにすることです。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エンジンです。 —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、内燃プロセスについて詳しく見ていきましょう。
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往復動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ことができ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。
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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います。 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、オットーサイクルとも呼ばれます。 、1867年に発明したニコラウスオットーに敬意を表して。4ストロークはアニメーションに示されています。 。それらは：
ピストンはクランクシャフトに接続されています コネクティングロッド 。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、別の空気とガスを取り入れます。
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。とにかく車の車輪を回転（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して機能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あり、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に典型的ですが、通常、車には複数のシリンダーがあります（4、6、8シリンダーが一般的です）。多気筒エンジンでは、通常、シリンダーは次の3つの方法のいずれかで配置されます。インライン 、 V またはフラット （左の図に示すように、水平対向またはボクサーとも呼ばれます。
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並んだエンジンです。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詳しく見てみましょう。
スパークプラグは、混合気に点火するスパークを供給して、燃焼を発生させることができます。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。
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。
ピストンは、シリンダー内で上下に動く円筒形の金属片です。
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」ために1,000マイルごとにクォートを追加する必要があるほとんどの車は、エンジンが古く、リングが適切に密閉されていないため、オイルを燃やしています。多くの現代の車両は、ピストンリングにさらに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わるように、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。何が間違っている可能性がありますか？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、何千もの小さ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。
燃料の混合が悪い 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、燃焼プロセスは正常に機能しません。次の理由で圧縮不足が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）に発生します。 ）シリンダー自体に取り付けます。一般的に、シリンダーとシリンダーヘッドは薄いガスケットと一緒にボルトで固定されます。 それらの間を押して、良好なシールを確保します。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。
火花の欠如： 火花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：
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という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、オーバーヘッドカムと呼ばれるものがあります 。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、クランクシャフトの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 またはタイミングチェーンがクランクシャフトをカムシャフトにリンクし、バルブがピストンと同期するようにします。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には、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）があり、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。したがって、「デュアルオーバーヘッドカム」というフレーズがあります。
点火システム （図6）は高電圧の電荷を生成し、それを点火ワイヤーを介してスパークプラグに送信します。 。チャージは最初にディストリビューターに流れます 、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。これらのイグニッションワイヤー 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、空気が循環するかを見ていきます。
冷却システム ほとんどの車では、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されます。数台の車（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や芝刈り機では、代わりにエンジンが空冷式になっています（空冷式エンジンは、各シリンダーの外側を飾るフィンでわかります。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しょうか。ほとんどの車は自然吸気です 、これは、空気がエアフィルターを通って直接シリンダーに流れることを意味します。高性能で最新の低燃費エンジンは、ターボチャージャー付きです。 または過給 、これは、エンジンに流入する空気が最初に加圧されて（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）、パフォーマンスを向上させることを意味します。加圧量はブーストと呼ばれます 。ターボチャージャーは、排気管に取り付けられた小さなタービンを使用して、流入する空気流の中で圧縮タービンを回転させます。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、燃料を吸い込む4気筒は、6気筒エンジンが出力するのに期待できる馬力を確認でき、燃費は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？ 開始システム 電動スターターモーターとスターターソレノイドで構成されています 。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、あなたの最初の懸念はおそらくあなたの車のガスの量です。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 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。
燃料噴射エンジンでは、適切な量の燃料が、吸気バルブの真上（ポート燃料噴射）またはシリンダーに直接（直接燃料噴射）のいずれかで、各シリンダー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キャブレターによってガスと空気が混合されていました。
石油も重要な役割を果たします。 注油 システムは、エンジンのすべての可動部分にオイルが付着していることを確認して、エンジンが簡単に動くようにします。オイルを必要とする2つの主要な部品は、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ことができるベアリングです。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を取り除き、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。
これで、を入れたもののいくつかについて理解できました。 あなたの車、それから出てくるもののいくつかを見てみましょう。 排気システム エキゾーストパイプとマフラーを含みます。マフラーがないと、何千もの小さな爆発が排気管から出る音が聞こえます。マフラーは音を減衰させます。
排出制御システム 現代の車では、触媒コンバーターで構成されています 、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ためのコンピューター。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で構成されています およびオルタネーター 。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、車両の配線を介して、電気を必要とする車内のすべてのもの（点火システム、ラジオ、ヘッドライト、ワイパー、パワーウィンドウとシート、コンピューターなど）に12ボルトの電力を利用できるようにします。
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試しています。
変位を増やす： 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、排気量が多いほど出力が大きくなります。円柱を大きくするか、円柱を追加することで、変位を増やすことができます。 12本のシリンダーが実際的な限界のようです。
圧縮率を上げる： 圧縮比が高いほど、ある程度まで、より多くのパワーが生成されます。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、より多くの出力を得るために、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： より多くの空気（したがって燃料）を特定のサイズのシリンダーに詰め込むことができれば、燃焼に必要な燃料を増やすことなく、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） 。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。
流入する空気を冷やす： 空気を圧縮すると温度が上昇します。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可能な限り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搭載されています。 。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殊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： ピストンが吸気行程で下に移動すると、空気抵抗がエンジンから動力を奪う可能性があります。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。エアフィルターを大きくすると、空気の流れを改善することもできます。
排気をより簡単に排出しましょう： 空気抵抗によって排気がシリンダーから出にくくなると、エンジンの動力が失われます。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。車の広告で、車には4つのシリンダーと16のバルブがあることがわかります。広告の内容は、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る場合やマフラーの空気抵抗が大きい場合は、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、燃料効率とパフォーマンスが向上します。
燃料を注入します： 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の重要な要素です。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」字型に構成されているため、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テクノロジーにより、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上回り始めました
最新の4気筒エンジンは、フォードのEcoBoostエンジンのように、より軽い材料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、それらの仕事を遂行するためにV-6のパワーを必要とします。こ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