4ストロークエンジンの仕組み

故障・修理
更新日：2019.07.10 / 掲載日：2019.07.10

エンジン

エンジンの構成をパート別に分類すると、燃焼室内で発生した熱エネルギーを機械的エネルギーに変え、回転動力を発生する部分と、本体の動作を補助したり、コントロールする付属装置に大別できる。ここでは、4ストロークエンジンの仕組みについて詳しく解説します。

この記事の目次

4ストロークのエンジンの仕組みと基本メカニズム

　4ストロークエンジンの基本作動はカム、バルブ、ピストン、コンロッド、クランクシャフトで成り立っている。吸入行程ではカムによって吸気バルブを開く。ピストンの下降によってシリンダー内が真空に近い状態になる。大気圧との差によってガソリンと空気の混合気がシリンダー内に吸入される。
　圧縮行程では、吸気バルブが閉じられ、ピストンが上昇し、吸入した混合気を圧縮する。膨張行程では圧縮された混合気にスパークプラグで点火する。燃焼する混合気の膨張によってピストンは押し下げられ、コンロッドを介してクランクシャフトを回し、動力を発生する。
　最後の行程は排気。膨張によって下がったピストンは再び上昇するが、この時、排気バルブが開かれ燃焼後の排ガスがシリンダー外に排出される。これらの行程でわかることは、4ストロークはクランクシャフトの一回転ごとに動力を発生するのではなく、ピストンが2回上下する間に一回だけ有効な動力を発生する。
　ダイムラーが開発した初期のガソリンエンジンも、もちろんこのセオリーに沿ったものだったが、吸気はピストンが下がった時の負圧によって開く自動吸入方式で、排気側にのみ長いプッシュロッドで駆動するバルブが設けられた。最高回転は1分間に800回転といわれる。当時では最先端をゆくものだったが、今では6000回転が標準で、スポーツエンジンでは9000回転が可能なものまである。バルブの進化、点火装置の進化、燃料供給装置の進化によって、ガソリンエンジンは130年ほどの間にめざましい進化を遂げた。

ガソリンエンジンを成立させる要素

　以上が4ストロークエンジンの基本作動だが、ことはそう単純ではない。これを成り立たせるためには、燃料の供給、圧縮の程度、点火時期、バルブの開閉時期などが複雑に絡み合う。

燃料の供給
　ガソリンエンジンは気化器が発明されて可能になったといえる。ダイムラーが開発したガソリンエンジンには表面気化器というものが採用された。ガソリンを入れた容器の下にバーナーで加熱した空気を送り込み、ガソリンを蒸発させ、それをシリンダー内に吸入した。空気との混合比の調整にはガソリン蒸気の通路に設けられた手動式の混合弁が用いられた。
　1893年には、ダイムラーの片腕となって開発に取り組んでいたマイバッハが霧吹き式のキャブレターを考案し、それが長い間燃料供給の主流となっていたが、現在では燃料噴射がとって代わっている。

混合比
　シリンダーに吸入するガソリンと空気の質量比を混合比という。14.7:1という空気とガソリンの比率がもっとも燃焼効率のよい混合比として使われ、理論空燃比といわれる。14.7:1を基本としながら、運転領域によって調整し、ドライバビリティや排ガス浄化性能を向上させている。
　14.7:1を大きく上回る希薄燃焼は、三菱の直噴エンジン開発をきっかけにトヨタ、日産を始め多くのメーカーが採用したが、希薄燃焼の領域が限られることと、酸素過大によるNOx浄化性能低下の問題もあり、理論空燃比での燃焼に戻りつつあった。しかし、BMWは2006年にピエゾインジェクターを採用した第2世代ともいえる直噴エンジンを開発し、希薄燃焼エンジンを再び土俵の上に引き上げた。

圧縮比
　圧縮行程ではピストンが上昇して混合気を圧縮するが、ピストンが一番下に下がった時の気筒全容積と燃焼室の容積比を圧縮比といい、カタログのスペックにも記載される。燃焼室はピストンが頂点に達した時、シリンダー内に発生する空間と考えればいい。圧縮比はエンジン性能をも左右する大切な要素で、圧縮比が高ければ強い膨張が得られ、出力が向上する。しかし圧縮比を高くしすぎると早期着火が発生し、ノッキングの原因ともなるし、圧縮時のエネルギーロスも発生する。現在の乗用車は8から12程度の範囲に設定される。

点火時期
　ピストンが一番上の上死点に達した時、圧縮比は最大になる。ここで点火するともっとも効率のよい燃焼が得られそうだが、高回転のエンジンではそれでは遅い。効率のよい燃焼に至った時にはピストンは下降を始めている。この弊害を取り除くために、ピストンが上死点に達する前の圧縮行程の後半で点火が行われる。点火時期はBTDC5°というように表示される。BTDCはBefore Top Dead Centerの頭文字をとったもので、数値はクランクシャフトの角度を表している。　エンジン始動時に固定する初期設定点火時期が設けられるが、運転状況に応じてコンピューターで可変制御される。たとえば急加速時にはノッキングを防止するために遅らせ、エンジン回転が低い状態では進ませる。

バルブタイミング
　吸気バルブ、排気バルブを開いたり、閉じたりするタイミングをバルブタイミングという。ピストンが一番上の上死点に達し、下がり始める瞬間に吸気バルブを開き、同時に排気バルブを閉じる。そしてピストンが一番下の下死点に達した時に吸気バルブを閉じるのがもっとも効率のよいタイミングのように思えるが事実は異なる。
　吸気管から混合気が吸入されるまでにはタイムラグがある。このタイミングで開くと、混合気が大量に吸気管の末端に達した時に吸気バルブは閉じてしまっていることになる。このため、吸気バルブは排気行程の後半に開き始める。混合気が吸入されるエネルギーは高く、圧縮行程に入ってもシリンダー内に流れ込こもうとする。これを活用しない手はない。そこで圧縮行程の前半まで吸気バルブを開き、たっぷりと混合気を吸入する。
　排気バルブも同様に、膨張行程の終わり頃から開き始め、吸入行程に入ってから閉じる。この開閉タイミングでは吸気バルブと排気バルブが同時に開いている一瞬が現れる。これをバルブオーバーラップという。吸気の勢いによって排気行程の終盤にある燃焼ガスを効率よく排出できる。しかし最適なオーバーラップはエンジンによって異なり、エンジンの運転状況によっても変化する。最近のエンジンの多くは可変バルブタイミング機構を備え、運転状況によって最適なオーバーラップとなるように調整される。

点火順序
　ダイムラーが開発した単気筒エンジンでは点火順序という概念は発生しない。しかし多気筒化が進むと4サイクルに合わせた、それぞれのシリンダーの点火順序を揃える必要が生まれた。2気筒ではクランクは180度で対向しているので単純に1、2というように交互に点火すればよいが、4気筒になると180度でありながら、各クランクは交互に上下に並ぶ。そこで点火順序は1、3、4、2 または1、2、4、3となる。6気筒になると1、5、3、6、2、4。 1、2、4、6、5、3。 1、4、2、6、3、5というような複数の選択が可能になる。V型多気筒ではさらに複雑になり、水平対向4気筒では1、4、3、2となる。

提供元：オートメカニック

エンジンを構成するパーツ精密な金属の塊で成り立っている

　エンジンのそれぞれのパーツを観察すると、時計のような小さくて精密なものではなく、意外に大きなパーツで構成されていることがわかる。そして、それぞれがボルトとナットで締結され成り立っている。エンジンパーツを大きく分類すればシリンダーヘッド、エンジンブロック、ピストン、コンロッド、クランクケース、クランクシャフト、そして潤滑系、冷却系、電機系となる。

シリンダーヘッド
　エンジンの一番上に位置するのがシリンダーヘッドで、裏側が燃焼室になっている。ヘッドカバーの中にはカムシャフトと、スプリングの伸張力によってバルブシートに押しつけられている傘型のバルブが収まっている。カムシャフトにはカムが設けられ、カムの回転によってバルブの開閉を行う。カムシャフトの駆動にはクランクシャフトの回転が用いられる。クランクシャフトとカムシャフトにはプーリーが装着され、この２つをコグドベルト、もしくはチェーンが結ぶ。
　カムシャフトの回転数はクランクシャフトのそれとは異なる。吸気、圧縮、膨張、排気の4サイクルに対してカムが一回転すればいいので、クランクシャフトの回転数を1/2に減速して伝えられる。バルブ駆動のメカニズムについては次号以下で詳しく解説するが、カムシャフトがエンジンサイドにあり、そこから伸びたプッシュロッドでロッカーアームを駆動するOHV、ヘッドに設けられた1本のカムシャフトで全てのバルブを駆動するSOHC、そして吸気バルブと排気バルブの駆動を別々のカムシャフトで行うDOHCがある。

シリンダーブロック
　4サイクルの行程を司るもっとも重要な部分がシリンダーブロックだともいえる。ここにピストンが収められ、燃焼によって上下する。鉄の鋳物によって造られた時代が長く続いたが、軽量化のために鉄のスリーブを挿入したアルミが使われるようになった。外国の高性能車ではアルミとマグネシウムを併用したブロックもある。エンジンブロックの剛性はエンジンのスムーズさを左右する。ブロックの肉厚を上げれば剛性は高まるが、重量が増える。そこで薄肉化しながら、適所に補強リブを入れる手法がとられている。
　シリンダーブロックにはまた潤滑のためのオイル通路が設けられ、冷却のためのウオータージャケットが巡らされる。

ピストン
　シリンダー内で吸気のための負圧を作り出し、燃焼の力を受け止め、そして排気も行うのがピストンだ。これらの行程で漏れの発生を防止するのがピストンリング。1個のピストンには2本の圧縮リングと1本のオイルリングが装着される。オイルリングはシリンダー壁に付着した潤滑用のオイルが燃焼室に入らないようにクランク室へ掻き落とす働きをする。ピストンは燃焼室やバルブ配置に合わせ、様々な形状のヘッドが採用される。ピストンにはもう一つ重要なパーツが組み込まれている。コンロッドとピストンを連結するピストンピンがそれだ。

コンロッド
　通称コンロッドだが、正確にはピストンとクランクシャフトをつなぐロッドの意でコネクティングロッドといわれる。ピストン側はロッドにピストンピンが挿入されるが、クランクシャフト側は2分割になっており、2本のボルトで合体される。これはクランクの形状から理解できるように、分割式でないと組み付けられないためだ。またこの部分にはベアリングの役目をするメタルが挿入されている。

クランクケース
　ピストンの往復運動を回転運動に換えるのがクランクシャフトだが、それを収める部分がクランクケース。エンジンブロックとオイルパンの間に挿入される。トヨタではNo1オイルパンと呼称し、さらにその下に鉄板プレスのNo2オイルパンが装着される。クランクシャフトはクランクケースに固定されるのではなく、ベアリングキャップによってエンジンブロック側に固定されている。

クランクシャフト
　ピストンの往復運動を回転運動に換えるのがクランクシャフトだ。クランクシャフトはベアリング（ジャーナル）、クランクピン、バランスウエイトで構成されている。ベアリングはクランクシャフトを支える重要な役割をはたし、ベアリングの数はクランクシャフトの歪みを左右する。4気筒を例にとれば、初期のエンジンは3カ所で支えているに過ぎなかったが、現在では5カ所で支えている。
　クランクピンはコンロッドの下端部を接合する部分で、ベアリング部分と同様にクランクシャフト内部からオイル通路が設けられ、ベアリングの役目をするメタルを内部から潤滑している。
　バランスウエイトはスムーズな回転のために重要な役割をはたしている。これのない状態でクランクシャフトを回転させると、遠心力によって振動が発生する。振動の原因となる遠心力を打ち消すために逆方向の遠心力を発生させるのがバランスウエイトなのだ。バランスウエイトは一つの気筒に対して2個装着される。

潤滑系、冷却系、電気系
　エンジンは以上のようなパーツで構成されているが、それだけで作動するわけではない。金属パーツの摺動による摩耗を防ぎ、スムーズに動かすための潤滑システム、燃焼によって発生する熱を抑える冷却システム、点火のための電気系などによって初めて完成する。これらについては次項以下で詳しく解説する。

4ストロークガソリンエンジンの進化技術変遷ダイジェスト

1本のカムで吸気、排気のバルブを駆動するSOHCから、2本のバルブで吸排気のバルブを駆動するDOHCがスタンダードになったように、吸排気のバルブも2バルブから3バルブ。4バルブはては5バルブまでマルチバルブ化されるようになった。

　1886年、ダイムラーによって製造された世界初の4輪車に搭載されたのは単気筒エンジンだったが、早くも3年後にはV型2気筒エンジンを搭載した進化型が製造された。4気筒、6気筒、V型8気筒と、多気筒化はその後も進む。ちなみに国産初の6気筒は1963年に発売されたプリンスグロリア・スーパー6だ。V型8気筒は飛行機のエンジンとして実用化されていたものだが、現在の中型車の主流であるV型6気筒の歴史は意外に新しい。1950年に造られたランチア・アウレリアが最初のV型6気筒エンジン搭載車で、1962年にビュイックもV型3247ccを開発し、普及の端緒となる。
　多気筒エンジンにはフォード・タウナスに搭載されたV4という変わり種や1910年代に開発されたランチアの25°という超狭角V4がある。1965年、コベントリー・クライマックスF1に搭載された水平対向16気筒も変わり種の一つに加えてもいい。

バルブ駆動の進化
　ダイムラーの一号機には排気側にのみサイドバルブが設けられていた。その後、バルブ配置はサイドバルブ、OHV、OHCへと進化する。2本のカムシャフトを持つDOHCを最初に採用したのは、1912年のフランスGPで優勝したプジョーに搭載された7.6リッターエンジンだったが、それはレース用の特殊なものでしかなかった。それから約50年後のDOHCエンジン搭載車もアルファロメオ、ジャガー、フェラーリ、マセラティなど10車にも及ばなかった。国産で最初にDOHCエンジンを搭載した乗用車はホンダS500ということはよく知られている。

モアパワーを求めて
　ベンツの一号車のエンジンは単気筒785ccで、最高出力は0.8hp/400rpm。ダイムラーのそれは460cc、1.1hp/650rpmだった。近代自動車のルーツともいえるT型フォードでも2888ccから、わずかに20馬力を絞り出していたに過ぎなかった。1930年代に入るとリッター当たり馬力は22へと向上するが、最高回転数は3500rpm程度、1960年代に入って41ps/L程度に進化し、最高回転は現在とほぼ同水準の5000rpm程度へと向上する。
　燃焼室形状の進化も見逃せない。初期のバスタブ型からウェッジ形状へと変わり、半球形へと進化する。1960年代には、良好な燃焼のために「吸気にスワールを形成する」「スキッシュエリアをもうける」という概念が確立され、それ以後、燃焼室形状は進化を続け、現在のエンジンの多くがペントルーフ型を採用している。

2ストロークエンジンの作動原理

2ストロークエンジンの作動・仕組み

　2ストローク・サイクルはクランクシャフト1回転ごとに動力を生み出す。ルーツをたどれば1881年、イギリス人のデュガルド・クラークが考案した彼の2号機関ということになる。このエンジンには2ストロークにおいて不可欠の掃気という行程が取り入られていた。
　2ストロークの特徴は吸/排気バルブを持たないことだ。シリンダー側面に排気孔、吸気孔、掃気孔が設けられ、上下するピストンがこれらの孔を順次塞いだり、開けたりする。ピストンがバルブの役割をもはたしている。ピストンが圧縮行程に入ると吸気孔が開き、クランク室に混合気が吸入される。爆発行程でピストンが下がるとクランク室の混合気は圧縮され、掃気孔から燃焼室に押し上げられる。この時の圧力によって膨張行程の最後に残る排ガスが排気孔から排出される。
　クランク室を混合気の圧縮にも活用するというメカニズムのため、2ストロークエンジンは、クランク周りの潤滑にオイルのみを供給できない。そのために混合気にオイルを混入させて潤滑する。シンプルで効率の高い2ストロークなのだが、潤滑用オイルの燃焼、掃気時に発生する未燃焼ガスの排出などでCO、HCが増加する。このため現在では自動車には採用されていない。