エンジンの仕組みについて

Question

車にあまり詳しくないので，質問させていただきます。

「スパーク点火エンジン」というものがあるそうですが，
その内部では何を行っているのでしょうか？

それと，ガソリン自体は液体燃料ですが，この液体をどのようにすると
「スパーク点火エンジン」を動かすことが可能になるのですか？
同様なことに，エンジンは液体燃料を，
「蒸発」or「燃焼」，どちらを行ってるのでしょうか？

いろいろ調べても専門用語が羅列してあり，いまいち分かり難かったです。
よろしくお願いします。

satakichi · Accepted Answer

液体状態のガソリンは、ベンチュリ効果を利用して霧状になります。
霧状のガソリンはエンジン内に送り込まれます。
エンジン内に送り込まれたガソリンはシリンダーによって圧縮されます。
圧縮された後、スパークプラグによって、点火され爆発します。
爆発したガソリンはその膨張によってシリンダを押し戻し、回転の力に変換します。
ベンチュリや、解説の補足は参考ＵＲＬを参照してください。

参考URL：http://www.jyose.pref.okayama.jp/nouki/ko237.htm

noname#2748 · Answer

電気点火式のエンジンということでしょう。エンジンの点火方式には電気火花（スパーク）で点火する方式、圧縮によって高温になった空気中に燃料を吹き込んで点火させる方式が一般的ですが、その他にもシリンダーヘッドの一部をバーナーなどで予熱（赤熱するまで）しておき、空気と燃料の混合気を吸入し圧縮して自然着火させる方式（焼玉エンジンなどと呼ばれる）もありましたが、点火の時期がコントロールしづらい事や始動が面倒なため現在では、ほとんど姿を消してしまいました。点火の時期の話が出たのでついでに書いておきますが、エンジンにおいて点火時期がその性能に与える影響は極めた大きく、この時期が適正でないと出力が低下するばかりではなく、ひどいときはエンジンを破壊することもあるほどです。実際の自動車用エンジンではエンジンの回転数や負荷状況に応じて点火のタイミングを最適なる様に自動的に変化させているものがほとんどです。このようなことを行うにも電気点火方式が有利であるためです。

電気点火式のエンジンといっても幾つかの種類がありますが、現在自動車に使用されているものは、そのほとんどが４ストロークサイクルのガソリンエンジンです。構造としては筒状のシリンダーとその内部を往復運動するピストン、ピストンはコンロッド（コネクティングロッド）によりクランクシャフトと結ばれています。また、シリンダー上部にはクランクシャフトの回転と同期する吸気・排気弁があります。これはピストンが２往復（クランクが２回転）する間に１回の燃焼が起こる方式で、まずピストンが下がるときに吸気弁が開き、シリンダー内部にガソリンと空気がちょうど良い具合に混ざった気体（混合気）を吸い込みます。混合気を吸い込んだところで、吸気・排気の両方の弁を閉じて圧縮していきます。圧縮がすんだ（正確には少し手前で）ところで電気火花によって点火します。点火された混合気は燃焼により高温・高圧の燃焼ガスになり、ピストンを強く押し出そうとしますが、このときの力がエンジンの発生する力の全てです。その後、ピストンが下がると、排気弁が開き内部の高温・高圧のガスがシリンダーから出て行きます。さらに、排気弁が開いたままでピストンが残りの排気ガスをシリンダーから押し出し、最初の状態に戻り繰り返します。このタイプのエンジンはクランクシャフトが２回転する間に力を発生させているのはピストンが燃焼ガスによって押されている１／２回転だけで、その他の行程では逆に力を消費しています。このままでは回転が一定せず（燃焼直後は早く圧縮している時に一番遅い）振動も激しいものになってしまうので、幾つかのシリンダーを組み合わせた多気筒のエンジンが用いられます。例えば、直列４気筒エンジンでは半回転に一度の燃焼が起こるようになり、スムーズで静かなエンジンになります。このときにクランクシャフトの角度をシリンダーごとに１８０°ずらし４個のシリンダーがちょうど半回転ごとに燃焼を起こすようにしています。この方式のエンジンは２輪車などでは多く見かける２ストロークサイクルエンジンに比べ構造が複雑で重くなる、排気量あたりの出力が低いなどの欠点はありますが、燃費が良い、排気ガスの浄化が容易である。広い回転数の範囲で使用に耐える出力を得られるなどの利点があるため、現在の自動車の主力になっています。私が知る限りでは２ストロークサイクルエンジンを搭載した四輪車は旧東ドイツのトラバントが最後だったと思います。電気火花点火エンジンでは極めてユニークな機構を持つ物としてロータリーエンジン（正しくはヴァンケル型ロータリーエンジン）があります。このエンジンのもっとも優れた点はピストンを使用するエンジン（レシプロケーティングエンジン）のような往復運動を伴はないということです。往復運動を伴うエンジンでは必ずピストンの運動はその方向が反転する位置で一旦停止した後に再度加速されるということを繰り返します。これには必ずエネルギーロスが発生することを意味します。これに比べロータリーエンジンでは運動の方向こそ変化しますが速度が０になることはありません。これは非常に優れた点ではありますが、その構造上の問題で高い効率を得るのが難しいこともあり、現在主流とはなっていませんが、小型軽量である、排気量あたりの出力が大きい（１３００ＣＣ程度で通常の４ストロークサイクルエンジンの２０００ＣＣに相当する出力）、振動の発生が少ない、高速回転が可能などの長所を生かし、スポーツタイプの車種では根強い人気があります。

燃料の供給に付いては、旧来はキャブレターという一種の霧吹きのような装置を使用して燃料を細かい霧状にして空気と混ぜ、吸気管内でガソリンの霧を蒸発（効率よく蒸発させるため、吸気管にはエンジン冷却水を循環させ加熱している事が多い）させ混合気にしていましたが、現在では商用車などの一部（現在でも２輪車では主力）を除き、電子制御式の燃料噴射装置が主力です。これは、燃料をポンプによって加圧しておき、インジェクターと呼ばれる電気式のノズルから吸気管内に噴射する方式です。エンジンが吸い込む空気の量や温度、」エンジンの回転数やエンジンの温度、アクセルの操作の具合や排気ガスの状態などを各部に取り付けたセンサーで電気信号に変えてコンピューターに入力し、その時に必要な燃料の量を計算します。計算した燃料の量になるようにインジェクターの弁を開ける時間を制御し適量の燃料と空気を混合しています。この方式では電子制御を行うことによりきめ細かな制御が可能になりハイパワーと経済性の両立が可能になります。エンジンの状態をセンサーにより常に監視しているため常に最適な状態の混合気を供給できるためです。例えばエンジンブレーキを使用している時はエンジンは力を発生する必要がないので、燃料の噴射を止めて節約したり、軽負荷（平らな道を巡航している場合など）ではガソリンの比率を下げて排気の浄化と燃費の向上を取っています。また、全力加速などでは最高の出力が得られるように空気とガソリンの率をガソリンが多くなる側に制御しています。アクセルを踏むときの動作が速いか遅いかなども検出して制御に使用しています。キャブレターではこのような細かな制御は不可能に近く高出力を要求するようなセッティングにすれば、燃費の悪化や排気ガスの汚染度が高くなることは避けられませんし、低回転時には燃料の供給過多によるエンジン不調なども引き起こします。逆に経済性に重点をおいたセッティングでは高出力は望めません。言うなれば、電子燃料噴射装置はセッティングの違う多数のキャブレターを最適の状況になるように切り替えて使うというような、離れ業をやってのける装置なのです。機構的に複雑で高価になるにもかかわらず多用されている理由がここにあります。現在ではこれをさらに進めて筒内噴射（三菱ＧＤＩ・日産ＮｅｏＤｉ・トヨタＤ４など）といい、空気だけを吸い込み圧縮し、高圧になったシリンダーの中に燃料を高圧で噴射する方式もあります。これによる利点は、非常に薄い混合気の燃焼を可能にすることができるので、排気ガスを減らすことができることと、比較的低い出力（通常の運転ではかなりの部分がこれにあたります）の時に燃費を削減できることです。電気点火方式では点火はプラグの電極間に飛ぶ火花によって行われるため、旧来の燃料供給方式のように外部で燃料と空気を混ぜてしまう方式ではあまり薄い（燃料が少ない）混合気では点火できない、または異常燃焼を引き起こす可能性があり実現できませんでした。ところが筒内噴射では、点火プラグ周辺にねらいを付けて燃料を噴射することにより、火花の飛ぶ部分には十分に濃い混合気を周りには非常に薄い混合気ということが可能になったのです。

最後に、タクシーなどで多用されているＬＰＧ（プロパンガス）燃料では液化されているＬＰＧタンクかヴェーパライザーという気化装置（エンジン温水で加熱しＬＰＧを気化し圧力調整する装置）を通した気体のプロパンガスと空気をミキシングチャンバーと呼ばれる装置で混合し燃焼させています。もともとが気体の燃料なので混合はきわめて容易です。

エンジンという機械は基本的な動作自体は簡単なのですが、細かな事象まで深く考えると非常に奥深い機械です。基本的な事柄を書くだけでもちょっとした本になりそうなくらい面白いものです。もし、興味がおありでしたら講談社よりブルーバックスシリーズで「エンジンのＡＢＣ」という本が出ています。とてもわかりやすい内容で、しかもかなり本質を付いているので、エンジンに興味のおありの方には勧めているのですが、ご一読してみてはいかがでしょう。

エンジンのＡＢＣ　ブルーバックス　Ｂ－１１２９
ＩＳＢＮ４－０６－２５７１２９－３（科）

kurio · Answer

>「スパーク点火エンジン」
これは普通のガソリンエンジンとは違うのでしょうか？

普通のガソリンのエンジンの場合、燃料を霧状にしたものをエンジン内に噴射し、その気体を圧縮してからスパークプラグを使って点火して爆発させます。
スパークプラグは火花を出す装置です。

エンジンの仕組みについて

液体状態のガソリンは、ベンチュリ効果を利用して霧状になります。

電気点火式のエンジンということでしょう。

>「スパーク点火エンジン」

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