内燃機関の仕組み~ガソリンエンジンとディーゼルエンジン~

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内燃機関の仕組み~ガソリンエンジンとディーゼルエンジン~

エンジンはしばしば、人間で言うところの心臓である、と例えられることがあります。自動車が前に走る為の動力を生み出しているのがエンジンですので、とても分かりやすい比喩表現と言えるでしょう。では、そのエンジンがどのようなカラクリであるかご存知でしょうか?今回は入門書のような内容をさらに噛み砕いてお話します。

エンジン内部でどんな動作しているのか?

エンジン内部でどんな動作しているのか?

良い燃料・良い電気・良い圧縮が基本

良い燃料・良い電気・良い圧縮が基本

端的に説明するならば、エンジンは内部で燃料を燃やして熱を発生させます。その熱によって内部の気体を膨張させ、力を生み出しているのです。和名は内燃機関ですね。もう少し機械的な話をすると、エンジンは気体の熱膨張を利用してピストンを往復運動させています。しかし、車輪は回転運動を行う物体なので、このままではタイヤに力を伝えることはできませんので、往復運動を回転運動へと変換する必要がでてきます。そこで、ピストンの往復運動を回転運動へと変換を行っているのがクランクシャフトという部品です。つまり、熱によって生み出されたエネルギーは往復運動から回転運動へと変換されて、最終的にはタイヤの駆動力として伝えられるのです。

では、どうやってピストンを往復運動させているのか?
エンジンの動作には大きく分けて4つの工程があります。

1.空気(あるいはガソリンと空気が混ざった混合気)を取り込む吸気工程

空気(あるいはガソリンと空気が混ざった混合気)を取り込む吸気工程

2.取り込んだ気体を圧縮する圧縮工程

取り込んだ気体を圧縮する圧縮工程

3.圧縮した気体を燃やして膨張させる燃焼工程

圧縮した気体を燃やして膨張させる燃焼工程

4.燃焼ガスを排出する排気工程

燃焼ガスを排出する排気工程

ピストンの動きに着目して、上述の工程をイメージしやすいよう簡単に解説していきます。
吸気工程ではピストンは上側に位置している状態にあり、ピストンが下側へと動いて空気(あるいは混合気)を取り込んでいきます。
これは、注射器のピストンを引いて空気を入れるのと同じ原理ですね。続く圧縮工程において、ピストンは下側から上側に動いて気体を圧縮します。これでピストンは1往復(つまり2回移動)したことになります。
燃焼工程では、ピストンは上側に位置し、圧縮された気体を燃焼させます。この時に、燃焼された気体は膨張作用によりピストンを下へ押し下げていきます。下側まで押し下げられたピストンはその勢いを保ったまま上側へ移動し、燃焼ガス(排気工程では排気ガスと呼ぶ)を外へ押し出します。これでまたピストンは1往復したことになります。
すなわち、吸気工程から排気工程までにピストンは2往復(すなわち4回移動)することになります。この事から、上記の工程を踏むエンジンの事を4サイクルエンジン(または4ストロークエンジン)と呼びます。ガソリンエンジンもディーゼルエンジンもその工程の流れに大きな違いはありません。

では、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンは何が違うのか。
それは燃焼工程ですー厳密に言えば、燃焼工程が変わるので吸気工程にも変化が生じるのですが、詳細は後述しますー ガソリンエンジンは圧縮された混合器に火花で点火しますが、ディーゼルエンジンは圧縮されて高温となった空気に燃料を噴射して燃やします。ガソリンの着火に点火が必要な理由は、ガソリンが自己着火しにくい性質ーこれをオクタン価というーを持っていためです。一方、オクタン価が低い軽油を使用するディーゼルエンジンは、圧縮された空気の温度で自己着火出来るため点火の必要ありません。ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの燃焼工程にはこのような違いが存在します。

次に、ガソリンエンジンの吸気工程から排気工程までの流れを詳しく説明していきます。

吸気工程
1.シリンダー内の蓋(これを吸気バルブという)が開く
2.シリンダー内の上死点にいるピストンが下降して空気が引き込まれる
3.インジェクターから燃料が噴射される(つまり混合気になる)
4.ピストンが下死点に到達したら、吸気バルブを閉じる
圧縮工程
5.下死点にいるピストンが上昇し、空気を圧縮する
燃焼工程
6.上死点付近にピストンが来ると、点火プラグから火花を飛ばして着火する
7.混合気が燃焼して燃焼ガスが発生・膨張してピストンを押し下げる
排気工程
8.ピストンが下死点に到達すると、シリンダー内の別の蓋(排気バルブ)が開く
9.ピストンが上昇し、排気ガスを排出する

吸気工程では、まず吸気バルブが開いてピストンが下がります。ピストンが下がるとシリンダー内の圧力も下がるので、吸気ポート(吸気バルブで塞がれていた穴)から空気が気筒内に流れ込みます。それと同時に、インジェクターから燃料が噴射されて混合気となります。こうして、ピストンが下死点を迎えると吸気バルブが閉じられて吸気工程が終わります。圧縮工程では、ピストンが下死点から上死点へ向かう動きを利用し、混合気を圧縮します。圧縮された混合気は圧力の上昇に伴って温度も上昇します。ピストンが上死点を通過すると、点火プラグによって混合気が着火され燃焼工程に移ります。混合気の燃焼によって発生した熱は燃焼ガスを膨張させて、ピストンを下死点まで押し下げます。ピストンが下死点を迎えると排気工程となるので排気バルブが開き、ピストンは上昇しながら排気ガスを排気バルブへ放出します。これがガソリンエンジンの一連のサイクルになります。余談ですが、最近流行している直噴式ガソリンエンジンについて触れておきます。従来のポート噴射式はインジェクターが吸気ポートに燃料を噴射するのに対し、直噴式はインジェクターが直接気筒内に噴射します。ポート噴射式の場合、噴射された燃料がポート内の壁面や吸気バルブの裏側に付着することがあります。それが後に遅れて気筒内に侵入することがあるため、空燃比(燃料と空気の重量比)の変更に影響を及ぼすのでレスポンスが悪化します。一方、気筒内に直接燃料を噴射する直噴式の場合、空燃比の変更レスポンスにも優れ、より厳密にコントロールすることができます。また、ガソリンの気化熱でシリンダー内の温度を下げることができるのでノッキング防止にも繋がります(ノッキングは気筒内の異常高温によって引き起こされる着火以降の異常燃焼のこと)

ディーゼルエンジンの外観(トヨタ:1HZ)

ディーゼルエンジンの外観(トヨタ:1HZ)

では次にディーゼルエンジンについても見ていきましょう。

吸気工程
1.シリンダー内の蓋(これを吸気バルブという)が開く
2.シリンダー内の上死点にいるピストンが下降して空気が引き込まれる
3.ピストンが下死点に到達したら、吸気バルブを閉じる
圧縮工程
4.下死点にいるピストンが上昇し、空気を圧縮する
燃焼工程
5.上死点付近にピストンが来ると、インジェクターから燃料を噴射する
6.燃焼によって発生した燃焼ガスが膨張してピストンを押し下げる
排気工程
7.ピストンが下死点に到達すると、シリンダー内の別の蓋(排気バルブ)が開く
8.ピストンが上昇し、排気ガスを排出する

先述のように、大きな流れはガソリンエンジンと変わりません。まず、吸気工程では吸気バルブが開いてピストンが下がり、空気を吸い込みます。ただし、ガソリンエンジンではこの吸気工程で燃料も噴射し混合気として取り込みますが、ディーゼルエンジンは噴射を燃焼工程で行うので空気のみを吸い込みます。ここが、吸気工程における両エンジンの違いです。続く圧縮工程はガソリンエンジンと全く同じです。下死点から上死点へピストンが動くことを利用して、気筒内の空気を圧縮します。そしてピストンが上死点付近に移動すると、インジェクターから燃料が噴射されて空気と混ざり混合気になります。軽油はオクタン価が低いので、圧縮された空気の温度で混合気が自然発火して燃焼が始まります。オクタン価が高いガソリンを使用するために、着火の為の仕掛けが別で必要なガソリンエンジンとの大きな違いです。以降の流れはガソリンエンジンと同様で、燃焼ガスがピストンを押し下げ、下死点を迎えると排気バルブが開いて排気工程へと移ります。以上がディーゼルエンジンの動作工程となります。

まとめると、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンのカラクリにおける最大の違いは、インジェクターによる噴射時期になります。また、それに伴って圧縮工程における気体も異なり、これがガソリンエンジンとディーゼルエンジンそれぞれの特性の違いにも繋がります。

最後に、それぞれのエンジンの特性について簡単に解説します。ガソリンエンジンは高回転まで回すことができるがトルクが小さい事が特徴であり、対するディーゼルエンジンはトルクが大きいが回転数が低いという特徴を持っています。
一般的にトルクは車輪を前へ動かす力のことを指しますが、元を辿れば燃焼ガスがピストンを押す力によって決まります。この力は空気をより圧縮した方が強くなります。構造上、圧縮工程においてディーゼルエンジンは空気のみを圧縮するので、混合気を圧縮するガソリンエンジンと違いノッキングが発生しにくいため、より空気を圧縮することが出来ます。
そのため、ディーゼルエンジンはガソリンエンジンと比較してトルクが大きいのです。高回転については、ピストンの上下運動が高速になると気筒内に非常に細かな空気の渦が大量に生じるのですが、ガソリンエンジンではそれが燃焼の広がりを助けるのでノッキング防止に繋がるので高回転を可能にしています。しかし、ディーゼルエンジンでは空気中の渦によって空気と燃料が全体に混ざる前に混合気が出来てしまい、一気に燃焼を起こして振動が発生してしまいますーこれをディーゼルノックと言いますー 従って、ガソリンエンジンはディーゼルエンジンと比較して高回転が有利なのです。

ガソリンエンジンのクランクシャフト

ガソリンエンジンのクランクシャフト

自動車部の大事な予備エンジン

自動車部の大事な予備エンジン

今回のコラムではガソリンとディーゼルそれぞれのエンジンの動作に着目して解説を行いました。可能な限り専門用語を避けーあるいは注釈を入れー、自動車について分からない方にも理解しやすい文章を心がけたつもりですが、至らない点があれば申し訳ありません。
読者の方がエンジンに興味を持つきっかけになれば幸いです。

終わりに、エンジンの種類としてはこの他にロータリーエンジンが挙げられます。マツダが実用化に漕ぎ着けた、幻のエンジン。それについてはまたの機会に

(執筆:岐阜大学自動車部)

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