内燃機関の構成部品

内燃機関にはさまざまなタイプがありますが、ある種の類似点があり、多くの共通するタイプのコンポーネントを共有しています。

内燃機関には、任意の数の燃焼室 (シリンダー) を含めることができます。1 から 12 までの数が一般的ですが、36 ( Lycoming R-7755 ) ものも使用されています。エンジンのシリンダーの数が多いと、2 つの潜在的な利点があります。1 つ目は、エンジンの排気量が大きくなり、個々の往復運動する質量が小さくなることです。つまり、各ピストンの質量が小さくなるため、ピストンが上下に動くことでエンジンが振動する傾向があるため、エンジンの動作がスムーズになります。同じサイズのシリンダーの数を 2 倍にすると、トルクと出力が 2 倍になります。ピストンの数を増やすと、エンジンの重量が増し、より多くのピストンがシリンダーの内側にこすりつけられるため、内部摩擦が大きくなる傾向があります。これにより、燃費が低下し、エンジンの出力がいくらか低下します。現代の自動車に搭載されているエンジンなど、現在の材料と技術を使用した高性能ガソリン エンジンの場合、シリンダー数が 10 または 12 程度になると、シリンダー数を増やすと全体的な性能と効率が低下するようです。ただし、フォルクスワーゲンのW16 エンジンなどの例外もあります。

• ほとんどの自動車エンジンには 4 から 8 つのシリンダーがあり、一部の高性能車には 10、12、さらには 16 のシリンダーがあり、一部の非常に小型の自動車やトラックには 2 または 3 のシリンダーがあります。以前は、DKWやSaab 92などの非常に大型の車には、2 シリンダーまたは 2 ストローク エンジンが搭載されていました。
• 星型 航空機エンジンには3～28個のシリンダーがあり、例としては小型のKinner B-5や大型のPratt & Whitney R-4360がある。大型のものは複数列で製造された。各列には奇数のシリンダーがあり、4ストロークエンジンの点火順序が均等になるようにするため、偶数は2列または4列エンジンを示す。これらのうち最大のものは36シリンダー（9シリンダーが4列）のLycoming R-7755であったが、生産には至らなかった。
• オートバイには通常 1 〜 4 つのシリンダーがあり、一部の高性能モデルには 6 つのシリンダーがあります。ただし、8、10、または 12 のシリンダーを備えた「新製品」も存在します。
• スノーモービルは通常1～4気筒で、2ストロークまたは4ストロークで、通常は直列構成ですが、V-4エンジンにもいくつかの新しいものがあります。
• チェーンソー、発電機、家庭用芝刈り機などの小型ポータブル機器は、ほとんどの場合 1 つのシリンダーを備えていますが、2 つのシリンダーを備えたチェーンソーも存在します。
• 大型のリバーシブル 2 サイクル船舶用ディーゼル機関車には、最低 3 個から 10 個以上のシリンダーがあります。貨物用ディーゼル機関車の場合、スペースの制限により、シリンダーの数は 12 個から 20 個程度です。これは、フルパワーで 40,000 時間以上稼働するエンジンでは、ピストンの平均速度が 30 フィート/秒未満に制限されるため、シリンダーが大きいほど kWh あたりのスペース (容積) が多く必要になるためです。

内燃機関の点火システムは、エンジンの種類と使用する燃料によって異なります。ガソリンエンジンは通常、正確にタイミングを合わせた火花によって点火され、ディーゼル エンジンは圧縮加熱によって点火されます。歴史的には、外炎および熱管システムが使用されていました (熱球エンジンを参照) 。

火花点火エンジンでは、点火プラグからの電気火花によって混合気が点火されます。点火プラグのタイミングは非常に正確に制御されています。ほぼすべてのガソリンエンジンがこのタイプです。ディーゼル エンジンのタイミングは、圧力ポンプとインジェクターによって正確に制御されます。点火プラグ間の通常のプラグ距離は 1 mm 離れており、通常の大気条件での電圧は 3000 V です。

点火は、圧縮行程中に空気が圧縮される際に発生する熱により、燃料/空気混合物の温度が自己発火温度を超えると発生します。圧縮点火エンジンの大部分はディーゼルで、空気が点火温度に達した後に燃料が空気と混合されます。この場合、タイミングは燃料噴射システムによって決まります。燃料コストよりも単純さと軽量さが重要な非常に小型のモデル エンジンでは、簡単に点火できる燃料 (灯油、エーテル、潤滑油の混合物) と調整可能な圧縮を使用して、始動時と運転時の点火タイミングを制御します。

往復動エンジンの場合、サイクル内で燃料と酸化剤の混合物が点火されるポイントは、ICE の効率と出力に直接影響します。理想化されたカルノー熱機関の熱力学によれば、燃焼の大部分が圧縮によって生じる高温、つまり上死点付近で起こる場合に、ICE は最も効率的です。火炎面の速度は、圧縮比、燃料混合物の温度、および燃料のオクタン価またはセタン価によって直接影響を受けます。混合気が希薄で混合圧力が低いほど燃焼が遅くなり、点火時期を早める必要があります。燃焼が衝撃波ではなく熱火炎面 (爆燃)によって広がることが重要です。衝撃波による燃焼の伝播はデトネーションと呼ばれ、エンジンではピンギングまたはエンジン ノッキングとも呼ばれます。

したがって、少なくともガソリン燃焼エンジンでは、点火時期は、高オクタン価燃料で効率を高める「遅角」点火と、使用する燃料での爆発を避ける「早角」点火の間の妥協点となる。このため、ゲイル・バンクスなどの高性能ディーゼル自動車の支持者は、

91オクタンガソリンでエアスロットルエンジンを運転できるのは、限界がある。言い換えれば、燃料であるガソリンが制限要因となっている。... ターボチャージャーはガソリンエンジンとディーゼルエンジンの両方に適用されているが、ガソリンエンジンでは、燃料のオクタン価が再び問題になる前に、限られたブーストしか追加できない。ディーゼルの場合、ブースト圧は基本的に無制限である。エンジンが物理的に耐えられる限りのブーストで運転することは、文字通り可能である。その結果、エンジン設計者は、ディーゼルは同等サイズのガソリンエンジンよりも大幅に高いパワーとトルクを実現できることに気付いた。^[1]

燃料は、空気中の酸素に対して表面積が大きいほど、より速く、より効率的に燃焼します。液体燃料は、燃料と空気の混合気を作るために霧化する必要があります。これは、従来、ガソリン エンジンではキャブレター、ディーゼル エンジンでは燃料噴射によって行われていました。現代のガソリン エンジンのほとんども、現在では燃料噴射を使用していますが、技術はまったく異なります。ディーゼルはエンジン サイクルの正確な時点で噴射する必要がありますが、ガソリン エンジンではそのような精度は必要ありません。ただし、ガソリンには潤滑性がないことから、インジェクター自体をより高度なものにする必要があります。

よりシンプルな往復動エンジンでは、シリンダーに燃料を供給するためにキャブレターが引き続き使用されています。自動車のキャブレター技術は非常に高度で精密なものになりましたが、1980 年代半ばからコストと柔軟性の面で燃料噴射に負けてしまいました。芝刈り機などの小型エンジンでは、シンプルな形のキャブレターが広く使用されており、小型バイクではより洗練された形のものが今でも使用されています。

自動車に使用される大型ガソリン エンジンは、ほとんどが燃料噴射システムに移行しています (ガソリン直噴を参照)。ディーゼル エンジンでは、噴射のタイミングによって燃焼が開始され、制御されるため、常に燃料噴射システムが使用されてきました。

オートガスエンジンは、燃料噴射システムまたはオープン ループまたはクローズド ループのキャブレターを使用します。

現在、ほとんどの内燃機関には燃料ポンプが必要です。ディーゼル エンジンは、燃焼室に直接タイミングを合わせて燃料を噴射する全機械式の精密ポンプ システムを使用しているため、燃焼室の圧力に打ち勝つために高い供給圧力が必要です。ガソリン燃料噴射は大気圧 (またはそれ以下) で吸気管に燃料を供給し、タイミングは関係ありません。これらのポンプは通常、電動で駆動されます。ガス タービン エンジンとロケット エンジンは電気システムを使用します。

ジェットエンジンやロケットエンジンなどの他の内燃機関では、衝突ジェット、ガス/液体せん断、プレバーナーなどのさまざまな燃料供給方法が採用されています。

固体ロケットなどの一部のエンジンでは燃焼室内に酸化剤がすでに含まれていますが、ほとんどの場合、燃焼を起こすには燃焼室に酸化剤を継続的に供給する必要があります。

ピストン エンジンで空気を使用すると、ピストンがチャンバーの容積を増やすと、空気が吸い込まれます。ただし、これにより、吸気バルブ間の圧力差は最大 1 気圧となり、エンジン速度が高い場合、結果として生じる空気の流れによって出力が制限される可能性があります。

スーパーチャージャーは、エンジンのシャフトで駆動されるコンプレッサーを使用して、エンジンのバルブを通して空気を強制的に送り込み、より高い流量を実現する「強制吸気」システムです。これらのシステムを使用すると、吸気バルブの最大絶対圧力は、通常、大気圧の約 2 倍以上になります。

ターボチャージャーは、エンジンからの排気ガスで稼働するガスタービンによってコンプレッサーが駆動される、別のタイプの強制誘導システムです。

ターボチャージャーとスーパーチャージャーは特に高高度で役立ち、航空機エンジンで頻繁に使用されます。

ダクトジェットエンジンは同じ基本システムを使用しますが、ピストンエンジンを避け、代わりにバーナーを使用します。

液体ロケットエンジンでは、酸化剤は液体の形で提供され、高圧（通常10～230バールまたは1～23 MPa）で燃焼室に送り込む必要があります。これは通常、ガスタービンで駆動する遠心ポンプ（ターボポンプと呼ばれる構成）を使用して実現されますが、圧力供給することもできます。

4 ストロークエンジンの場合、エンジンの主要部品には、クランクシャフト(紫)、コネクティング ロッド(オレンジ)、1 つ以上のカムシャフト(赤と青)、およびバルブが含まれます。2ストロークエンジンの場合、バルブ システムの代わりに、排気口と燃料入口のみがある場合があります。どちらのタイプのエンジンにも、1 つ以上のシリンダー (灰色と緑) があり、各シリンダーには、スパーク プラグ(濃い灰色、ガソリンエンジンのみ)、ピストン(黄色)、およびクランクピン(紫) があります。ピストンがシリンダーを上方向または下方向に 1 回掃引することを、ストロークといいます。空気と燃料の混合物がキャブレターまたは燃料インジェクターからシリンダー (ここで点火される) に渡った直後に発生する下向きのストロークも、パワー ストロークと呼ばれます。

ヴァンケルエンジンには、偏心シャフトの周りのエピトロコイド(8 の字型) チャンバー内を回転する三角形のローターがあります。動作の 4 つの段階 (吸気、圧縮、動力、排気) は、実質的に移動する可変容積チャンバー内で行われます。

すべての4 ストローク内燃エンジンは、燃焼室への燃料と空気の流入を制御するためにバルブを使用します。2ストロークエンジンは、ピストンによって覆われているシリンダー ボア内のポートと覆われていないポートを使用しますが、排気バルブなどのバリエーションもあります。

ピストン エンジンでは、バルブは燃料と空気の流入を許可する「吸気バルブ」と排気ガスを排出する「排気バルブ」に分けられます。各バルブはサイクルごとに 1 回開き、急激な加速を受けるバルブは、エンジンのクランクシャフトとともに回転するカムシャフト上で動くロッドによって通常開かれるスプリングによって閉じられた状態に保たれます。

連続燃焼エンジン (ピストン エンジンも同様) には通常、始動時と停止時に燃料や空気を取り込むために開閉するバルブがあります。一部のバルブはフェザー動作で流量を調整し、出力やエンジン速度も制御します。

内燃機関は、エンジンから排出される冷却された燃焼ガスを効果的に管理する必要があります。排気システムには、化学物質と騒音の両方の公害を制御するデバイスが組み込まれていることがよくあります。さらに、サイクリック燃焼エンジンの場合、排気システムは燃焼室の排出を改善するために頻繁に調整されます。ほとんどの排気システムには、熱に敏感な部品など、熱によって損傷を受ける可能性のある場所に熱が到達するのを防ぐシステムも備わっており、これは排気熱管理と呼ばれることがよくあります。

ジェット推進内燃エンジンの場合、「排気システム」は高速ノズルの形をとり、エンジンの推力を発生させ、エンジンの名前の由来となったガスの 平行ジェットを形成します。

燃焼により大量の熱が発生し、その一部はエンジンの壁に伝わります。エンジン本体の温度が高すぎると故障が発生します。エンジンが物理的に故障するか、使用されている潤滑剤が劣化してエンジンを保護できなくなります。潤滑剤は清潔でなければなりません。潤滑剤が汚れていると、エンジン内でスラッジが過剰に形成される可能性があります。

冷却システムでは通常、空気 (空冷) または液体 (通常は水) による冷却が採用されますが、一部の非常に高温のエンジン (特に一部のロケット エンジン) では放射冷却が使用されます。一部の高高度ロケット エンジンでは、壁が制御された方法で徐々に侵食されるアブレーション冷却が採用されています。特にロケットでは、燃料を使用してエンジンの固体部分を冷却する再生冷却が採用されています。

ピストンは往復動エンジンの部品です。シリンダー内に配置され、ピストンリングによって気密になっています。ピストンの目的は、シリンダー内の膨張ガスからの力をピストンロッドやコネクティングロッドを介してクランクシャフトに伝達することです。2ストローク エンジンでは、ピストンはシリンダー壁の ポートを開閉することでバルブとしても機能します。

ジェットエンジン形式の内燃機関には、推進ノズルが存在します。これは高温高圧の排気ガスを取り込み、膨張させて冷却します。排気ガスはノズルから非常に高速で排出され、推力を与えると同時に、エンジンからの流れを制限し、エンジンの残りの部分の圧力を上昇させて、排出される排気ガスの推力を高めます。

往復動型内燃エンジンのほとんどは、シャフトを回転させます。つまり、ピストンの直線運動を回転運動に変換する必要があります。これは通常、クランクシャフトによって実現されます。

フライホイールは、クランクに取り付けられたディスクまたはホイールで、回転エネルギーを蓄える慣性質量を形成します。シリンダーが 1 つだけのエンジンでは、フライホイールは、動力行程から次の圧縮行程にエネルギーを伝達するために不可欠です。フライホイールは、クランクの各回転で動力伝達をスムーズにするためにほとんどの往復エンジンに搭載されており、ほとんどの自動車エンジンにはスターター用のギア リングも取り付けられています。フライホイールの回転慣性により、最小無負荷速度が大幅に遅くなり、アイドリング時の滑らかさも向上します。フライホイールはシステムのバランス調整の一部も実行するため、それ自体ではバランスが崩れることがあります。ただし、ほとんどのエンジンでは、フライホイールにニュートラル バランスが使用され、別の操作でバランス調整できるようになります。フライホイールは、ほとんどの自動車用途でクラッチまたはトルク コンバーターの取り付けにも使用されます。

すべての内燃エンジンは、作動させるために何らかのシステムを必要とする。ほとんどのピストンエンジンは、他の電気システムを動かすのと同じバッテリーで動くスターターモーターを使用する。大型ジェットエンジンとガスタービンは、エンジンのドライブシャフトの1つにギア接続された圧縮空気モーターで始動する。圧縮空気は、別のエンジン、地上のユニット、または航空機のAPUから供給できる。小型の内燃エンジンは、多くの場合、プルコードで始動する。あらゆるサイズのオートバイは伝統的にキックスタートだったが、現在では最小サイズを除いてすべて電動スタートになっている。大型の定置型エンジンと船舶用エンジンは、圧縮空気をシリンダー内に時間指定で注入することで始動できるが、カートリッジを使用することもある。ジャンプスタートは別のバッテリーからの支援（通常は取り付けられたバッテリーが放電した場合）を指し、バンプスタートは坂を転がり降りするなど、何らかの外力を加えることで始動する代替方法を指す。

これらのシステムは、多くの場合、エンジン冷却システムや排気システムと組み合わせて機能します。熱シールドは、エンジンの熱が熱に弱い部品に損傷を与えないようにするために必要です。古い車のほとんどは、熱放射と対流を減らすために単純な鋼鉄製の熱シールドを使用しています。現代の車では、密度が低く、成形が容易で、鋼鉄のように腐食しないアルミニウム製の熱シールドを使用するのが一般的です。高性能の車両では、はるかに高い温度に耐えることができ、熱伝達をさらに減らすことができるセラミック製の熱シールドが使用され始めています。

内燃機関は、作動中に可動部品が互いにスムーズにスライドするように潤滑が必要です。潤滑が不十分だと、エンジン部品の金属同士の接触、摩擦、熱の蓄積、急速な摩耗が発生し、最終的にはシリンダー内のピストンなどの部品が摩擦溶接されることになります。ビッグエンドベアリングが固着すると、コネクティングロッドが破損し、クランクケースから突き出る ことがあります。

潤滑システムには数種類の異なるタイプが使用されています。単純な 2 ストローク エンジンは、燃料に混ぜたオイル、または噴霧として吸気流に注入したオイルで潤滑されます。初期の低速定置エンジンと船舶用エンジンは、当時の蒸気エンジンで使用されていたものと同様の小さなチャンバーから重力で潤滑されていました。必要に応じて、エンジン テンダーがこれらのチャンバーにオイルを補充していました。エンジンが自動車や航空機での使用に適合されると、高い出力対重量比の必要性から、速度の増加、温度の上昇、およびベアリングへの圧力の上昇がもたらされ、その結果、クランクベアリングとコネクティング ロッド ジャーナルの圧力潤滑が必要になりました。これは、ポンプからの直接潤滑、またはコネクティング ロッド端のピックアップ カップに向けたオイルのジェットによる間接潤滑によって提供され、エンジン速度の上昇に応じて圧力が高くなるという利点がありました。

ほとんどのエンジンには、エンジンの始動と停止、出力、速度、トルク、汚染、燃焼温度、効率などのパラメータの制御、および過早着火などの自己損傷を引き起こす可能性のある動作モードからエンジンを安定させるための 1 つ以上のシステムが必要です。このようなシステムは、エンジン制御ユニットと呼ばれることがあります。

今日の多くの制御システムはデジタル化されており、FADEC (Full Authority Digital Electronic Control) システムと呼ばれることがよくあります。

エンジンオンボード診断（ OBDとも呼ばれる）は、車両の動力装置の電子診断を可能にするコンピュータ化されたシステムです。OBD1として知られる第1世代は、1970年に米国議会が大気浄化法を可決した10年後に、車両の燃料噴射システムを監視する方法として導入されました。コンピュータ化されたオンボード診断の第2世代であるOBD2は、1994年にカリフォルニア大気資源局によって成文化され推奨され、1996年以降、米国で販売されるすべての車両に搭載が義務付けられました。また、すべての車で実施されています。

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