４ストロークエンジンの仕組み

４ストロークエンジンの仕組み

はじめに

自動車の原動力となる装置、エンジン。その中心的な存在である４行程エンジンについて詳しく見ていきましょう。 ４行程エンジンは、ピストンと呼ばれる部品がシリンダーと呼ばれる筒の中を上下に動くことで動力を生み出します。このピストンの上下運動は、クランクシャフトという部品によって回転運動に変換され、最終的に車輪を回す力となります。

４行程エンジンは、吸気、圧縮、膨張、排気という４つの行程を１つのサイクルとして繰り返します。まず、「吸気」の行程では、ピストンが下がることでシリンダー内に新鮮な空気と燃料の混合気が取り込まれます。次に、「圧縮」の行程では、ピストンが上昇し、混合気をぎゅっと圧縮します。この圧縮によって、次の行程で大きな力を生み出す準備が整います。そして、「膨張」の行程。圧縮された混合気に点火すると、爆発的に燃焼し、ピストンを勢いよく押し下げます。このピストンの動きこそが、エンジンの動力の源です。最後に、「排気」の行程では、ピストンが再び上昇し、燃えカスを外に押し出します。

このように、４行程エンジンは４つの行程を順に繰り返すことで、連続的に動力を発生させます。この一連の動作は、まるで生き物の呼吸のように規則正しく行われ、自動車をスムーズに走らせるための重要な役割を担っています。それぞれの行程がどのような仕組みで動いているのか、より深く理解することで、自動車の構造への理解も深まり、より一層自動車に興味を持つことができるでしょう。

吸気行程

自動車の心臓部であるエンジンは、いくつかの行程を繰り返すことで動力を生み出しています。その最初の段階が吸気行程です。この行程では、ピストンがシリンダー内を上から下へと移動します。ピストンはエンジンの内部で上下に動く部品で、この動きが動力の源となります。ピストンが下がる動きに合わせて、吸気バルブと呼ばれる部品が開きます。吸気バルブは、空気の通り道を開閉する扉のような役割を果たします。

バルブが開くと、外から新鮮な空気がエンジン内部へと吸い込まれます。ガソリンエンジンでは、この吸い込まれる空気の中に燃料であるガソリンが噴射され、空気とガソリンがしっかりと混ぜ合わさります。ディーゼルエンジンでは、空気のみが吸い込まれ、後の行程で燃料が噴射されます。こうしてシリンダー内には、燃焼に必要な混合気が満たされます。この混合気は、次の行程である圧縮行程で圧縮され、爆発するための準備が整えられます。

吸気バルブは、エンジンの状態に合わせて、開いている時間の長さを細かく調整されています。エンジンの回転数が速い時や、負荷が大きい時は、より多くの混合気が必要となるため、バルブの開いている時間が長くなります。逆に、回転数が低い時や、負荷が小さい時は、バルブの開いている時間が短くなります。

吸気バルブの開閉タイミングを精密に制御することで、エンジンは常に最適な量の混合気を吸い込み、効率よく動力を生み出すことができます。この吸気行程は、エンジンの性能を左右する重要な役割を担っており、その後の行程へと繋がる大切な一歩です。

圧縮行程

吸い込み作業が終わると、次は圧縮作業が始まります。これは、筒の中を上下に動く部品（ピストン）が、一番下から一番上へと移動することで行われます。ピストンが下から上へ上がっていく間、空気と燃料の混ざったものが入ってくる穴と、排気ガスが出ていく穴はどちらも閉じられています。そのため、筒の中の混合気は逃げ場がなくなり、体積が小さくなってギュッと押し縮められます。

この押し縮める作業を圧縮行程と呼びます。混合気をぎゅっと押し縮めると、温度と圧力が上がります。これは、自転車の空気入れを使ったことがある人なら分かるかもしれません。空気入れで空気を圧縮すると、ポンプ部分が熱くなりますよね。それと全く同じ原理です。

この温度と圧力が上がった状態が、次の行程である爆発を起こすためにとても重要です。ちょうど火打ち石を勢いよく打ち付けると火花が散るように、圧縮によって温度と圧力を高めておくことで、次の行程で小さな爆発を起こしやすくするのです。

どのくらい強く圧縮するかは、圧縮比という数値で表されます。これは、圧縮する前の体積と、圧縮した後の体積の比率で、この圧縮比がエンジンの力強さや燃費に大きく影響します。圧縮比が高いほど、力強いエンジンになりますが、あまり高くしすぎると、不具合が起きる可能性もあるので、エンジンの設計段階で最適な値が決められています。まるで料理をする時、材料の配合を調整するように、エンジンの圧縮比も、目的に合わせて細かく調整されているのです。

膨張行程

エンジン内部で力強い爆発が生まれる様子を想像してみてください。まず、ピストンによってぎゅうぎゅうに押し縮められた空気と燃料の混合気。そこに点火プラグから青い火花が飛び、瞬時に燃え広がります。この燃焼は、まるで小さな爆発のように、急激な温度と圧力の上昇をもたらします。この高温高圧のガスは、すごい勢いでピストンを押し下げようとします。ピストンは、この力に押されて、シリンダーの中を上から下へと勢いよく動きます。このピストンの上下運動が、クランクシャフトという部品に伝わります。クランクシャフトは、ピストンの上下運動を回転運動に変換する、エンジンの心臓部とも言える重要な部品です。この回転運動こそが、自動車を走らせるための動力の源です。ピストンが上にある状態を上死点、下にある状態を下死点と言い、ピストンが上死点から下死点へ移動する工程全体を、膨張行程と呼びます。膨張行程は、エンジンが実際に力を生み出す行程であり、エンジンの性能を決める上で最も重要な行程と言えます。この行程でどれだけの力を生み出せるかが、自動車の加速性能や燃費に直接影響します。力強い爆発が、スムーズな回転運動へと変換され、私たちの車を走らせている、その力強さと精密さを想像してみてください。

排気行程

自動車の心臓部であるエンジンは、まるで生き物のように規則正しく動いて力を生み出しています。その動きの肝となるのが、吸気、圧縮、爆発、そして排気の４つの行程です。この中で、排気行程は燃えカスを送り出す大切な役割を担っています。排気行程は、ピストンが下から上へと動く時に始まります。ちょうどピストンが動き始めた時、排気バルブと呼ばれる煙突の蓋のような部品が開きます。この排気バルブが開くことで、燃焼室で燃え終わったガスは、まるで煙突から煙が立ち上るように、シリンダーの外へと押し出されていきます。ピストンが上まで上がると、燃焼室に残っていたガスはほぼ全て外へ排出されます。この時、ピストンは燃えカスを一掃する掃除機の役割を果たしていると言えるでしょう。しかし、排気バルブの開閉時期は、エンジンの状態によって微妙に調整されています。エンジンの回転数が速い時や、自動車に大きな力が求められている時は、より多くのガスを早く排出する必要があります。そのため、バルブの開閉時期を調整することで、排気効率を高めているのです。このバルブの開閉時期の調整は、コンピューターによって精密に制御されており、まるで熟練の職人が呼吸を整えるかのように、エンジンの調子を最適な状態に保っています。排気行程が完了すると、エンジンは再び吸気行程へと移り、４つの行程を繰り返すことで、車を動かす力を生み出し続けます。一見単純な動きの繰り返しですが、それぞれの行程で様々な工夫が凝らされており、自動車の滑らかな走りを実現しているのです。

２ストロークエンジンとの比較

車の心臓部であるエンジンには、大きく分けて二つの種類があります。一つは二行程機関、もう一つは四行程機関です。この二つの違いを理解することは、車の性能や環境への影響を考える上で非常に重要です。

二行程機関は、その名の通り、ピストンの上下運動が二行程で一度の燃焼を行います。構造が単純であるため、部品点数が少なく、軽量かつコンパクトに作ることができます。また、同じ排気量であれば四行程機関に比べて高い出力を得られるという長所も持っています。しかし、燃焼行程と排気行程が重なるため、未燃焼の燃料や潤滑油が排気ガスに混ざってしまうという欠点があります。これが、独特の白い煙と匂いの原因であり、環境への負荷が大きいという問題につながっています。

一方、四行程機関は、ピストンが上下に四回動くことで一度の燃焼を行います。吸気、圧縮、燃焼、排気の各行程が独立しているため、二行程機関のように未燃焼の混合気が排出されることはありません。そのため、排気ガスはよりクリーンで、環境への影響が少ないと言えるでしょう。また、燃焼効率が高いため、燃費性能にも優れています。

環境規制の強化や燃費向上への要求が高まる中で、四行程機関は現在の自動車エンジンの主流となっています。二行程機関は、出力の高さや構造の単純さという利点はあるものの、環境性能の面で劣るため、現在では一部の小型バイクや農機具などに限られています。技術の進歩により、二行程機関の排気ガス浄化技術も開発されていますが、四行程機関の優位性は揺るぎないものとなっています。そのため、今後とも四行程機関が自動車エンジンの主流であり続けることは間違いないと言えるでしょう。

まとめ

自動車の心臓部とも言える動力源、４行程機関は、吸気、圧縮、膨張、排気の四つの段階を繰り返すことで動力を生み出します。まず吸気行程では、ピストンが下がりながら空気と燃料の混合気を燃焼室へと吸い込みます。この混合気の量はエンジンの出力に大きく影響し、アクセルペダルを踏む量で調整されます。次の圧縮行程では、ピストンが上昇し、混合気を燃焼室で圧縮します。圧縮することで、混合気が爆発しやすくなり、より大きな力を得ることができるのです。この圧縮比もエンジンの性能を左右する重要な要素です。そして膨張行程では、圧縮された混合気に点火プラグで点火します。爆発的に燃焼が進むことで、高温高圧のガスが発生し、ピストンを力強く押し下げます。これが自動車を動かすための力、すなわち動力の源となります。最後の排気行程では、ピストンが上昇しながら燃え残ったガスを排気管から外へ排出します。これらの四つの行程は、クランクシャフトの回転運動へと変換され、タイヤへと伝達されます。

四つの行程が正確に繰り返されるためには、吸気バルブと排気バルブの開閉が精密に制御されている必要があります。吸気バルブは吸気行程で開き、圧縮行程で閉じます。排気バルブは排気行程で開き、次の吸気行程まで閉じたままです。バルブタイミングと呼ばれるこの開閉のタイミングは、エンジンの出力特性や燃費に大きく影響します。また、各行程におけるピストンの動きは滑らかでなければなりません。そのため、エンジンオイルは摩擦を減らし、各部品を保護するために重要な役割を果たしています。定期的なオイル交換はエンジンを良好な状態に保つために欠かせません。

環境への配慮も四行程機関の重要な要素です。近年の四行程機関は、排出ガスを浄化する装置や燃費を向上させる技術が組み込まれており、環境負荷の低減に貢献しています。四行程機関は、これからも技術革新を続けながら、自動車の動力源として重要な役割を担っていくでしょう。