内燃機関（エンジン）の不思議

Question

いつも思っていたことですが、例えば４サイクルでは吸入・圧縮・点火・排気という一連の工程を行いクランクシャフトを回転させていますよね。
時速１００キロ以上にもなるとその工程はものすごい速さだと思います。４サイクルの正確な順序立てた工程がものすごいスピードで行われているのでしょうか？（勿論そうなのでしょうけれど）
例えば、モーターなら電磁石のＮとＳが入れ替わり永久磁石との引き合い・反発なので高速回転でも容易に理解出来るのですが、ことエンジンとなると信じられません。（といっても毎日、乗っている車がトラブルも無くまさにそうなのですが・・・）よろしければ御教示ください。

Mokuzo100nenn · Accepted Answer

ものすごい速さってことも無くて、丁度良い速さなんですよ。

例えば、6,000rpmのガソリンエンジンの場合、一秒に100回転ですから、ピストンが上死点から下死点まで0.005秒ですよね。
これが気化したガソリンに着火して、火焔が全体に行き渡るのに丁度良い速さなんです。
シリンダー容積を小さくして（多気筒化し）、思い切り早期着火をしてもF1レースカーの12,000rpmぐらいが限界です。

ですから、現在の自動車エンジン程度のシリンダー容積の内燃機関を20,000rpmで回せるかと言うと「それは無理です」という領域に入ってきますね。
一方、燃料の燃焼を伴わない電気モーターなら30,000rpmでも40,000rpmでも可能ですから、そこにはちゃんと内燃機関の限界がありますよ。

foomufoomu · Answer

ちょっと計算してみましょう。
エンジンの回転数ｆ=6000rpm=100回転/sec 行程距離L=150mm=0.15m　、ピストンの運動はSin曲線を描いて動いているとすると、ピストン運動の最大速度ｖは
v=2π(L/2)f　なので、2*3.14*0.15/2*100=47.1m/sec
となります。
流体では音速がひとつの壁になっていて、これを超えると衝撃波が発生したり、部分的に真空ができたりして、スムースな気流ができなくなりますが、47.1m/sec はまだまだ音速の340m/sec（高圧下ではもっと大きくなる）よりずっと小さいので、十分問題ない範囲であることがわかります。

BASKETMM · Answer

手元に正確なデータがないので、考え方だけを書きます。
エンジンが作動するための必要条件は：
１．機械的に破損しないで機能する。摩耗や遠心力。
２．点火などの化学変化が設計通り行く。電気系統も関与する。
３．空気や燃料の流れが円滑に行く

第一点は各瞬間の力を計算し、かつ耐久性を考えればよいので、何とかなりそうです。
第二点は化学反応、電気制御などですから、高速は得意な分野です。

そこで、第三点を取り上げます。
エンジンの中ではピストンが上下しています。どのくらいの速度かというと
ストローク（行程）ｘ回転数ｘ２です。（二倍したのはピストンが上がる行程と下がる行程があるから）
エンジンには小さいオートバイエンジン、中間の自動車エンジン、大型タンカーなどの巨大な舶用エンジンがありますが、ストロークの小さいエンジンは回転数が高く、巨大エンジンは回転数が低いので、ピストン速度はそれほど変わりません。

エンジンは空気を吸い込まなくては働きませんが、吸い込み速度はピストン速度と、桁としては同じ程度です。別に音速を超える訳ではありません。従って、高速走行中の自動車エンジンで、吸排気がうまく作動していても、それほど驚く必要はなさそうです。

komaas88 · Answer

ＮＯ．５です。
どうも質問者様との思いの乖離を感じているのですが、私自身はエンジンというものが不思議だとは思っていません。エンジンメカニズムというものは多くのわれわれと同じ人間たちが思いつき、１００年かけて改良してきたもので、ひとことでいうと、一旦動き始めるとうまく継続的に回転し続けるように、それぞれの部分がしっかり機械的に連動する構造になっているので、いくら速く回そうと、いくらでもそれに追従できるように工夫されているということです。その構造にあいまいなところはありません。ここでもかかれてありますが、強いてあげれば弁を上下させるばねくらいがちょっといい加減なだけで、ほとんどががっしりしたリンク装置とカムで構成されてあり、誰デモ実際にその模型を見ればすんなり理解できるような、基本的には単純なものです。
目では確認できない電気モーターのほうが逆に（単純そうではあっても）むづかしいといえるのではないでしょうか。

私が疑問に思っていることは、むしろ、どんなにコスト無視でつくっても、結局Ｆ１レベルのエンジンですら２万回転/分　で頭打ちになってしまうらしいということです。ロングストロークは今ははやりませんが、たとえそうであっても爆発スピードと回転数の連関でいけば、まだまだ音速には程遠いので、限界回転数というものが何で存在するのか、このあたりのことが知りたいですね。

fxq11011 · Answer

目に見える物の動きと目に見えない物の動きの違いで、目に見える物については質量による慣性の存在を無意識のうちに感じているためです。
確かに、馬力を上げる最も手っとり早い、回転数を方法では爆発燃焼で膨張するガスの速度よりピストンの速度が速くなるため、ロングストロークでは限界があるそうです。
目に見える物の変化、移動には必ず時間がかかるものですね。

funflier · Answer

＞４サイクルの正確な順序立てた工程がものすごいスピードで行われているのでしょうか？
答えとしてはそうです、としか言い様がありませんが、実用一般車よりレーシングエンジンなら
もっとすごいです。Ｆ-１マシンのエンジンなら１００００～１６０００回転／分（ｒ.ｐ.ｍ.）でも
常用域で、スペック上の最高であればもっと回ります。もっともここまでくると、バルブスプリングが
速さについて来れなくなるのでバネでは無く窒素ガスでバルブ駆動したり、高回転主眼の軸受けで
あるため逆に低回転では使えないとか、なによりオイル交換さえしていれば黙って何万ｋｍも
走れる一般用と違って、３００ｋｍや２時間程度の走行に耐えるのが限界に近い（逆にレース
だけ持てばそれでいい）、といった普通のものとは別の世界です。

ラジコン等に使う模型エンジンの話をすれば、飛行機やヘリに使うエンジンの多くは２サイクル
で２００００ｒｐｍ近くは回り、実際飛んでいるラジコンヘリのエンジンは常時１５０００ｒｐｍ以上
は回っています。４サイクルでも最高１００００ｒｐｍ位で、平均的な実車の倍程度回ります。
さらにラジコンカーやボート用ではスペック上最高３００００～４００００ｒｐｍというのも当たり前に
なっています。
これ程回りますので、発生馬力比較をかなり乱暴に言うと（もともと主成分がアルコールで燃料
にニトロ系添加剤を使っている、遥かに小さいサイズといった違いもあるのですが）、普通のラジ
コンヘリ用２サイクルで３.５リットルＮＡ時代のＦ-１エンジンと同程度であり、排気量あたりの出力
は２００馬力／リットル以上となります。

こんなにも高回転で回って行程（サイクル）が実際に行われ、しかも実用に耐えている、というの
は改めて不思議と言えば確かに不思議です。しかし現実にそれだけの速さで空気が吸入された
り膨張したり、エンジン各部は回転・往復運動をしている訳です。

ayzm · Answer

先ずは間違いから、エンジン回転数とスピード速度とはべつもの、スピードはミッションで変えます。
エンジンの回転数は、アイドリング回転数からエンジン性能回転数まで（レッドゾーン以内）だけしか回しません。
スピードは、ミッションのギアー比で変わります、だからMT車は３段～６段のシフトレバーは乗用車は普通です。
私は、ふく変速機つきの１４段を乗ったことがありますが、飛び飛びで使いますから６段シフトで使います。

本題のエンジン回転数ですが、ガソリン車は２千回転～８千回転で使うのが通常です、ジーゼル車は５百回転～３千回転で使うのが通常です。

ガソリン車で４気筒で４千回転でいちばん力が出る回転数で話します。
一分間で４千回転、吸入・圧縮」・点火・排気をクランクが２回転で一工程をこなしますから、点火だけを見れば一回転おきに点火します、２千回点火するだけです、それを吸入・圧縮・排気が同じに遣っているだけです。

そこから、エンジンの使い方で単気筒～多気筒・ショートストローク～ロングストローク・SOHC～DOHCなどといろんなエンジンがあります。其の工程を安定して回し性能のいいエンジンを見つけるためと確認するテストのために、各種レースがあります。

レース予選は、各社のテスト走行のために走ります、それがメーカー所属のドライバーです。
タイヤメーカー・各種オイルメーカー等々、メーカーステッカーを貼っていいるのは、自分の商品のテストをしてもらうためにスポンサーになってお金を出しています。
トップレーサーほど、予選のときはピットインするたびに、マシンの性能が変わります。それでもトップをキープするからスポンサーがお金を出してもテストをしてもらいます。

demio · Answer

５０ｃｃの原付でも分解すればわかりますがタイヤとチェーンとギアでつながってクランクが回ってピントンが往復するのがわかりますから時速３０キロでもタイヤが回っているのでピントンも動いているはずです、手でタイヤを回すぐらいの速さでもピストンは早く往復しますから実際に走っているときは凄い速さであることは想像できます。原付のピストンはほんの小さな物で一つだけで人を乗せて走れるのですから、不思議なものです。
昔の空冷2サイクルエンジンはシリンダーヘッドがすぐに外せましたから、実際にピストンが動くのを見るのは簡単でしたが今の4サイクルのスクータになって実際にエンジンの外観をみることも少なくなったのでブラックボックス的になってしまいました、4輪車だとボンネットを開けてもどれがエンジンかすら見えなくなっていますｌ。

本の図解でみるよりもエンジンの現物を分解するのが一番わかるのですが何でも便利に複雑になりすぎて原理がわかりにくくなってきました、構造がわかっていると、１００ｋで走っていて、あのピントンがもしも今割れたらどうなだろうか、シャフトが折れたらどうなるかと考えるとむちゃくちゃな走り方はしなくなります

eniguma98 · Answer

No.4です。
ガソリンエンジンの駆動の仕組みを分り易く表すなら「石油発動機」を
見ればよりよく分かります。
たまに焼玉機関と混同されて解釈されていますが点火方式、燃料など
が異なります、石油発動機はガソリン(ケロシン)を燃油としガソリン
エンジンと基本構造がほぼ共通しています。
ただ各種部品の精度は現代の自動車用ガソリンエンジンから比べれば
多少甘い物がありますし元々エンジンそのものの回転数が低いので
動き方がよくわかります、だからこそ教材にもなるのですが。

ガソリンエンジンの場合使っている燃料のオクタン価が高いので
より高圧で圧縮でき爆発力も上げられ回転数も上げられるので高効率
を得られますが動作も瞬間的になるので実感が得にくいのでしょう。
最も職人というか経験を積んだ技術者や整備士の方であれば振動だけで
エンジンの状態をかなり正確に把握する方もおられます。

komaas88 · Answer

結局、ガス爆発のエネルギーがピストンを押し広げる力を利用してあれだけの速い動きを可能にしているのでしょう。クランク軸そのものは昔は手と腕で直接回転できるほど軽いトルクで動かせるほどの機械（これもなかなかよく出来た機構、精度なのでしょうが）なので、ひとつの問題はガス爆発の膨張の速さがどこまで加速できる能力なのかということです。基本的に空気の動きは爆発時も音速が限度です。ピストンのストロークがたとえば１００ｍｍとして１回転２００ｍｍ、１００００回転/分ではおおざっぱにいって３０ｍ/秒　くらいの速さで動かねばならないことになりますが物理的には充分追従できる、まだまだあげられるということになります。ホンダエンジンはストロークを小さく（５０ｍｍ以下）して高回転（１５０００/分くらい）にしているようですが、それでもピストんの速さは平均２３ｍくらいだそうです。要は機械の精度と耐久性がそのあたりで限度に来ているのだと思います。

内燃機関（エンジン）の不思議

ものすごい速さってことも無くて、丁度良い速さなんですよ。

ちょっと計算してみましょう。

手元に正確なデータがないので、考え方だけを書きます。

ＮＯ．５です。

目に見える物の動きと目に見えない物の動きの違いで、目に見える物については質量による慣性の存在を無意識のうちに感じているためです。

＞４サイクルの正確な順序立てた工程がものすごいスピードで行われているのでしょうか？

先ずは間違いから、エンジン回転数とスピード速度とはべつもの、スピードはミッションで変えます。

この回答への補足

No.4です。

結局、ガス爆発のエネルギーがピストンを押し広げる力を利用してあれだけの速い動きを可能にしているのでしょう。

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