4ストロークエンジン

4ストローク(または4 サイクル)エンジンは、ピストンがクランクシャフトを回転させながら 4 つの独立したストロークを実行する内燃(IC) エンジンです。ストロークとは、ピストンがシリンダーに沿っていずれかの方向に完全に移動することを意味します。4 つの独立したストロークは次のように呼ばれます。

1. 吸気: 誘導または吸引とも呼ばれます。ピストンのこのストロークは上死点 (TDC) で始まり、下死点 (BDC) で終わります。このストロークでは、ピストンが下向きの動きでシリンダー内に部分的な真空 (負圧) を発生させ、空気と燃料の混合物をシリンダー内に引き込む間、吸気バルブは開いた位置にある必要があります。
2. 圧縮: この行程は下死点 (BDC) または吸入行程の終わりで始まり、上死点 (TDC) で終わります。この行程では、ピストンは空気と燃料の混合物を圧縮して、パワー行程 (下記) 中の点火に備えます。この段階では、吸気バルブと排気バルブの両方が閉じています。
3. 燃焼: 動力または点火とも呼ばれます。これは、4 ストローク サイクルの 2 回目の回転の開始です。この時点で、クランクシャフトは 360 度回転を完了しています。ピストンが TDC (圧縮行程の終了) にある間に、圧縮された空気と燃料の混合物が点火プラグ(ガソリン エンジンの場合) または高圧縮によって発生した熱 (ディーゼル エンジンの場合) によって点火され、ピストンが強制的に BDC に戻ります。この行程により、エンジンからクランクシャフトを回転させる機械的な作業が発生します。
4. 排気: 出口とも呼ばれます。排気行程中、ピストンは排気バルブが開いた状態で再び BDC から TDC に戻ります。この動作により、使用済みの空気と燃料の混合気が排気ポートから排出されます。

4ストロークエンジンは、陸上の動力輸送用の最も一般的な内燃機関の設計であり、^[1]自動車、トラック、ディーゼル列車、軽飛行機、オートバイに使用されています。主要な代替設計は2ストロークサイクルです。^[1]

ニコラウス・オーガスト・オットーは食料品店の巡回セールスマンでした。旅行中、彼はパリでベルギー人移民ジャン・ジョセフ・エティエンヌ・ルノアが製造した内燃機関に出会いました。1860年、ルノアは効率4%で照明用ガスで稼働する複動式エンジンの開発に成功しました。18リットルのルノアエンジンはわずか2馬力しか出力しませんでした。ルノアエンジンは石炭から作られた照明用ガスで稼働していましたが、これはパリでフィリップ・ルボンが開発したものです。^[2]

1861年にレノアエンジンのレプリカをテストしているとき、オットーは圧縮が燃料充填量に与える影響に気付きました。1862年、オットーはレノアエンジンの効率と信頼性の低さを改善するエンジンを作ろうとしました。彼は点火前に燃料混合物を圧縮するエンジンを作ろうとしましたが、そのエンジンは数分以内に壊れてしまうため失敗しました。他の多くのエンジニアもこの問題を解決しようとしましたが、成功しませんでした。^[2]

1864年、オットーとオイゲン・ランゲンは世界初の内燃機関製造会社、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た。^[2] 工場はスペース不足となり、1869年にドイツのドゥーツに移転し、そこで会社はドゥーツ・ガスモトレンファブリックAG（ドゥーツ・ガスエンジン製造会社）に改名された。^[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った。ダイムラーはレノアエンジンの開発に携わった銃工だった。1876年までに、オットーとランゲンは、燃焼前に燃料混合物を圧縮する世界初の内燃機関の開発に成功し、それまでに作られたどのエンジンよりもはるかに高い効率を実現した。

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初の自動車を生産した。ダイムラー・ライトヴァーゲンは熱管点火システムとリグロインと呼ばれる燃料を使用し、世界初の内燃機関を搭載した車両となった。この車両はオットーの設計に基づく4ストロークエンジンを使用していた。翌年、カール・ベンツが4ストロークエンジン搭載の自動車を生産し、これが世界初の自動車とみなされている。^[3]

1884年、当時ガスモトレンファブリック・ドイツ（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ました。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ました。今日、その会社はダイムラー・ベンツです。

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本内燃エンジンの一種です。アトキンソンサイクルは、出力密度を犠牲にして効率性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アプリケーションの一部で使用されています。

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、4ストロークサイクルの吸気、圧縮、動力、排気の行程をクランクシャフトの1回転で実行できるようにし、オットーサイクルエンジンをカバーする特定の特許を侵害しないように設計されました。^[4]

アトキンソンの独特なクランクシャフト設計により、膨張比は圧縮比と異なり、圧縮行程よりも長いパワーストロークにより、エンジンは従来のピストンエンジンよりも高い熱効率を達成できます。アトキンソンの元の設計は歴史的な好奇心以上のものではありませんが、多くの現代のエンジンは、より短い圧縮行程/より長いパワーストロークの効果を生み出すために非標準的なバルブタイミングを使用して、アトキンソンサイクルが提供できる燃費の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である。オットーは1861年に、点火前に燃料混合物をまず圧縮することでエンジンの効率を高めることができることに気付いていたが、ルドルフ・ディーゼルは、はるかに重い燃料で動く、より効率的なタイプのエンジンの開発を望んだ。レノア、オットー大気圧、およびオットー圧縮エンジン（どちらも1861年と1876年）は、照明ガス（石炭ガス）で動くように設計された。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大企業と競争できるように独自の動力源を提供し、またオットーのように自治体の燃料供給に縛られる必要性から逃れられるエンジンを作りたかった。^[要出典]オットーと同様に、シリンダー内に噴射された燃料を自己発火させる高圧縮エンジンを製造するのに10年以上を要した。ディーゼルは最初のエンジンで燃料と組み合わせた空気噴霧を使用しました。

開発の初期段階で、エンジンの 1 つが破裂し、ディーゼルは危うく命を落とすところでした。彼は粘り強く取り組み、ついに 1893 年に成功したエンジンを開発しました。圧縮熱によって燃料に点火する高圧縮エンジンは、現在では 4 ストローク設計でも 2 ストローク設計でもディーゼル エンジンと呼ばれています。

4 ストローク ディーゼル エンジンは、何十年もの間、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、製造に精製の手間が少ない重質燃料を使用します。最も効率的なオットー サイクル エンジンは、熱効率が 30% 近くあります。^{[説明が必要]}

実際の4ストロークおよび2ストロークサイクルの熱力学解析は簡単な作業ではありません。しかし、空気標準の仮定[6]を利用すれば、解析は大幅に簡素化できます。その^結果得られるサイクルは、実際の動作条件に非常に近いオットーサイクルです。

エンジンの通常の動作中、空気/燃料混合物が圧縮されると、電気火花が発生して混合物に点火します。低回転数では、これは TDC (上死点) の近くで発生します。エンジンの回転数が上昇しても、火炎前面の速度は変化しないため、点火ポイントがサイクルの早い段階で進められ、パワー ストロークの開始前にチャージが燃焼するサイクルの割合が大きくなります。この利点は、さまざまなオットー エンジン設計に反映されています。大気圧 (非圧縮) エンジンは 12% の効率で動作しますが、圧縮チャージ エンジンの動作効率は約 30% です。

圧縮チャージエンジンの問題は、圧縮チャージの温度上昇により早期点火が発生する可能性があることです。これが間違ったタイミングで発生し、エネルギーが強すぎると、エンジンが損傷する可能性があります。石油の成分によって、引火点（燃料が自然発火する温度）が大きく異なります。エンジンと燃料の設計では、この点を考慮する必要があります。

圧縮された燃料混合物が早期に点火する傾向は、燃料の化学組成によって制限されます。エンジンのさまざまな性能レベルに対応するために、燃料にはいくつかのグレードがあります。燃料は、自己着火温度を変えるために変更されます。これを行うにはいくつかの方法があります。エンジンはより高い圧縮比で設計されているため、意図的な点火の前に燃料混合物がより高い温度に圧縮されるため、早期点火が発生する可能性が非常に高くなります。温度が高いほど、ガソリンなどの燃料がより効率的に蒸発し、圧縮エンジンの効率が向上します。圧縮比が高いということは、ピストンが動力を生み出すために押し出すことができる距離が長いことも意味します (これを膨張比と呼びます)。

特定の燃料のオクタン価は、燃料の自己着火に対する耐性の尺度です。数値的にオクタン価が高い燃料は、より高い圧縮比が可能になり、燃料からより多くのエネルギーを抽出し、そのエネルギーをより効率的に有用な仕事に変換しながら、同時に早期着火によるエンジンの損傷を防ぎます。オクタン価の高い燃料は、より高価でもあります。

現代の4ストロークエンジンの多くはガソリン直噴（GDI）を採用しています。ガソリン直噴エンジンでは、インジェクターノズルが燃焼室に突き出ています。直接燃料インジェクターは、ピストンが上端に近い圧縮行程中に、非常に高い圧力でガソリンをシリンダー内に噴射します。^[7]

ディーゼル エンジンは、その性質上、早期点火の心配はありません。懸念されるのは、燃焼を開始できるかどうかです。ディーゼル燃料がどの程度発火するかを表す指標は、セタン価と呼ばれます。ディーゼル燃料は揮発性が低いため、冷えた状態では始動が非常に困難になることがあります。冷えたディーゼル エンジンを始動するにはさまざまな技術が使用されますが、最も一般的なのはグロー プラグの使用です。

エンジンが生み出す最大出力は、吸入す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生み出す出力は、エンジンのサイズ（シリンダー容積）、2 ストローク エンジンか 4 ストローク設計か、容積効率、損失、空燃比、燃料の発熱量、空気中の酸素含有量、速度（ RPM）に関係します。速度は最終的には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 ロッドには激しい加速力が加わります。エンジン速度が高いと、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損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、リングがピストン溝内で垂直に振動するときに発生します。リングのフラッターにより、リングとシリンダー壁の間の密閉性が損なわれ、シリンダー圧力と出力が失われます。エンジンの回転が速すぎると、バルブ スプリングはバルブを閉じるのに十分速く動作できません。これは一般に「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重大な損傷を与える可能性があります。高速では、ピストン シリンダー壁のインターフェイスの潤滑が損なわれる傾向があります。これにより、産業用エンジンのピストン速度は約 10 m/s に制限されます。

エンジンの出力は、吸気（空気と燃料の混合気）と排気物質が、通常はシリンダー ヘッドにあるバルブ ポートをすばやく通過できるかどうかによって決まります。エンジンの出力を上げるには、鋳造欠陥などの吸排気経路の不規則性を取り除き、エア フロー ベンチを使用して、バルブ ポートの回転半径とバルブ シートの構成を変更して抵抗を減らすことができます。このプロセスはポート加工と呼ばれ、手作業またはCNCマシンで行うことができます。

内燃機関は、平均して、供給されたエネルギーの 40 ～ 45% しか機械的な仕事に変換できません。廃棄エネルギーの大部分は、冷却剤やフィンなどを通じて環境に放出される熱の形で発生します。何らかの方法で廃棄熱を捕捉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が向上し、エンジンの性能や燃費が向上します。廃棄される熱全体の 6% を回収するだけでも、エンジンの効率を大幅に向上できることがわかっています。^[8]

エンジンの排気から廃熱を抽出し、それを利用してさらに有用な作業を行い、同時に排気汚染物質を減らすための多くの方法が考案されてきました。ランキンサイクル、ターボチャージャー、熱電発電の使用は、廃熱回収システムとして非常に役立ちます。

エンジン出力を高める方法の 1 つは、シリンダーにより多くの空気を送り込み、各パワー ストロークでより多くのパワーを生み出すことです。これは、エンジンのクランクシャフトによって駆動されるスーパーチャージャーと呼ばれる空気圧縮装置を使用して行うことができます。

スーパーチャージャーは、排気量に応じて内燃エンジンの出力限界を高めます。スーパーチャージャーは常時作動しているのが一般的ですが、エンジン速度に応じて停止したり、さまざまな速度で作動させたりできる設計もあります。機械駆動のスーパーチャージャーには、出力の一部がスーパーチャージャーの駆動に使用され、高圧排気で電力が無駄になるという欠点があります。空気は 2 回圧縮されて燃焼で潜在的な体積が増えますが、膨張するのは 1 段階だけだからです。

ターボチャージャーは、タービンによってエンジンの排気ガスによって駆動されるスーパーチャージャーです。ターボチャージャーは、排出された排気ガスを利用するために車両の排気システムに組み込まれています。ターボチャージャーは、2 つの部分からなる高速タービン アセンブリで構成されており、片側は吸入空気を圧縮し、もう片側は排気ガスの流出によって駆動されます。

アイドリング時や低速から中速のときは、タービンは排気量が少ないためほとんどパワーを生み出さず、ターボチャージャーの効果もほとんどなく、エンジンはほぼ自然吸気で作動します。より大きなパワー出力が必要な場合は、エンジン速度とスロットル開度が上昇し、排気ガスがターボチャージャーのタービンを「スプールアップ」して通常よりも多くの空気を吸気マニホールドに圧縮し始めます。このように、このタービンの機能により、追加のパワー (および速度) が放出されます。

ターボチャージャーは、そうでなければ（ほとんど）無駄になる排気圧によって駆動されるため、より効率的なエンジン動作を可能にしますが、ターボラグと呼ばれる設計上の制限があります。ターボが有効な空気圧縮を開始する前に、エンジン回転数を急激に上げて圧力を高め、ターボを回転させる必要があるため、エンジン出力の増加はすぐには利用できません。吸入量が増えると排気量が増加し、ターボの回転が速まり、安定した高出力動作に達するまでこれが続きます。もう1つの難点は、排気圧が高くなると、排気ガスの熱がエンジンの機械部品に多く伝わることです。

ロッドストローク比は、コネクティングロッドの長さとピストンストロークの長さの比率です。ロッドが長いほど、シリンダー壁に対するピストンの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。また、コストとエンジンの高さと重量も増加します。

「スクエア エンジン」とは、ボア径がストローク長に等しいエンジンです。ボア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、逆にボア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 エンジンです。

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操作されます。カムシャフトには、長さに沿って一連のカムがあり、各カムは吸気または排気行程の適切な部分でバルブを開くように設計されています。バルブとカムの間のタペットは、カムがスライドしてバルブを開く接触面です。多くのエンジンは、図のようにシリンダーの列（または各列）の「上」に 1 つ以上のカムシャフトを使用し、各カムがフラット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と接触し、プッシュロッドはバルブを開くロッカーアームと接触します。または、フラットヘッドエンジンの場合はプッシュロッドは必要ありません。オーバーヘッドカム設計では、カムとバルブの間に最も直接的な経路が提供されるため、通常、エンジン速度を上げることができます。

バルブクリアランスとは、バルブが完全に閉じることを保証するバルブリフターとバルブステムの間の小さな隙間を指します。機械式バルブ調整機能を備えたエンジンでは、クリアランスが大きすぎるとバルブトレインからノイズが発生します。バルブクリアランスが小さすぎると、バルブが適切に閉じなくなる可能性があります。その結果、性能が低下し、排気バルブが過熱する可能性があります。通常、クリアランスは 20,000 マイル (32,000 km) ごとにフィラーゲージを使用して再調整する必要があります。

最新の量産エンジンのほとんどは、 バルブ トレイン コンポーネントの摩耗を自動的に補正するために油圧リフターを使用しています。エンジン オイルが汚れていると、リフターが故障する可能性があります。

オットーエンジンの効率は約30％です。言い換えると、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用な回転エネルギーに変換され、残りは廃熱、摩擦、エンジン付属品のために失われます。^[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にターボチャージャーを使用すると、吸入空気圧を高めることで非常に効果的であり、実際には排気量が大きい場合と同じパフォーマンスの向上が得られます。マックトラック社は数十年前、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年にBMWは、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、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％向上させました。 ^[10]対照的に、6ストロークエンジンは燃料消費を最大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作られていることが多い。これは、排気ガス再循環や触媒コンバータなどの排出制御に必要であり、スモッグやその他の大気汚染物質を削減する。効率の低下は、リーンバーン技術を使用したエンジン制御ユニットで相殺できる可能性がある。^[11]

米国では、企業平均燃費基準により、車両は平均34.9 mpg _‑US（6.7 L/100 km、41.9 mpg _‑imp）を達成することが義務付けられており、現在の基準は25 mpg _‑US（9.4 L/100 km、30.0 mpg _‑imp）です。^[12]自動車メーカーは2016年までにこれらの基準を満たすことを目指しており、従来の内燃機関（ICE）の新しい設計方法を検討する必要があります。新しい規制を満たすために燃費を向上させる可能性のある解決策としては、ピストンがクランクシャフトから最も離れた上死点の後で点火することや、ミラーサイクルを適用することなどがあります。これらを組み合わせることで、燃料消費量とNO _x排出量を大幅に削減できます。

• ハーデンバーグ、ホルスト O. (1999)。内燃機関の中世。自動車技術者協会 (SAE) 。ISBN 978-0-7680-0391-8。
• scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
• Cengel, Yunus A; Michael A Boles; Yaling He (2009)。熱力学 - 工学的アプローチ。Np。The McGraw Hill Companies。ISBN 978-7-121-08478-2。
• ベンソン、トム (2008 年 7 月 11 日)。「4 ストローク内燃エンジン」。p. アメリカ航空宇宙局。2011年5 月 5 日閲覧。

• 米国特許 194,047
• 4ストロークエンジンアニメーション
• 詳細なエンジンアニメーションは、2017年6月25日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 自動車エンジンの仕組み
• アニメーションエンジン、4 ストローク、4 ストローク エンジンの別の説明。
• CDX 電子教科書、自動車部品の動作を示すビデオ。
• 新しい4ストローク