This article needs additional citations for verification. (July 2010) |
内燃機関には多種多様な種類がありますが、ある種の類似性があり、多くの共通した種類の部品を共有しています。
燃焼室
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、1から12までの数が一般的ですが、36（ライカミングR-7755 ）のものも使用されていますエンジンのシリンダー数を増やすと、2 つの潜在的な利点があります。1 つ目は、個々の往復運動する質量が小さくてもエンジンの排気量を大きくできる、つまり各ピストンの質量を小さくできるため、ピストンの上下運動によってエンジンが振動する傾向があるため、エンジンの回転がスムーズになることです。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。ピストン数を増やすことの欠点は、エンジンの重量が増加し、より多くのピストンがシリンダーの内側に擦れるため、内部摩擦が増加する傾向があることです。これにより、燃費が低下し、エンジンの出力が一部奪われる傾向があります。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、シリンダーの追加がパフォーマンスと効率に全体的に悪影響を与えるようになります。ただし、フォルクスワーゲンのW16 エンジンなどの例外も存在します。
- ほとんどの自動車エンジンは4～8気筒ですが、高性能車の中には10、12、さらには16気筒のものもあり、非常に小型の車やトラックの中には2～3気筒のものもあります。以前は、DKWやサーブ92などのかなり大型の車には、2気筒または2ストロークエンジンが搭載されていました
- 星型 航空機エンジンは3気筒から28気筒まで様々で、小型のキナーB-5や大型のプラット・アンド・ホイットニーR-4360などがその例です。大型のものは複数列で製造されました。4ストロークエンジンの点火順序を均一にするため、各列のシリンダー数は奇数で、偶数は2列または4列エンジンを意味します。これらのエンジンの中で最大のものは、36気筒（9気筒×4列）のライカミングR-7755でしたが、生産には至りませんでした。
- オートバイは一般的に1～4気筒ですが、高性能モデルの中には6気筒のものもいくつかあります。ただし、8気筒、10気筒、または12気筒の「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。ただし、V4エンジンを搭載した新製品もいくつかあります。
- 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、1気筒が最も一般的ですが、2気筒の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エンジンは、最低でも3気筒から10気筒以上です。貨物用ディーゼル機関車は、スペースの制限により、通常12～20気筒程度です。これは、エンジンがフルパワーで40,000時間以上稼働する場合、平均ピストン速度が毎秒30フィート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。
点火システム
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、外炎式とホットチューブ式が使用されていました（ホットバルブエンジンを参照）。
火花
火花点火エンジンでは、混合気は点火プラグからの電気火花によって点火されます。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。ほとんどすべてのガソリンエンジンはこのタイプです。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間隔は1mmで、通常の大気条件下では電圧は3000Vです。
圧縮
点火は、圧縮行程中の空気の圧縮によって発生する熱により、混合気の温度が自然発火温度を超えると発生します。圧縮着火エンジンの大部分はディーゼルエンジンで、空気が発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。燃料費よりもシンプルさと軽量さが重要な超小型模型エンジンでは、容易に発火する燃料（灯油、エーテル、潤滑油の混合物）と調整可能な圧縮比を使用して、始動時と運転時の点火時期を制御します。
点火時期
往復エンジンの場合、サイクルの中で燃料と酸化剤の混合物に点火するポイントが、内燃機関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、内燃機関の効率が最も高くなります。火炎面の速度は、圧縮比、燃料混合物の温度、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、点火時期を進角させる必要があります。燃焼が衝撃波ではなく、熱火炎面 (デフラグレーション)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エンジンでは、点火時期は、高オクタン価燃料でより高い効率をもたらす「遅角」点火と、使用する燃料でのデトネーションを回避する「進角」点火との間の妥協点となることがほとんどです。このため、ゲイル ・バンクスのような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は、エアスロットルエンジンでできることには限界があります。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のです。…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ますが、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加えることができません。ディーゼルエンジンの場合、ブースト圧は実質的に無制限です。文字通り、エンジンが物理的に耐えられるだけのブーストで動作させることが可能です。その結果、エンジン設計者は、ディーゼルエンジンは同サイズのガソリンエンジンよりも大幅に高い出力とトルクを実現できることに気付きました。[1]
燃料システム
燃料は、空気中の酸素に対して大きな表面積を呈すると、より速く、より効率的に燃焼します。液体燃料は、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は、現在では燃料噴射も使用していますが、技術は全く異なります。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。しかし、ガソリンは潤滑性が低いため、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。
キャブレター
よりシンプルなレシプロエンジンは、シリンダーへの燃料供給にキャブレターを使用し続けています。自動車のキャブレター技術は非常に高度で高精度でしたが、1980年代半ば以降、コストと柔軟性の面で燃料噴射に取って代わられました。芝刈り機などの小型エンジンでは、シンプルな形状のキャブレターが広く使用されており、小型オートバイではより洗練された形状のキャブレターが今でも使用されています。
燃料噴射
自動車で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を使用しています。
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。
燃料ポンプ
現在、ほとんどの内燃機関は燃料ポンプを必要とします。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、燃焼室の圧力を克服するために高い吐出圧力が必要です。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、電気で駆動されます。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ています。
その他
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、予燃焼器など、さまざまな燃料供給方法が採用されています。
酸化剤-空気吸気システム
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既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。
自然吸気エンジン
ピストンエンジンで空気を使用する場合、ピストンがチャンバーの容積を増加させると、空気は単純に吸い込まれます。しかし、これにより吸気バルブ間の圧力差は最大1気圧となり、エンジン回転数が高い場合、結果として生じる空気流によって潜在的な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とターボチャージャー
スーパーチャージャーは、エンジンシャフトで駆動されるコンプレッサーを使用して空気をエンジンバルブに強制的に送り込み、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、吸気バルブにおける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を動力源とするガスタービンによってコンプレッサーを駆動する、別のタイプの強制吸気システムです。
ターボチャージャーとスーパーチャージャーは、特に高高度で有用であり、 航空機エンジンで頻繁に使用されています
ダクトジェットエンジンは同じ基本システムを使用していますが、ピストンエンジンではなくバーナーを使用しています。
液体
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1～23MPa）で燃焼室に供給する必要があります。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、圧力供給も可能です。
部品
4ストローク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）、バルブなどがあります。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）、クランクピン（紫）があります。ピストンがシリンダーを上下に1回往復運動することをストロークといいます。混合気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（点火場所）に通過した直後に発生する下降ストロークも、パワーストロークと呼ばれます
ヴァンケルエンジンは、偏心軸の周りの 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を備えています。4つの動作段階（吸気、圧縮、出力、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。
バルブ
すべての4ストローク内燃機関は、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ています。2ストロークエンジンは、シリンダーボア内のポートを使用し、ピストンによって覆われているものと覆われていないものがありますが、排気バルブなどのバリエーションもあります。
ピストンエンジンバルブ
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」に分類されます。各バルブは1サイクルに1回開き、極端な加速を受けるバルブは、通常、エンジンのクランクシャフトと共に回転するカムシャフト上で動作するロッドによって開かれるスプリングによって閉じられた状態に保持 されます
制御弁
連続燃焼エンジン（ピストンエンジンも同様）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を備えています。一部のバルブは、出力やエンジン速度を制御するために流量を調整するフェザーバルブとしても機能します。
排気システム
内燃機関は、エンジンから冷却された燃焼ガスの排出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ための装置が頻繁に含まれています。さらに、サイクリック燃焼エンジンでは、燃焼室の排出を改善するために排気システムが調整されることがよくあります。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への熱の到達を防ぐシステムも備わっており、これはしばしば排気熱管理と呼ばれます。
ジェット推進内燃機関の場合、「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平行なガス ジェットを形成します。
冷却システム
燃焼は大量の熱を発生させ、その一部はエンジンの壁面に伝わります。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。潤滑剤は汚れているとエンジン内にスラッジが過剰に発生する可能性があるため、清潔でなければなりません。
冷却システムは通常、空冷または液体冷却（通常は水冷）を採用していますが、非常に高温のエンジン（特に一部のロケットエンジン）では放射冷却を使用しています。一部の高高度ロケットエンジンでは、壁面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使用されています。特にロケットでは、燃料を使ってエンジンの固体部分を冷却する 再生冷却を使用できます。
ピストン
ピストンは往復動エンジンの構成要素です。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保たれています。その目的は、シリンダー内の膨張したガスの力をピストンロッドおよび／または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。
推進ノズル
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・冷却します。排気はノズルから非常に高速で排出され、推力を生み出すだけでなく、エンジンからの流れを狭め、エンジンの残りの部分の圧力を上昇させ、排出される排気質量に大きな推力を与えます。
クランクシャフト
ほとんどの往復動型内燃機関は、最終的に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
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。単気筒エンジンでは、フライホイールはパワーストロークから次の圧縮ストローク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、クランクの各回転における動力伝達をスムーズにするためにほとんどの往復動型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低下し、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担うため、それ自体ではバランスが崩れる場合がありますが、ほとんどのエンジンはフライホイールにニュートラルバランスを使用し、別の操作でバランス調整できるようにします。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としても使用されます
スターターシステム
すべての内燃機関は、始動するために何らかのシステムを必要とします。ほとんどのピストンエンジンは、他の電気システムと同じバッテリーで駆動するスターターモーターを使用しています。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します。圧縮空気は、別のエンジン、地上ユニット、または航空機のAPUから供給できます。小型内燃機関は、多くの場合、プルコードで始動されます。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でしたが、現在では小型のものを除いてすべて電動スタートです。大型の定置型エンジンと船舶用エンジンは、シリンダーに圧縮空気を時間通りに注入することで始動できます。場合によってはカートリッジを使用することもあります。ジャンプスタートとは、別のバッテリー（通常は取り付けられているバッテリーが放電した場合）からの支援を指し、バンプスタートとは、坂を転がり落ちるなど、何らかの外力を加えることで始動する代替方法を指します。
熱シールドシステム
これらのシステムは、多くの場合、エンジン冷却システムおよび排気システムと組み合わせて機能します。エンジンの熱が熱に敏感な部品を損傷するのを防ぐために、遮熱が必要です。古い車のほとんどは、熱放射と対流を減らすために、単純な鋼鉄製の遮熱材を使用しています。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遮熱材を使用するのが一般的です。高性能車では、はるかに高い温度に耐えることができ、熱伝達をさらに低減できるため、セラミック製の遮熱材が使用され始めています。
潤滑システム
内燃機関は、可動部品が互いに滑らかに滑るために、作動中に潤滑が必要です。潤滑が不十分だと、エンジンの部品は金属同士の接触、摩擦、発熱、急速な摩耗にさらされ、シリンダー内のピストンなどの部品が摩擦圧接してしまうことがよくあります。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てしまう ことがあります
いくつかの異なるタイプの潤滑システムが使用されています。シンプルな2ストロークエンジンは、燃料に混合されたオイル、または噴霧として吸気流に噴射されたオイルによって潤滑されます。初期の低速定置エンジンおよび船舶エンジンは、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によって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を補充していました。エンジンが自動車や航空機用に改造されるにつれて、高いパワーウェイトレシオの必要性から、速度、温度、ベアリングへの圧力が増加し、クランクベアリングとコネクティングロッド ジャーナルの加圧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エンドのピックアップカップに向けたオイル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伴ってより高い圧力を供給できるという利点がありました。
制御システム
ほとんどのエンジンは、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、そしてプレイグニッション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に、1つ以上のシステムを必要とします。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。
診断システム
エンジンオンボード診断装置（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ーシステムです。第一世代のOBD1は、1970年に米国議会が大気浄化法を可決してから10年後、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。第二世代のコンピューターオンボード診断装置である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、すべての自動車にも搭載されています。
参照
参考文献
- ^ ディーゼル - パフォーマンスの選択、Wayback Machineで2008年6月13日にアーカイブ、Banks Talks Tech、2004年11月19日
外部リンク
- 内燃機関の構成要素
