4ストロークエンジン

ニコラウス・オットーは食料品会社の行商人だった。旅の途中で、彼はベルギー人亡命者ジャン・ジョゼフ・エティエンヌ・ルノワールがパリで作った内燃機関に出会った。1860年、ルノワールは照明用ガスで4%の効率で動く複動式エンジンの開発に成功した。18 リットルのルノワールエンジンはわずか2馬力しか出せなかった。ルノワールエンジンは、パリでフィリップ・ルボン によって開発された石炭から作られた照明用ガスで動いていた。^{[ 2 ]}

1861年にルノワールエンジンのレプリカをテストした際、オットーは圧縮が燃料混合気に与える影響に気づいた。1862年、オットーはルノワールエンジンの効率と信頼性の低さを改善するエンジンの開発を試みた。彼は点火前に燃料混合気を圧縮するエンジンを作ろうとしたが、そのエンジンは数分も経たないうちに壊れてしまい、失敗に終わった。他の多くの技術者もこの問題の解決に取り組んだが、成功しなかった。^{[ 2 ]}

1864年、オットーとオイゲン・ランゲンは、最初の内燃機関製造会社であるNAオットー・アンド・シー（NAオットー・アンド・カンパニー）を設立しました。オットー・アンド・シーは同年、大気圧エンジンの開発に成功しました。^{[ 2 ]} 工場はスペースが足りなくなり、 1869年にドイツのドゥーツの町に移転し、そこで社名はドゥーツ・ガスモーターファブリークAG（ドゥーツ・ガスエンジン製造会社）に変更されました。^{[ 2 ]} 1872年、ゴットリープ・ダイムラーが技術部長、ヴィルヘルム・マイバッハがエンジン設計責任者となりました。ダイムラーは銃職人で、ルノワール・エンジンの開発に携わっていました。1876年までに、オットーとランゲンは、当時作られたどのエンジンよりもはるかに高い効率で燃焼前に燃料混合気を圧縮する最初の内燃機関の開発に成功しました。

ダイムラーとマイバッハはオットー社を退職し、1883年に最初の高速オットーエンジンを開発した。1885年には、オットーエンジンを搭載した最初の自動車を製造した。ダイムラー・ライトワーゲンは、ホットチューブ点火システムとリグロインと呼ばれる燃料を使用し、内燃機関で動く世界初の自動車となった。この自動車は、オットーの設計に基づいた4ストロークエンジンを使用していた。翌年、カール・ベンツは最初の自動車とされる4ストロークエンジン搭載の自動車を製造した。^{[ 3 ]}

1884年、当時ガスモーターファブリーク・ドゥーツ（GFD）として知られていたオットーの会社は、電気点火装置とキャブレターを開発した。1890年、ダイムラーとマイバッハはダイムラー・モトーレン・ゲゼルシャフトという会社を設立した。現在、その会社はダイムラー・ベンツである。

アトキンソンサイクルエンジンは、 1882年にジェームズ・アトキンソンによって発明された単行程内燃機関の一種です。アトキンソンサイクルは、出力密度を犠牲にして効率を高めるように設計されており、現代のハイブリッド電気自動車の一部にも使用されています。

オリジナルのアトキンソンサイクルピストンエンジンは、クランクシャフトの1回転で4ストロークサイクルの吸気、圧縮、燃焼、排気行程を実行できるように設計されており、オットーサイクルエンジンに関する特定の特許を侵害しないように設計されていました。^{[ 4 ]}

アトキンソンのクランクシャフト設計は独特であるため、膨張比と圧縮比が異なり、圧縮行程よりも長い動力行程を持つことで、従来のピストンエンジンよりも高い熱効率を実現できます。アトキンソンのオリジナル設計は歴史的な珍品に過ぎませんが、多くの現代のエンジンは、圧縮行程を短くし動力行程を長くする効果を生み出すために、従来とは異なるバルブタイミングを使用しており、アトキンソンサイクルがもたらす燃費向上を実現しています。 ^{[ 5 ]}

ディーゼルエンジンは、1876年のオットーサイクルエンジンの技術的な改良版です。オットーは1861年に、燃料混合気を点火前に圧縮することでエンジンの効率を高めることができると気づきましたが、ルドルフ・ディーゼルは、より重い燃料で稼働できる、より効率的なタイプのエンジンを開発したいと考えていました。ルノワールエンジン、オットー大気圧エンジン、オットー圧縮エンジン（いずれも1861年と1876年）は、照明用ガス（石炭ガス）で稼働するように設計されていました。オットーと同じ動機で、ディーゼルは、小規模な工業会社が独自の動力源を持つことで、大企業と競争できるエンジンを開発したいと考え、オットーと同様に、自治体の燃料供給に依存する必要性から解放されることを目指しました。オットーと同様に、シリンダー内に噴霧された燃料を自己着火できる高圧縮エンジンを開発するには10年以上かかりました。ディーゼルは最初のエンジンで、燃料と混合した空気噴霧を使用しました。

開発初期段階で、エンジンの1つが爆発し、ディーゼルは危うく命を落とすところだった。しかし彼は諦めず、1893年についに実用的なエンジンを完成させた。圧縮熱によって燃料に着火するこの高圧縮エンジンは、4ストローク式であれ2ストローク式であれ、現在ではディーゼルエンジンと呼ばれている。

4ストロークディーゼルエンジンは、数十年にわたり、ほとんどの大型用途で使用されてきました。このエンジンは、より多くのエネルギーを含み、精製工程が少なくて済む重質燃料を使用します。最も効率の良いオットーサイクルエンジンは、熱効率が30%近くに達します。

エンジンが発生できる最大出力は、吸入される空気の最大量によって決まります。ピストンエンジンが発生できる出力は、そのサイズ（シリンダー容積）、 2ストロークエンジンか4ストロークエンジンか、体積効率、損失、空燃比、燃料の発熱量、空気の酸素含有量、回転数（ RPM ）に関係します。回転数は最終的に材料の強度と潤滑によって制限されます。バルブ、ピストン、コネクティングロッドは、大きな加速力を受けます。エンジンの回転数が高い場合、物理的な破損やピストンリングのフラッターが発生し、出力損失やエンジンの破壊につながる可能性があります。ピストンリングのフラッターは、リングが収まっているピストン溝内で垂直方向に振動するときに発生します。リングのフラッターは、リングとシリンダー壁の間のシールを損ない、シリンダー圧力と出力の損失を引き起こします。エンジンが速く回転しすぎると、バルブスプリングがバルブを閉じるのに十分な速さで動作しません。これは一般的に「バルブフロート」と呼ばれ、ピストンとバルブが接触してエンジンに深刻な損傷を与える可能性があります。高速回転時には、ピストンとシリンダー壁の接触面の潤滑が劣化する傾向があります。そのため、産業用エンジンのピストン速度は約10m /sに制限されます。 

内燃機関は、平均して供給されたエネルギーの40～45%しか機械的仕事に変換できません。無駄になるエネルギーの大部分は、冷却材やフィンなどを通じて環境に放出される熱の形です。もし何らかの方法でこの廃熱を回収して機械エネルギーに変換できれば、サイクル全体の効率を向上させることで、エンジンの性能や燃費を向上させることができます。完全に無駄になる熱の6%だけでも回収できれば、エンジンの効率を大幅に向上させることができることがわかっています。^{[ 8 ]}

エンジン排気ガスから廃熱を回収し、それをさらに有効利用して仕事を取り出すとともに、排気ガス中の汚染物質を低減させる様々な方法が考案されてきた。ランキンサイクル、ターボチャージャー、熱電発電などは、廃熱回収システムとして非常に有効である。

ロッド・ストローク比とは、コネクティングロッドの長さとピストンのストローク長の比のことです。ロッドが長いほど、ピストンがシリンダー壁にかける横方向の圧力と応力が軽減され、エンジンの寿命が延びます。ただし、コスト、エンジンの高さ、重量も増加します。

「スクエアエンジン」とは、内径とストローク長が等しいエンジンのことである。内径がストローク長より大きいエンジンはオーバースクエアエンジンと呼ばれ、逆に内径がストローク長より小さいエンジンはアンダースクエアエンジンと呼ばれる。

バルブは通常、クランクシャフトの半分の速度で回転するカムシャフトによって作動します。カムシャフトには、その長さに沿って1本以上のカムシャフトがあり、それぞれが吸気行程または排気行程の適切な部分で1本以上のバルブを開くように設計されています。バルブとカムの間にあるタペットまたはロッカーアームは、カムが押してバルブを開く面です。多くのエンジンでは、図のように、シリンダー列（または各列）の「上」に1本以上のカムシャフトを使用し、各カムが平らなタペットを介してバルブを直接作動させます。他のエンジン設計では、カムシャフトはクランクケース内にあり、その場合、各カムは通常プッシュロッドに接触し、プッシュロッドがロッカーアームに接触してバルブを開きます。フラットヘッドエンジンの場合はプッシュロッドは不要です。オーバーヘッドカム設計は、カムとバルブ間の経路が最も直接的であるため、一般的にエンジンの回転数を上げることができます。

オットーエンジンの効率は約30%です。つまり、燃焼によって生成されたエネルギーの30%がエンジンの出力軸で有効な回転エネルギーに変換され、残りは廃熱、摩擦、およびエンジンの付属品によって失われます。^{[ 9 ]}廃熱として失われたエネルギーの一部を回収する方法はいくつかあります。ディーゼルエンジンでターボチャージャーを使用すると、吸気圧が上昇し、排気量を増やすのと同等の性能向上効果が得られるため、非常に効果的です。数十年前、マックトラック社は、廃熱を運動エネルギーに変換してエンジンのトランスミッションにフィードバックするタービンシステムを開発しました。2005年、BMWは、排気ガスのエネルギーの80%を回収し、オットーエンジンの効率を15%向上させるマックシステムに似た2段階熱回収システムであるターボスチーマーの開発を発表しました。 ^{[ 10 ]}対照的に、6ストロークエンジンは燃料消費量を最大40%削減できます。

現代のエンジンは、本来の効率よりもわずかに効率が低くなるように意図的に設計されていることが多い。これは、排気ガス再循環やスモッグやその他の大気汚染物質を低減する触媒コンバーターなどの排出ガス制御に必要なためである。効率の低下は、リーンバーン技術を使用するエンジン制御ユニットによって相殺される可能性がある。^{[ 11 ]}

米国では、企業平均燃費（CAFE）により、車両は現在の基準である25 mpg _{- US} (9.4 L/100 km、30.0 mpg _{- imp} )と比較して、平均34.9 mpg _{- US} (6.7 L/100 km、41.9 mpg _{- imp} )を達成しなければならないと義務付けられています。^{[ 12 ]}自動車メーカーが 2016 年までにこれらの基準を満たそうとするにつれ、従来の内燃機関(ICE) を設計する新しい方法を検討する必要があります。新しい義務を満たすために燃費を向上させる潜在的な解決策には、ピストンがクランクシャフトから最も遠い位置にあるとき (上死点として知られる) に点火することや、ミラーサイクルを適用することなどがあります。これらの再設計を組み合わせることで、燃料消費量とNOx排出量_を大幅に削減できます。