内燃機関

オーバーヘッドカム 4 ストロークガソリンエンジンのシリンダーの図:

内燃機関（ICEまたはICエンジン）は、作動流体回路の不可欠な部分である燃焼室で燃料と酸化剤（通常は空気）の燃焼が起こる熱機関です。内燃機関では、燃焼によって生成された高温高圧のガスの膨張により、エンジンの部品に直接的な力が加わります。この力は通常、ピストン（ピストンエンジン）、タービンブレード（ガスタービン）、ローター（ヴァンケルエンジン）、またはノズル（ジェットエンジン）に加わります。この力により、部品が一定距離移動します。このプロセスにより、化学エネルギーが運動エネルギーに変換され、エンジンが取り付けられているものすべてを推進、移動、または動力源として利用します。

最初の商業的に成功した内燃機関は、19 世紀半ばに発明されました。最初の近代的な内燃機関であるオットーエンジンは、 1876 年にドイツの技師ニコラウス・オットーによって設計されました。[ 1 ]内燃機関という用語は通常、燃焼が断続的なエンジンを指し、よく知られている2 ストロークや4 ストロークのピストンエンジンのほか、その派生型の6 ストロークピストンエンジンやヴァンケルロータリーエンジンなどがあります。2 つ目のクラスの内燃機関は連続燃焼を使用します。ガスタービン、ジェットエンジン、ほとんどのロケットエンジンはいずれも、前述のものと同じ原理の内燃機関です。[ 1 ] [ 2 ]一方、蒸気エンジンやスターリングエンジンなどの外燃機関では、エネルギーは燃焼生成物から構成されず、混合されず、汚染もされていない作動流体に送られます。外燃機関の作動流体には、空気、お湯、加圧水、さらにはボイラーで加熱された液体ナトリウムなどがあります。

据置型の用途も多数あるが、ほとんどのICEは移動型用途に使用され、自動車、航空機、ボートなどの車両の主な動力源となっている。ICEは通常、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、エタノールなどの炭化水素系燃料で稼働する。バイオディーゼルなどの再生可能燃料は圧縮着火（CI）エンジンで使用され、バイオエタノールまたはバイオエタノールから生成されるETBE（エチルtert-ブチルエーテル）は火花点火（SI）エンジンで使用されている。ディーゼルエンジンの発明者であるルドルフ・ディーゼルは、1900年という早い時期に、エンジンを動かすのにピーナッツ油を使用していた。[ 3 ]再生可能燃料は、一般的に化石燃料と混合される。 めったに使用されない水素は、化石燃料または再生可能エネルギーから得ることができる。

歴史

1872年に作られたブレイトンウォーキングビームエンジンとして知られるヴィンテージ機械装置
1872年のブレイトンウォーキングビームエンジン

様々な科学者や技術者が内燃機関の開発に貢献した。1791年、ジョン・バーバーはガスタービンを開発した。1794年、トーマス・ミードはガスエンジンの特許を取得した。同じく1794年、ロバート・ストリートも液体燃料を使用した初の内燃機関の特許を取得し、その頃にエンジンを製作した。1798年、ジョン・スティーブンスはアメリカ初の内燃機関を製作した。1807年、フランスの技術者ニセフォール・ニエプス（後に写真術を発明する）とクロード・ニエプスは、制御された粉塵爆発を使用する試作型の内燃機関、ピレオロフォールを稼働させ、ナポレオン・ボナパルトから特許を取得した。このエンジンはフランスのソーヌ川でボートを動かした。 [ 4 ] [ 5 ]同年、スイスの技術者フランソワ・イザック・ド・リヴァは電気火花点火の水素ベースの内燃機関を発明した。 1808年、デ・リヴァズは発明品を原始的な実用車両に搭載しました。これが「世界初の内燃機関自動車」です。[ 6 ] 1823年、サミュエル・ブラウンは産業的に応用された最初の内燃機関の特許を取得しました。

1854年、イギリスでイタリアの発明家エウジェニオ・バルサンティとフェリーチェ・マテウチが「ガスの爆発による動力の取得」の特許を取得しました。1857年、英国特許庁は彼らに「ガスから動力を得るための改良装置」の発明に対して特許第1655号を与えました。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]バルサンティとマテウチは1857年から1859年の間にフランス、ベルギー、ピエモンテで同じ発明の特許を取得しました。[ 11 ] [ 12 ] 1860年、ベルギーの技術者ジャン・ジョセフ・エティエンヌ・ルノアはガス燃焼式内燃機関を製作しました。[ 13 ] 1864年、ニコラウス・オットーは最初の大気圧ガスエンジンの特許を取得しました。 1872年、アメリカ人のジョージ・ブレイトンが世界初の液体燃料内燃機関を発明した。1876年、ニコラウス・オットーがゴットリープ・ダイムラーおよびヴィルヘルム・マイバッハと共同で圧縮負荷4サイクルエンジンの特許を取得した。1879年、カール・ベンツが信頼性の高い2ストロークガソリンエンジンの特許を取得した。その後、1886年にベンツは三輪の4サイクルエンジンとシャーシが一体となった内燃機関を搭載した自動車の商業生産を開始した。[ 14 ] 1892年、ルドルフ・ディーゼルが世界初の圧縮負荷圧縮着火エンジンを開発した。1926年、ロバート・ゴダードが世界初の液体燃料ロケットを打ち上げた。1939年、ハインケルHe178が世界初のジェット機となった。[ 15 ]

語源

かつて、エンジン（古フランス語の「engine」から派生し、ラテン語の「 ingenium」（能力）に由来）という言葉は、あらゆる機械を意味していました。この意味は、siege engine（攻城兵器）などの表現にも残っています。 「motor」（ラテン語の「motor 」（動くもの）に由来）は、機械的な動力を生み出すあらゆる機械を指します。伝統的に、電気モーターは「エンジン」とは呼ばれませんが、内燃機関はしばしば「モーター」と呼ばれます。（電気エンジンとは、電気で動く機関車を指します。）

ボートでは、船体に搭載されている内燃機関はエンジンと呼ばれますが、船尾に設置されているエンジンはモーターと呼ばれます。[ 16 ]

アプリケーション

自動車のレシプロエンジン
バックアップ電源用のディーゼル発電機

往復ピストンエンジンは、自動車、オートバイ、船舶、そして比較的少数ながら機関車（一部は電気式だが、ほとんどはディーゼルエンジンを使用している）を含む陸上および水上車両において、圧倒的に最も一般的な動力源である（[ 17 ] [ 18 ]）。ヴァンケル型ロータリーエンジンは、一部の自動車、航空機、オートバイに使用されている。これらは総称して内燃機関車両（ICEV）と呼ばれる。[ 19 ]

高いパワーウェイトレシオが求められる場合、内燃機関は燃焼タービン、あるいはヴァンケルエンジンの形で使用されます。動力付き航空機は通常、往復動エンジンであるICE（内燃機関）を使用します。飛行機はジェットエンジン、ヘリコプターはターボシャフトエンジンを使用することもできます。どちらもタービンの一種です。航空機は推進力に加えて、補助動力装置として独立したICEを使用する場合もあります。ヴァンケルエンジンは多くの無人航空機に搭載されています。

内燃機関（ICE）は、電力網に電力を供給する大型発電機を駆動します。ICEは燃焼タービンの形で使用され、典型的な電気出力は約100MWです。複合サイクル発電所は、高温の排気ガスを利用して水蒸気を沸騰・過熱し、蒸気タービンを駆動します。これにより、燃焼エンジン単体で抽出できるよりも多くのエネルギーを燃料から抽出できるため、効率が向上します。複合サイクル発電所は50～60%の効率を達成します。より小規模な発電所では、ガスエンジンやディーゼル発電機などの定置型エンジンが、バックアップ用、または電力網に接続されていない地域への電力供給に使用されます。

小型エンジン(通常は2 ストローク単気筒ガソリン エンジン) は、芝刈り機、刈払機、チェーンソー、ブロワー、高圧洗浄機、ラジコンカー、スノーモービル、ジェット スキー、船外モーター、モペット、オートバイなどの一般的な動力源です。

分類

内燃機関を分類する方法はいくつかあります。

往復運動

画数別：

点火タイプ別：

機械/熱力学サイクル別（これらのサイクルはあまり使用されないが、ハイブリッド車や燃費効率を重視して製造された他の車両では一般的に見られる[ 21 ]）：

ロータリー

連続燃焼

レシプロエンジン

構造

V8エンジンのむき出しのシリンダーブロック
ピストン、ピストンリング、ガジョンピン、コネクティングロッド

往復動型内燃機関の基盤となるのはエンジンブロックで、通常は鋳鉄（耐摩耗性に優れ低コスト）[ 23 ]またはアルミニウムで作られています。後者の場合、シリンダーライナーは鋳鉄または鋼[ 24 ] 、あるいはニカシルやアルシルなどのコーティングで作られています。エンジンブロックにはシリンダーが含まれています。複数のシリンダーを持つエンジンでは、シリンダーは通常1列（直列エンジン）または2列（ボクサーエンジンまたはVエンジン）に配置されています。現代のエンジンでは3列または4列が時々使用され（Wエンジン）、他のエンジン構成も可能であり、使用されています。単気筒エンジン（またはサンパー）は、オートバイや軽機械に見られる他の小型エンジンで一般的です。シリンダーの外側には、冷却液を含む通路がエンジンブロックに鋳造されていますが、一部の大型エンジンでは、通路は取り外し可能な交換可能なシリンダースリーブになっています。[ 23 ]水冷エンジンは、エンジンブロック内に冷却液が循環する通路（ウォータージャケット）を備えています。小型エンジンの中には空冷式のものもあり、ウォータージャケットの代わりにシリンダーブロックからフィンが突出しており、熱を空気に直接伝達することでエンジンを冷却します。シリンダー壁は通常、クロスハッチ加工が施されており、オイルをより多く保持することができます。表面が粗すぎると、ピストンが過度に摩耗し、エンジンに悪影響を与えます。

ピストンは短い円筒形の部品で、圧縮空気や燃焼生成物の高圧からシリンダーの一端を密閉し、エンジンの作動中はシリンダー内を継続的にスライドします。小型エンジンのピストンはアルミニウム製ですが、大型のアプリケーションでは通常鋳鉄製です。[ 23 ]高性能アプリケーションでは、ピストンは強度を高めるためにチタン製または鍛鋼製になることもあります。ピストンの上面はクラウンと呼ばれ、通常は平らか凹面になっています。2 ストローク エンジンの中には、デフレクター ヘッド付きのピストンを使用するものもあります。ピストンは底部が開いており、一体型の補強構造 (ピストン ウェブ) を除いて中空になっています。エンジンが作動しているとき、燃焼室内のガス圧がピストン クラウンに力をかけ、その力がウェブを介してガジョンピンに伝達されます。各ピストンには円周上にリングが取り付けられており、ガスがクランクケースに漏れたり、オイルが燃焼室に漏れたりするのをほぼ防いでいます。[ 25 ]換気システムは、通常の動作中にピストンを通過して逃げる少量のガス（ブローバイガス）をクランクケースから排出し、それが蓄積してオイルを汚染し、腐食を引き起こすのを防ぎます。[ 23 ] 2ストロークガソリンエンジンでは、クランクケースは空気と燃料の経路の一部であり、それが連続的に流れるため、2ストロークエンジンには別個のクランクケース換気システムは必要ありません。

ディーゼルエンジンのシリンダーヘッド上部のバルブトレイン。このエンジンはロッカーアームを採用していますが、プッシュロッドは採用していません。

シリンダーヘッドは、多数のボルトまたはスタッドによってエンジンブロックに取り付けられています。シリンダーヘッドにはいくつかの機能があります。シリンダーヘッドは、ピストンの反対側でシリンダーを密閉します。シリンダーヘッドには、吸気および排気用の短いダクト (ポート) と、シリンダーに新鮮な空気を満たすために開く吸気バルブ、および燃焼ガスを逃がすために開く排気バルブが含まれます。バルブはポペットバルブ[ 26 ] [ 27 ]であることが多いですが、ロータリーバルブ[ 28 ]やスリーブバルブ[ 26 ]の場合もあります。ただし、2 ストローク クランクケース掃気エンジンでは、ポペットバルブを使用せずにガスポートがシリンダー壁に直接接続され、代わりにピストンがポートの開閉を制御します。シリンダーヘッドには、火花点火エンジンの場合はスパークプラグが、直噴エンジンの場合はインジェクターも保持されています。すべての CI (圧縮点火) エンジンは燃料噴射を使用し、通常は直噴ですが、一部のエンジンでは間接噴射が使用されます。 SI（火花点火）エンジンは、キャブレターまたは燃料噴射装置をポート噴射または直噴として使用できます。ほとんどのSIエンジンは1気筒あたり1つの点火プラグを備えていますが、2つの点火プラグを備えたエンジンもあります。ヘッドガスケットは、シリンダーヘッドとエンジンブロック間のガス漏れを防ぎます。バルブの開閉は、1つまたは複数のカムシャフトとスプリングによって制御されますが、一部のエンジンでは、スプリングを使用しないデスモドロミック機構が採用されています。カムシャフトは、バルブのステムを直接押すことも、ロッカーアームに直接またはプッシュロッドを介して作用させることもできます。

エンジンブロックを下から見たところ。シリンダー、オイルスプレーノズル、そしてメインベアリングの半分がはっきりと見えます。

クランクケースの底部はオイルパンで密閉されており、通常動作中に落下するオイルを集めて再循環させます。シリンダー ブロックとオイルパンの間にできた空洞には、ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが収められています。クランクシャフトは、メイン ベアリングによってエンジン ブロックに対して所定の位置に保持され、回転します。クランクケース内の隔壁は各メイン ベアリングの半分を構成し、もう半分は取り外し可能なキャップです。いくつかの小さなキャップではなく、 1 つのメイン ベアリング デッキが使用される場合もあります。コネクティング ロッドは、一方の端でクランクシャフトのオフセット セクション (クランクピン) に接続され、もう一方の端ではピストンにガジョン ピンを介して接続されています。これにより、力が伝達され、ピストンの往復運動がクランクシャフトの回転運動に変換されます。ガジョン ピンに接続されているコネクティング ロッドの端は小端と呼ばれ、クランクシャフトに接続されているもう一方の端は大端と呼ばれます。ビッグエンドは、クランクシャフト周囲への組み立てを容易にするために、半分が取り外し可能な構造になっています。取り外し可能なボルトによってコネクティングロッドに固定されています。

シリンダーヘッドには、対応するポートに接続された吸気マニホールドと排気マニホールドがあります。吸気マニホールドはエアフィルターに直接接続されるか、キャブレターがある場合はキャブレターに接続され、キャブレターはエアフィルターに接続されます。吸気マニホールドは、これらの装置から入ってきた空気を各シリンダーに分配します。排気マニホールドは、排気システムの最初のコンポーネントです。シリンダーから排出された排気ガスを集め、経路上の後続のコンポーネントに送ります。内燃機関（ICE）の排気システムには、触媒コンバーターとマフラーが含まれる場合もあります。排気ガス経路の最終セクションは、テールパイプです。

4ストロークエンジン

4ストロークSIエンジンの動作を示す図。ラベル：1 ‐ 吸気2 ‐ 圧縮3 ‐ 出力4 ‐ 排気

ピストンの上死点（TDC）はバルブに最も近い位置であり、下死点（BDC）はその反対でバルブから最も遠い位置です。ストロークとは、ピストンがTDCからBDCへ、あるいはその逆へ移動する動作と、それに伴うプロセスを指します。エンジンの運転中、クランクシャフトはほぼ一定の速度で連続的に回転します。4ストローク内燃機関（ICE）では、各ピストンはクランクシャフト1回転につき以下の順序で2ストロークを発生します。TDCから順に説明すると、以下のようになります。[ 29 ] [ 30 ]

  1. 吸気、吸入、または吸引：カムローブがバルブステムを押し下げることで、吸気バルブが開きます。ピストンが下降し、燃焼室の容積が増加し、CIエンジンの場合は空気が、直噴エンジンを使用しないSIエンジンの場合は混合気が吸入されます。空気または混合気は、いずれの場合も「チャージ」と呼ばれます。
  2. 圧縮: この行程では、両方のバルブが閉じられ、ピストンが上昇して燃焼室の容積が減少し、ピストンが上死点 (TDC) にあるときに容積が最小になります。ピストンは、圧縮されながら負荷に仕事を行います。その結果、負荷の圧力、温度、密度が増加します。この動作の近似値は理想気体の法則によって提供されます。ピストンが上死点 (TDC) に達する直前に点火が始まります。SI エンジンの場合、スパーク プラグは高電圧パルスを受け取り、その名の通り火花を発生させて負荷に点火します。CI エンジンの場合、燃料インジェクターが燃料を噴霧として燃焼室に素早く噴射します。燃料は高温のために点火します。
  3. パワーストロークまたは作動ストローク：燃焼ガスの圧力によってピストンが押し下げられ、圧縮に必要な運動エネルギーよりも大きな運動エネルギーが発生します。圧縮ストロークと相まって、燃焼ガスは膨張し、その結果、温度、圧力、密度が低下します。ピストンが下死点（BDC）に近づくと、排気バルブが開きます。ブローダウンでは、残留圧力（排気ポートのゲージ圧である背圧を超える圧力）により、燃焼ガスは不可逆的に膨張します。
  4. 排気：ピストンが上昇して燃焼ガスを排出する間、排気バルブは開いたままです。自然吸気エンジンでは、ピストンが燃焼室を完全に閉じないため、通常の運転中に少量の燃焼ガスがシリンダー内に残ることがあります。これらのガスは次の給気時に溶解します。このストロークの終わりに、排気バルブが閉じ、吸気バルブが開き、次のサイクルでこのシーケンスが繰り返されます。掃気効率を高めるため、吸気バルブは排気バルブが閉じる前に開く場合があります。

2ストロークエンジン

このタイプのエンジンの特徴は、各ピストンがクランクシャフトの1回転ごとに1サイクルを完了することです。吸気、圧縮、動力、排気の4つのプロセスはわずか2ストロークで行われるため、それぞれに専用のストロークを割り当てることはできません。上死点（TDC）から始まるサイクルは以下のとおりです。

  1. 出力：ピストンが下降する間、燃焼ガスは4ストロークエンジンと同様にピストンに仕事を行います。膨張の場合と同じ熱力学が適用されます。
  2. 掃気：クランクシャフトの回転角度が下死点（BDC）の約75°手前で排気バルブまたはポートが開き、ブローダウンが発生します。その後まもなく吸気バルブまたはトランスファーポートが開きます。吸入されたガスは残りの燃焼ガスを排気系へ押し出し、ガスの一部は排気系にも流入する可能性があります。ピストンは下死点（BDC）に達し、方向転換します。ピストンがシリンダー内を少し上昇した後、排気バルブまたはポートが閉じ、間もなく吸気バルブまたはトランスファーポートも閉じます。
  3. 圧縮：吸気と排気が閉じた状態でピストンは上昇を続け、吸入空気を圧縮して仕事を行います。4ストロークエンジンの場合と同様に、点火はピストンが上死点（TDC）に達する直前に開始され、吸入空気の圧縮に関する熱力学的な考察が適用されます。

4ストロークエンジンはピストンを容積式ポンプとして利用し、4ストロークのうち2ストロークで掃気を行いますが、2ストロークエンジンは、出力行程の後半と圧縮行程の前半を吸排気一体型のサイクルとして利用します。給気ガスと排気ガスの置換に必要な仕事は、クランクケースまたは別のブロワーから得られます。掃気、すなわち既燃ガスの排出と新気ガスの流入には、ループ掃気とユニフロー掃気という2つの主要なアプローチがあります。2010年代に発表されたSAEニュースでは、「ループ掃気」はどのような状況においてもユニフロー掃気よりも優れているとされています。[ 20 ]

クランクケース清掃

クランクケース掃気バルブレス2ストロークエンジンの動作図

一部のSIエンジンはクランクケース掃気式で、ポペットバルブは使用しません。その代わりに、クランクケースとピストン下のシリンダー部分がポンプとして使用されます。吸気ポートは、エンジンによって駆動されるリードバルブまたはロータリーディスクバルブを介してクランクケースに接続されます。各シリンダーには、トランスファーポートが設けられており、一方の端はクランクケースに、もう一方の端はシリンダー壁にそれぞれ接続されています。排気ポートはシリンダー壁に直接接続されています。トランスファーポートと排気ポートはピストンによって開閉されます。クランクケース圧力が吸気圧力よりわずかに低い場合、リードバルブが開き、クランクケース内に新しいガスが充填されます。これはピストンが上昇しているときに起こります。ピストンが下降すると、クランクケース内の圧力が上昇し、リードバルブが急速に閉じ、クランクケース内のガスが圧縮されます。ピストンが下降すると、排気ポートとトランスファーポートも開き、クランクケース内のガスの圧力が上昇し、トランスファーポートからシリンダー内にガスが流入して排気ガスが噴出します。潤滑は、燃料に2ストロークオイルを少量ずつ加えることで行われます。ペトロイルとは、ガソリンと前述のオイルを混合したものを指します。このタイプの2ストロークエンジンは、同等の4ストロークエンジンに比べて効率が低く、以下の条件下では より多くの汚染物質を排出します。

  • これらは全損失給油システムを使用しており、すべての潤滑油は最終的に燃料とともに燃焼します。
  • 掃気に関しては相反する要件があります。一方では、ほぼすべての燃焼ガスを置換するために十分な量の新鮮な電荷を各サイクルで導入する必要がありますが、導入量が多すぎると、その一部が排気ガスに混入することになります。
  • 移送ポートは、慎重に設計・配置されたノズルのように機能し、排気ポートに到達する前にシリンダー全体を掃引するガス流を発生させることで、燃焼ガスを排出しつつも、排出される負荷量を最小限に抑える必要があります。4ストロークエンジンは、排気時に燃焼室の容積が最小になるため、ほぼすべての燃焼ガスを強制的に排出できるという利点があります。一方、クランクケース掃気式2ストロークエンジンでは、排気と吸気はほぼ同時に行われ、燃焼室の容積は最大になります。

このタイプの2ストロークエンジンの主な利点は、機械的なシンプルさと、4ストロークエンジンに比べて高いパワーウェイトレシオです。サイクルあたりのパワーストローク数は4ストロークエンジンの2倍ですが、実際には同等の4ストロークエンジンの2倍以下の出力しか得られません。

米国では、大気汚染の懸念から、2ストロークエンジンは公道車両への搭載が禁止されました。オフロード専用のオートバイでは依然として2ストロークエンジンが使用されていることが多いものの、公道走行が認められているものはほとんどありません。しかしながら、2ストロークの芝生管理用エンジンは数千台も使用されています。

ブロワー清掃

ユニフロー掃気の図

独立したブロワーを使用することで、クランクケース掃気の多くの欠点を回避できますが、複雑さが増し、コストとメンテナンスの必要性が高まります。このタイプのエンジンでは、吸気用のポートまたはバルブと排気用のバルブを使用しますが、対向ピストンエンジンでは排気用のポートも使用されます。ブロワーは通常ルーツ式ですが、他のタイプのものも使用されています。この設計はCIエンジンでは一般的であり、SIエンジンでも時折使用されています。

ブロワーを使用する CI エンジンでは、通常、ユニフロー掃気が使用されます。この設計では、シリンダー壁に、ピストンクラウンが BDC にあるときに到達する位置のすぐ上の円周に沿って等間隔に配置された複数の吸気ポートがあります。1 個または 4 ストローク エンジンのような複数の排気バルブが使用されます。吸気マニホールドの最終部分は、吸気ポートに空気を供給するエア スリーブです。吸気ポートは、シリンダー壁に対して水平の角度で (つまり、ピストンクラウンの平面内) 配置され、吸入される空気に渦を生じさせて燃焼を改善します。最大の往復型 IC はこのタイプの低速 CI エンジンです。これらは船舶の推進力 (船舶用ディーゼル エンジンを参照) または発電に使用され、あらゆる種類の内燃機関の中で最も高い熱効率を実現します。一部のディーゼル電気機関車エンジンは、 2 ストローク サイクルで動作します。それらの最も強力なもののブレーキ出力は約 4.5  MWまたは 6,000  HPです。 EMD SD90MACクラスの機関車はその一例です。同等クラスのGE AC6000CWは、ほぼ同じブレーキ力を持つ原動機を搭載し、4ストロークエンジンを搭載しています。

このタイプのエンジンの一例としては、大型コンテナ船に搭載されているWärtsilä-Sulzer社のRTA96-Cターボチャージャー付き2ストロークディーゼルエンジンが挙げられます。これは、熱効率が50%を超える、世界で最も効率的で強力な往復動型内燃機関です。 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]比較すると、最も効率的な小型4ストロークエンジンの熱効率は約43%（SAE 900648）です。サイズが大きいほど、体積と表面積の比率が高くなるため、効率向上に有利です。

光学的にアクセス可能な 2 ストロークのオートバイ エンジンのシリンダー内燃焼ビデオについては、 外部リンクを参照してください。

歴史的なデザイン

ダガルド・クラークは1879年に最初の2サイクルエンジンを開発しました。このエンジンは、燃料混合物をシリンダーに移送するためのポンプとして機能する別のシリンダーを使用しました。[ 20 ]

1899年、ジョン・デイはクラークの設計を簡略化し、今日広く使用されている2サイクルエンジンを開発しました。[ 34 ] デイサイクルエンジンはクランクケース掃気式で、ポートタイミング式です。クランクケースと排気ポート下のシリンダー部分がポンプとして使用されます。デイサイクルエンジンの作動は、クランクシャフトが回転し、ピストンが下死点から上方（ヘッド側）に移動し、クランクケース／シリンダー領域に真空状態が生じることで開始されます。キャブレターは、リードバルブまたはロータリーディスクバルブ（エンジン駆動）を介して混合気をクランクケース内に送り込みます。クランクケースからシリンダー内のポートへは吸気用のダクトが、排気ポートから排気管へは別のダクトが鋳込まれています。シリンダーの長さに対するポートの高さは「ポートタイミング」と呼ばれます。

エンジンの最初の上昇ストロークでは、クランクケースが空であるため、シリンダーには燃料が吸入されません。下降ストロークでは、ピストンが混合燃料を圧縮します。混合燃料にはオイルが加えられているため、シリンダー内のピストンとベアリングは潤滑されています。ピストンが下降すると、まず排気口が露出しますが、最初のストロークでは燃焼した燃料は排出されません。ピストンがさらに下降すると、吸気ポートが露出します。吸気ポートにはクランクケースにつながるダクトがあります。クランクケース内の混合燃料は加圧されているため、混合燃料はダクトを通ってシリンダー内へ流れ込みます。

ピストンが十分に上昇して排気ポートを閉じるまでは、シリンダー内に燃料を直接排出する障害物がないため、初期のエンジンではハイドームピストンを採用して燃料の流れを減速させました。その後、膨張室設計によって燃料は「共鳴」し、シリンダー内に戻るようになりました。ピストンがTDC（上死点）に近づくと、火花が燃料に点火します。ピストンが力強く下降すると、まず排気ポートが露出し、燃焼した燃料が高圧下で排出されます。次に吸気ポートが露出し、ここで燃焼プロセスが完了し、このプロセスが繰り返されます。

その後のエンジンには、性能向上のためにDeutz社が考案した一種のポートが採用されました。これはシュヌーレ・リバースフロー・システムと呼ばれていました。DKW社はこの設計のライセンスをすべてのオートバイに供与しました。その結果、 DKW RT 125は100 mpgを超える燃費を達成した最初の自動車の一つとなりました。[ 35 ]

点火

内燃機関は、火花点火（SI）または圧縮点火（CI）のいずれかによって混合気に点火する必要があります。信頼性の高い電気的方法が発明される以前は、熱管式や炎式が使用されていました。レーザー点火を採用した実験的なエンジンも製作されています。[ 36 ]

火花点火プロセス

ボッシュマグネトー
ポイントとコイル点火

火花点火エンジンは、ホットチューブ点火を採用した初期のエンジンを改良したものであった。ボッシュがマグネトーを開発すると、マグネトーは点火プラグを駆動するための電力を生成する主要なシステムとなった。[ 37 ]多くの小型エンジンは今でもマグネトー点火を採用している。小型エンジンは、リコイルスターターまたはハンドクランクを用いて手動で始動する。デルコのチャールズ・F・ケタリングが自動車用スターターを開発する以前は、すべてのガソリンエンジン車はハンドクランクを使用していた。[ 38 ]

大型エンジンは通常、鉛蓄電池に蓄えられた電気エネルギーを用いて始動モーターと点火システムに電力を供給します。バッテリーの充電状態は、自動車用オルタネーター、または（以前は）エンジンの動力を利用して電気エネルギーを蓄える発電機 によって維持されます。

バッテリーは、エンジンにスターターモーターシステムが搭載されている場合、始動用の電力を供給し、エンジン停止時にも電力を供給します。また、オルタネーターが13.8ボルト（一般的な12V自動車用電気システムの場合）以上を維持できない稀な運転状況においても、バッテリーは電力を供給します。オルタネーターの電圧が13.8ボルトを下回ると、鉛蓄電池への負荷が増加します。通常のアイドリング状態を含むほぼすべての運転状況において、オルタネーターが主要な電力を供給します。

一部のシステムでは、スロットル全開時にオルタネーターの界磁（ローター）電力を遮断します。界磁を遮断することでオルタネータープーリーの機械的負荷がほぼゼロになり、クランクシャフトの電力が最大限に発揮されます。この場合、バッテリーがすべての主要電力を供給します。

ガソリンエンジンは、空気とガソリンの混合気を吸入し、ピストンを下死点から上死点まで移動させることで、燃料が最大圧縮状態にある時に圧縮します。シリンダーの行程面積の減少と燃焼室の容積を考慮した圧縮比は、比率で表されます。初期のエンジンでは、圧縮比は6対1でした。圧縮比が高くなるにつれて、エンジンの効率も向上しました。

初期の吸気・点火システムでは、圧縮比を低く抑える必要がありました。燃料技術と燃焼管理の進歩により、高性能エンジンは12:1の圧縮比でも安定して動作できるようになりました。低オクタン価燃料では、燃料の点火に伴う温度上昇によって圧縮比が上昇し、問題が発生していました。チャールズ・ケタリングは、より高い圧縮比を可能にする鉛添加剤を開発しましたが、鉛中毒の懸念もあり、1970年代以降、自動車用途では徐々に使用されなくなりました。

混合気は、シリンダー内のピストンの異なる移動位置で点火されます。低回転時には、点火時期はピストンが上死点に達する直前に設定されます。より高い出力を得るために、回転数が上昇するにつれて、点火時期はピストンの移動中に早められます。点火時期は、回転数が上昇するにつれて燃料が徐々に圧縮されている間に発生します。[ 39 ]

必要な高電圧（通常10,000ボルト）は、誘導コイルまたは変圧器によって供給されます。誘導コイルはフライバック方式で、何らかの同期遮断器を介して一次側電気系統の電流を遮断します。遮断器は接点またはパワートランジスタのいずれかです。この方式の点火の問題点は、回転数が上昇するにつれて利用可能な電気エネルギーが減少することです。これは特に、より濃い燃料混合気を点火するために必要なエネルギー量が多いため、大きな問題となります。その結果、高回転時に失火が発生することがよくありました。

コンデンサ放電点火方式が開発されました。この方式は上昇電圧を発生させ、それが点火プラグに送られます。CDシステムの電圧は60,000ボルトに達することがあります。[ 40 ] CD点火方式は昇圧トランスを使用します。昇圧トランスは、コンデンサに蓄えられたエネルギーを利用して電気火花を発生させます。どちらのシステムでも、機械式または電気式の制御システムによって、適切なシリンダーにタイミングを計った高電圧が供給されます。この火花は点火プラグを介して、エンジンのシリンダー内の混合気に点火します。

ガソリン内燃機関はディーゼルエンジンよりも寒冷地での始動がはるかに容易ですが、極限の状況下では始動に問題が生じることがあります。長年、解決策は暖房付きの場所に車を駐車することでした。世界の一部の地域では、オイルを抜いて一晩加熱し、冷間始動のためにエンジンに戻していました。1950年代初頭、ガソリンガス化装置が開発されました。これは、寒冷地での始動時に生のガソリンを装置に送り込み、燃料の一部を燃焼させて残りの部分を高温の蒸気にして吸気バルブマニホールドに直接送るものです。この装置は、寒冷地で販売されるガソリンエンジンに電気式エンジンブロックヒーターが標準装備されるまで、非常に人気がありました。 [ 41 ]

圧縮着火プロセス

ディーゼル、PPC 、およびHCCIエンジンは、点火のために、圧縮工程でエンジンによって生成される高温および高圧のみに依存します。発生する圧縮レベルは通常、ガソリン エンジンの 2 倍以上です。ディーゼル エンジンは空気のみを吸入し、ピーク圧縮の直前に、燃料インジェクターから少量のディーゼル燃料をシリンダーに噴射して、燃料を瞬時に点火します。HCCI タイプのエンジンは空気と燃料の両方を吸入しますが、圧力と温度が高いため、引き続き補助のない自己燃焼プロセスに依存します。これは、ディーゼル エンジンと HCCI エンジンが始動すると寒冷気候でも同様に動作するにもかかわらず、寒冷始動の問題が発生しやすい理由でもあります。自動車や小型トラックに搭載されている間接噴射式の軽量ディーゼル エンジンは、始動直前に燃焼室を予熱するグロー プラグ(またはその他の予熱装置: Cummins ISB#6BTを参照) を使用し、寒冷気候での始動不能状態を減らします。ほとんどのディーゼルにはバッテリーと充電システムもあります。しかしながら、このシステムは二次的なものであり、始動性、燃料のオン/オフ（スイッチや機械装置でも操作可能）、そして補助的な電気部品やアクセサリーの駆動を容易にするために、メーカーが贅沢品として追加したものです。ほとんどの新型エンジンは、電気・電子エンジン制御ユニット（ECU）を搭載しており、燃焼プロセスを調整することで効率を高め、排出量を削減しています。

潤滑

加圧潤滑エンジンの図
ウィキメディア コモンズには、内燃ピストンエンジンの潤滑システムに関連するメディアがあります。

他の表面と接触し、相対的に運動する表面は、摩耗や騒音を低減し、摩擦を克服するための動力の浪費を減らすことで効率を高め、あるいは機構を動作させるために潤滑が必要です。また、使用される潤滑剤は過剰な熱を抑制し、部品の冷却効果を高めます。エンジンは少なくとも以下の部品に潤滑が必要です。

  • ピストンとシリンダーの間
  • 小型ベアリング
  • ビッグエンドベアリング
  • メインベアリング
  • バルブギア（以下の要素は存在しない場合があります）：
    • タペット
    • ロッカーアーム
    • プッシュロッド
    • タイミングチェーンまたはギア。歯付きベルトは潤滑を必要としません。

2ストローク・クランクケース掃気エンジンでは、クランクケース内部、ひいてはクランクシャフト、コネクティングロッド、ピストンの底部に、空気・燃料・オイル混合気中の2ストロークオイルが噴霧され、燃料と共に燃焼します。動弁系は潤滑油で満たされたコンパートメントに収納されている場合があり、オイルポンプは不要です。

スプラッシュ潤滑システムでは、オイルポンプは使用されません。クランクシャフトがオイルパン内のオイルに浸かり、高速回転によりクランクシャフト、コネクティングロッド、ピストンの底部にオイルが跳ね返ります。コネクティングロッドのビッグエンドキャップには、この効果を高めるためにスクープが取り付けられている場合があります。バルブトレインは、オイルパン内に密閉されている場合もあれば、クランクシャフトに開放されている場合もあります。クランクシャフトは、跳ね上がったオイルを受け止め、オイルパンへ戻す仕組みです。スプラッシュ潤滑は、小型4ストロークエンジンでよく使用されます。

強制潤滑システム（加圧潤滑システムとも呼ばれる）では、潤滑は閉ループで行われ、エンジンオイルがシステムによって潤滑される表面まで送られ、その後リザーバーに戻ります。エンジンの補助機器は通常、このループによって潤滑されません。例えば、オルタネーターは、独自の潤滑剤で密封されたボールベアリングを使用している場合があります。オイルのリザーバーは通常、オイルパンであり、この場合、ウェットサンプシステムと呼ばれます。別のオイルリザーバーがある場合でも、クランクケースはオイルを受け止めますが、専用のポンプによって継続的に排出されます。これはドライサンプシステムと呼ばれます。

サンプの底部には、メッシュフィルターで覆われたオイル吸入口があり、オイルポンプとクランクケース外のオイルフィルターに接続されています。オイルはそこからクランクシャフトのメインベアリングとバルブトレインへと送られます。クランクケースには、少なくとも1つのオイルギャラリー（クランクケース壁内の導管）があり、オイルフィルターからオイルがここに導入されます。メインベアリングには、全周または半周に溝が設けられており、オイルはオイルギャラリーに接続された通路からこれらの溝に入ります。クランクシャフトには、これらの溝からオイルを取り出し、ビッグエンドベアリングへと供給する穴が開けられています。すべてのビッグエンドベアリングは、このように潤滑されます。1つのメインベアリングから、0個、1個、または2個のビッグエンドベアリングにオイルを供給することができます。同様のシステムを使用して、ピストン、ピストンピン、およびコンロッドの小端を潤滑することもできます。このシステムでは、コンロッドの大端にはクランクシャフトの周囲に溝が設けられ、この溝に接続された穴からオイルがピストンの底部へ、そしてシリンダーへと分配されます。

シリンダーとピストンの潤滑には、他のシステムも用いられます。コネクティングロッドには、シリンダーとピストンの底部にオイルジェットを噴射するノズルが付いている場合があります。このノズルは潤滑するシリンダーに対して移動しますが、常にシリンダーまたは対応するピストンに向けられています。

強制潤滑システムでは、冷却を補助するために、十分な潤滑に必要な量よりも高い潤滑流量が一般的に使用されます。具体的には、潤滑システムは高温のエンジン部品から冷却液（水冷エンジンの場合）またはフィン（空冷エンジンの場合）へと熱を移動させ、そこから周囲に熱を放出する役割を果たします。潤滑油は、エンジン内で発生する温度範囲において化学的に安定し、適切な粘度を維持するように設計する必要があります。

シリンダー構成

一般的なシリンダー構成には、直列型（インライン型）、よりコンパクトなV型、そして幅が広く滑らかなフラット型（ボクサー型）があります。航空機エンジンでは、より効果的な冷却を可能にするラジアル型（ラジアル型）も採用されています。H型、U型、X型、W型といった、より珍しいシリンダー構成も使用されています。

一般的なシリンダー構成：a – ストレート、b – V 、c – 対向、d – W

多気筒エンジンでは、バルブ トレインとクランク シャフトの構成により、ピストンがサイクルの異なる部分に位置します。特に過給エンジンでは、ピストンのサイクルを均一な間隔 (均等点火と呼ばれる) にすることが望ましく、これによりトルク脈動[ 42 ]が低減し、4 気筒を超える直列エンジンの主要な力が静的にバランスされます。ただし、一部のエンジン構成では、均等点火で可能な場合よりも優れたバランスを実現するために、奇数点火が必要になります。たとえば、4 ストロークI2 エンジンでは、クランクピン間の角度が 180° の場合、ピストンが反対方向に移動し、慣性力が部分的に打ち消されるためバランスが向上しますが、これにより、1 つのシリンダーがクランク シャフトの回転の 180° にわたって点火した後、540° の間はどのシリンダーも点火しないという、奇数点火パターンが発生します。均等点火パターンでは、ピストンが同期して動き、関連する力が加わります。

多重クランクシャフト構成では、必ずしもシリンダーヘッドは必要ありません。これは、対向ピストン設計と呼ばれる、シリンダーの両端にピストンを配置できるためです。燃料の入口と出口がシリンダーの反対側に配置されているため、ユニフロー掃気を実現でき、4 ストローク エンジンと同様に、広い範囲のエンジン速度で効率的です。シリンダー ヘッドがないため、熱効率が向上します。この設計は、単一バンクのシリンダーの両端に 2 つのクランクシャフトを使用したユンカース Jumo 205ディーゼル航空機エンジンで使用されており、最も顕著なのはネイピア デルティックディーゼル エンジンです。これらのエンジンでは、3 つのクランクシャフトを使用して、クランクシャフトを角に持つ正三角形に配置された3 バンクの両端シリンダーを動かしました。これはシングル バンクの機関車エンジンでも使用され、現在でも船舶の推進エンジンや船舶の補助発電機で使用されています。

ディーゼルサイクル

理想的なディーゼルサイクルのp-V図。サイクルは1～4の数字を時計回りにたどります。

ほとんどのトラックや自動車のディーゼルエンジンは、4ストロークサイクルに似たサイクルを採用していますが、独立した点火システムではなく、圧縮による温度上昇によって点火が行われます。このバリエーションはディーゼルサイクルと呼ばれます。ディーゼルサイクルでは、軽油がシリンダー内に直接噴射され、ピストンの動きに合わせて一定の圧力で燃焼が起こります。

オットーサイクル

オットーサイクルは、ガソリンを燃料とするほとんどの自動車の内燃機関で最も一般的なサイクルです。4ストロークエンジンと同じ主要ステップ、すなわち吸気、圧縮、点火、膨張、排気で構成されています。

5ストロークエンジン

1879年、ニコラウス・オットーは、低圧の大きなシリンダーの両側に2つの小さなシリンダーがあり、そこで排気行程ガスの2回目の膨張が行われる二重膨張エンジン（二重膨張と三重膨張の原理は蒸気機関で広く利用されていた）を製造・販売したが、所有者は性能が悪いとして返品した。1906年、このコンセプトはEHV（アイゼンフート無馬車会社）製の自動車に採用された。[ 43 ]そして21世紀には、イルモアが高出力で低SFC（燃料消費率）の5ストローク二重膨張内燃機関を設計し、テストに成功した。[ 44 ]

6ストロークエンジン

6ストロークエンジンは1883年に発明されました。4種類の6ストロークエンジン（グリフィン6ストローク、バジュラス6ストローク、ベロゼータ6ストローク、クロワー6ストローク）は、通常のシリンダー内に通常のピストンを備え、クランクシャフト3回転ごとに点火します。これらのシステムは、空気または水を噴射することで、 4ストロークオットーサイクルの廃熱を回収します。

ベアヘッドエンジンと「ピストン チャージャー」エンジンは対向ピストン エンジンとして動作し、1 つのシリンダー内に 2 つのピストンがあり、4 ストローク エンジンのように 4 回転ごとではなく 2 回転ごとに点火します。

その他のサイクル

初期の内燃機関は混合気を圧縮しませんでした。ピストンの下降行程の最初の部分で燃料と空気の混合気が吸入され、次に吸気バルブが閉じ、下降行程の残りの部分で燃料と空気の混合気が点火されます。排気バルブはピストンの上昇行程のために開きます。蒸気機関の原理を模倣したこれらの試みは非常に非効率的でした。これらのサイクルにはいくつかのバリエーションがあり、最も有名なのはアトキンソンサイクルとミラーサイクルです。

スプリットサイクルエンジンは、吸気、圧縮、燃焼、排気の4つの行程を、それぞれ独立した2つのシリンダーに分割します。第1シリンダーは吸気と圧縮に使用されます。圧縮された空気は、クロスオーバー通路を通って圧縮シリンダーから第2シリンダーに送られ、そこで燃焼と排気が行われます。スプリットサイクルエンジンは、片側に 空気圧縮機、もう片側に燃焼室を備えたエンジンです。

従来のスプリットサイクルエンジンには、吸排気効率（容積効率）の悪さと熱効率の低さという2つの大きな問題がありました。しかし、これらの問題を解決するための新しい設計が導入されています。Scuderiエンジンは、様々なターボチャージャー技術を用いてピストンとシリンダーヘッドのクリアランスを狭めることで、吸排気効率の問題に対処しています。Scuderiの設計では、外開きバルブを採用することで、ピストンがバルブの干渉を受けることなくシリンダーヘッドに非常に接近できるようにしています。Scuderiは、上死点後（ATDC）点火によって低い熱効率に対処しています。

ATDC の点火は、トランスファー通路内の高圧空気を使用してパワーシリンダー内に音速流と高乱流を生成することによって実現できます。

燃焼タービン

ジェットエンジン

ターボファンジェットエンジン

ジェットエンジンは、複数列のファンブレードを用いて空気を圧縮し、燃焼器に送り込んで燃料（通常はJP燃料）と混合し、点火します。燃料の燃焼により空気の温度が上昇し、エンジンから排出されることで推力が発生します。現代のターボファンエンジンは、最大48%の効率で運転できます。[ 45 ]

ターボファンエンジンには 6 つのセクションがあります。

  • ファン
  • コンプレッサー
  • 燃焼器
  • タービン
  • ミキサー
  • ノズル[ 46 ]

ガスタービン

タービン発電所

ガスタービンは空気を圧縮し、それを使ってタービンを回転させます。これは本質的にはジェットエンジンのようなもので、出力をシャフトに送ります。タービンには3つの段階があります。1) 空気は圧縮機に吸い込まれ、圧縮によって温度が上昇します。2)燃焼器に燃料が投入されます。3) 高温の空気はタービンブレードから排出され、タービンブレードは圧縮機に接続されたシャフトを回転させます。

ガスタービンは、原理的には蒸気タービンに似た回転機械であり、圧縮機、燃焼室、タービンの3つの主要部品で構成されています。圧縮機で圧縮された空気は、燃料を燃焼させることで温度が上昇します。加熱された空気と燃焼生成物はタービン内で膨張し、仕事量を生成します。仕事量の約2 ⁄ 3は圧縮機を駆動し、残りの約1 ⁄ 3は有効な仕事量として利用されます。[ 47 ]

ガスタービンは最も効率の高い内燃機関の一つです。ゼネラル・エレクトリック社の7HAおよび9HAタービン複合サイクル発電所は、61%以上の効率を誇ります。[ 48 ]

ブレイトンサイクル

ブレイトンサイクル

ガスタービンは、原理的には蒸気タービンに似た回転機械です。圧縮機、燃焼室、タービンの3つの主要部品で構成されています。圧縮機によって空気が圧縮され、温度が上昇します。圧縮された空気は、燃焼室に噴射された燃料の燃焼によってさらに温度が上昇し、空気が膨張します。このエネルギーでタービンが回転し、タービンは機械的なカップリングを介して圧縮機を駆動します。そして、高温のガスが排気され、推力を生み出します。

ガスタービンサイクルエンジンは、圧縮、燃焼、膨張がエンジン内の異なる場所で同時に発生する連続燃焼システムを採用しており、継続的な動力を生み出します。注目すべきは、オットーサイクル（定容積）ではなく、定圧燃焼で行われる点です。

ヴァンケルエンジン

ヴァンケル回転サイクル。ローターがローブの周りを1回転するごとにシャフトは3回転し、偏心シャフトの周りを1周するごとにシャフトは1回転します。

ヴァンケルエンジン（ロータリーエンジン）はピストンストロークを伴いません。4ストロークエンジンと同様に、各相はエンジン内の別々の場所で発生します。熱力学的にはオットーサイクルに従うため、「4相」エンジンと考えることができます。ローター1回転につき通常3回のパワーストロークが発生しますが、ローターと偏心軸の回転比が3:1であるため、実際にはシャフト1回転につき1回のパワーストロークしか発生しません。駆動軸（偏心軸）は、オットーサイクルのようにクランクシャフトが2回転するのに対し、パワーストロークごとに1回転するため、ピストンエンジンよりも高いパワーウェイトレシオを実現します。このタイプのエンジンは、マツダRX-8、初期のRX-7、その他の車両に搭載されたことで有名です。また、小型軽量で高いパワーウェイトレシオが利点となる無人航空機にも搭載されています。

強制吸気

強制吸気とは、圧縮空気を内燃機関の吸気口に送り込むプロセスです。強制吸気エンジンは、ガスコンプレッサーを用いて空気の圧力、温度、密度を高めます。強制吸気のないエンジンは、自然吸気エンジンとみなされます。

強制吸気は、自動車業界や航空業界でエンジンの出力と効率を高めるために使用されています。特に、高高度で動作する必要がある航空エンジンには効果的です。

強制吸気はスーパーチャージャーによって実現されます。スーパーチャージャーの場合は、コンプレッサーがエンジン シャフトから直接駆動されます。ターボチャージャーの場合は、エンジンの排気によって駆動されるタービンから駆動されます。

燃料と酸化剤

すべての内燃機関は、化学燃料（通常は空気中の酸素）の燃焼に依存しています（ただし、亜酸化窒素を噴射することで同様の効果を高め、出力を向上させることも可能です）。燃焼プロセスでは通常、大量の熱エネルギーが発生するとともに、非常に高温の蒸気、二酸化炭素、その他の化学物質が生成されます。到達温度は、燃料と酸化剤の化学組成（化学量論を参照）、圧縮率などの要因によって 決まります。

燃料

最も一般的な現代の燃料は炭化水素で構成されており、ほとんどが化石燃料（石油）に由来しています。化石燃料には、ディーゼル燃料、ガソリン、石油ガス、そして稀にプロパンが含まれます。燃料供給部品を除いて、ガソリン用に設計されたほとんどの内燃機関は、大きな改造をすることなく天然ガスまたは液化石油ガスで作動します。大型ディーゼルは、ガスと混合した空気とパイロットディーゼル燃料点火噴射で作動します。エタノールやバイオディーゼル（大豆油などトリグリセリドを生産する作物から生産されるディーゼル燃料の一種）などの液体および気体のバイオ燃料も使用できます。適切な改造を施したエンジンは、水素ガス、木材ガス、木炭ガス、その他の便利なバイオマスから作られるいわゆる生産ガスでも作動します。マグネシウム注入サイクルなどの粉末固体燃料を使用した実験も行われています。

現在使用されている燃料は次のとおりです。

流動化した金属粉末や爆薬も、ある程度は利用されてきました。燃料としてガスを使用するエンジンはガスエンジン、液体炭化水素を使用するエンジンはオイルエンジンと呼ばれます。ただし、ガソリンエンジンは口語的に「ガスエンジン」（北米以外では 「ガソリンエンジン」）と呼ばれることもあります。

燃料に関する主な制限は、燃料が燃料システムを通じて燃焼室に容易に輸送可能でなければならないことと、燃料が燃焼時に熱の形で十分なエネルギーを放出し、エンジンを実際に使用できる必要があることです。

ディーゼル エンジンは一般にガソリン エンジンよりも重く、騒音が大きく、低速ではより強力です。また、ほとんどの場合で燃費が良く、大型道路車両、一部の自動車 (ガソリン エンジンよりも燃費が良いためますます普及しています)、船舶、鉄道機関車、軽飛行機に使用されています。ガソリン エンジンは、ほとんどの自動車、オートバイ、モペットなど、他のほとんどの道路車両に使用されています。ヨーロッパでは、1990 年代以降、高度なディーゼル エンジン搭載車が市場の約 45% を占めています。水素、メタノール、エタノール、液化石油ガス(LPG)、バイオディーゼル、パラフィン、トラクター気化油(TVO) で稼働するエンジンもあります。

水素

水素は、最終的には従来の内燃機関における従来の化石燃料に取って代わる可能性があります。あるいは、燃料電池技術がその可能性を発揮し、内燃機関の使用が段階的に廃止される可能性もあります。

自由水素を製造する方法は複数ありますが、それらの方法では、可燃性分子を水素に変換するか、電気エネルギーを消費する必要があります。その電気が再生可能エネルギー源から生産されない限り、そして他の目的に必要とされない限り、水素はエネルギー危機を解決しません。多くの場合、炭素燃料と比較した水素の欠点は貯蔵です。液体水素は密度が非常に低く（水の14分の1）、高度な断熱材が必要であり、一方、気体水素は重いタンクを必要とします。液化された場合でも、水素はより高い比エネルギーを持ちますが、体積エネルギー貯蔵量はガソリンの約5分の1に過ぎません。しかし、水素のエネルギー密度は電気バッテリーのそれよりもかなり高いため、化石燃料に代わるエネルギーキャリアとして有力な候補となっています。「オンデマンド水素」プロセス（直接水素化ホウ素燃料電池を参照）は必要に応じて水素を生成しますが、原料である 水素化ホウ素ナトリウムの価格が高いなど、他の課題があります。

酸化剤

1気筒ガソリンエンジン、 1910年頃

地表には空気が豊富に存在するため、酸化剤としては通常、大気中の酸素が使用されます。これは機体内に貯蔵されないという利点があります。これにより、出力重量比と出力容積比が向上します。その他の材料は特殊な用途に使用され、出力の向上や水中や宇宙での運用を可能にするために用いられることが多いです。

  • 圧縮空気は魚雷によく使われてきました。[ 49 ]
  • 日本の九三式魚雷には、圧縮酸素と少量の圧縮空気が使用されました。一部の潜水艦は純酸素を搭載しています。ロケット弾では液体酸素が使用されることが非常に多いです。[ 50 ]
  • ニトロメタンは、パワーを増強し、燃焼を制御するために、一部のレース用燃料や模型用燃料に添加されます。
  • 亜酸化窒素は、ガソリンと混合して、戦術航空機や特殊装備の車両に使用され、ガソリンと空気で動くエンジンの短時間のパワー増加を可能にしています。また、バート・ルータンロケット宇宙船にも使用されています。
  • 過酸化水素燃料は、第二次世界大戦中のドイツ潜水艦向けに開発中でした。一部の非原子力潜水艦では使用された可能性があり、一部のロケットエンジン（特にブラックアローとメッサーシュミットMe163ロケット戦闘機）にも使用されました。
  • 塩素やフッ素などの他の化学物質も実験的に使用されていますが、実用的ではないことが確認されています。

冷却

冷却は過剰な熱を取り除くために必要です。高温は、摩耗（高温による潤滑不良による）、亀裂、または歪みによってエンジン故障を引き起こす可能性があります。 エンジン冷却の最も一般的な 2 つの形式は、空冷と水冷です。 現代の自動車エンジンのほとんどは水冷と空冷の両方を採用しており、水/液体の冷却剤は空冷フィンやファンに運ばれます。一方、大型エンジンは固定されており、水道本管または真水によって常に水が供給されているため、水冷のみの場合があります。一方、ほとんどの電動工具エンジンやその他の小型エンジンは空冷です。 一部のエンジン（空冷または水冷）にはオイル クーラーも付いています。 一部のエンジン、特にタービン エンジン ブレードの冷却や液体ロケット エンジンの冷却では、燃料が冷却剤として使用されます。これは、燃料が燃焼室に噴射される前に同時に予熱されるためです。

起動

インレー湖（ミャンマー）でボートのディーゼルエンジンを手で回す
自動車で使用される電気スターター

内燃機関はサイクルを始動させる必要があります。往復動エンジンでは、クランクシャフト（ヴァンケル・ローター・シャフト）を回転させることによって始動され、吸気、圧縮、燃焼、排気のサイクルが誘発されます。最初のエンジンはフライホイールを回すことで始動し、最初の自動車（ダイムラー・ライトヴァーゲン）はハンドクランクで始動しました。チャールズ・ケタリングが自動車用電動スターターを開発するまで、すべての内燃機関搭載自動車はハンドクランクで始動していました。[ 51 ]この方法は現在、自動車以外の分野でも最も広く使用されています。

ディーゼルエンジンが大型化し、機構が重くなるにつれて、エアスターターが使用されるようになりました。[ 52 ]これは、電動スターターのトルク不足によるものです。エアスターターは、圧縮空気をエンジンのシリンダー内に送り込み、エンジンを始動させます。

二輪車のエンジンは、次の 4 つの方法のいずれかで始動できます。

  • 自転車のようにペダルをこぐことで
  • 車両を押してクラッチを繋ぐ「ランアンドバンプスタート」と呼ばれる
  • 片方のペダルを蹴り下げる（キックスタート）ことで
  • 車のように電動スターターで

クランクの動きによってスプリングが圧縮され、エンジンを始動するスターターもあります。

一部の小型エンジンには、「リコイル始動」と呼ばれるロープ引き機構が採用されています。これは、エンジンを始動するためにロープを引き出した後に、ロープが自動的に巻き戻る仕組みです。この方式は、手押し式芝刈り機など、エンジンを始動させるのにわずかなトルクしか必要としない用途でよく使用されます。

タービンエンジンは、多くの場合、電気モーターまたは圧縮空気によって始動されます。

エンジン性能の測定

エンジンの種類はさまざまな点で大きく異なります。

エネルギー効率

点火・燃焼すると、燃焼生成物（高温ガス）は、元の圧縮された燃料と空気の混合気（より高い化学エネルギー）よりも多くの利用可能な熱エネルギーを持ちます。この利用可能なエネルギーは、エンジンによって運動エネルギーに変換される高温・高圧という形で現れます。往復エンジンでは、シリンダー内の高圧ガスがエンジンのピストンを駆動します。

利用可能なエネルギーが除去されると、残りの高温ガスは（多くの場合、バルブを開くか排気口を露出させることによって）排出され、ピストンは元の位置（上死点、TDC）に戻ります。その後、ピストンはサイクルの次の段階に進みます。この段階はエンジンによって異なります。仕事に変換されない熱エネルギーは通常、廃棄物とみなされ、空冷システムまたは液冷システムによってエンジンから除去されます。

内燃機関は熱機関（燃焼時の化学エネルギーの放出がエンジンへの熱伝達と同じ効果を持つため）と見なされ、その理論的な効率は理想的な熱力学サイクルで近似できます。理論サイクルの熱効率はカルノーサイクルの熱効率を超えることはできません。カルノーサイクルの効率は、エンジンの下限動作温度と上限動作温度の差によって決まります。エンジンの上限動作温度は、主に2つの要因、すなわち材料の熱動作限界と燃料の自己発火抵抗によって制限されます。すべての金属と合金には熱動作限界があり、より高い熱安定性と望ましい構造特性を持つセラミック材料の研究が盛んに行われています。熱安定性が高いほど、下限（周囲温度）動作温度と上限動作温度の温度差を大きくできるため、熱力学的効率が向上します。また、シリンダー温度が上昇すると、燃料が自己発火しやすくなります。これは、シリンダー温度が充填物の引火点に近づくと発生します。この時点で、点火プラグが点火する前に自然発火が発生し、シリンダー圧力が過剰になる可能性があります。自己発火抵抗の高い燃料 (オクタン価) を使用すると自己発火を軽減できますが、許容されるシリンダーピーク温度には依然として上限が設定されます。

熱力学的限界は、エンジンが理想的な条件（摩擦のない世界、理想気体、完全な絶縁体、そして無限時間の動作）で動作することを前提としています。現実世界での応用では、効率を低下させる複雑さが伴います。例えば、実際のエンジンは特定の負荷（パワーバンドと呼ばれる）で最もよく動作します。高速道路を走行する車のエンジンは、急加速に必要な高負荷向けに設計されているため、通常、理想的な負荷よりも大幅に低い負荷で動作しています。さらに、風圧などの要因によってシステム全体の効率が低下します。自動車の燃費は、1ガロンあたりのマイル数または100キロメートルあたりのリットル数で測定されます。炭化水素の量は、標準エネルギー含有量を前提としています。

ターボチャージャーや純正の効率向上装置を使用しても、ほとんどのエンジンの平均効率は約 18～20% にとどまります。[ 53 ]しかし、 F1 エンジンの最新技術では、熱効率が 50% を超えています。[ 54 ] IC エンジンの効率を上げることを目的とした発明は数多くあります。一般的に、実用的なエンジンでは、効率、重量、出力、熱、応答性、排気ガス、騒音など、さまざまな特性の間でトレードオフが常に生じます。経済性は、エンジンの製造コストや、燃料の製造と流通コストにも影響を与えることがあります。エンジン効率を上げると燃費は向上しますが、エネルギー含有量あたりの燃料コストが同じ場合に限られます。

燃料効率と推進剤効率の測定

プロペラエンジンを含む固定式エンジンおよび軸式エンジンの場合、燃料消費量は、燃料消費量の質量流量を発生した電力で割った値である 正味燃料消費量を計算して測定されます。

ジェット エンジンの形をした内燃機関の場合、出力は対気速度によって大きく変化するため、それほど変化しない測定基準として推力比燃料消費量(TSFC) が使用されます。これは、衝動を生成するために必要な推進剤の質量で、ポンド力時または 1 キロニュートン秒の衝動を生成するために必要な推進剤のグラム数で測定されます。

ロケットの場合、 TSFC を使用できますが、通常は、比推力や有効排気速度など、他の同等の測定基準が伝統的に使用されます。

大気汚染と騒音公害

大気汚染

スヴァタ カテジナ リゾート、ポチャトキ、チェコの道路標識

往復動内燃機関などの内燃機関は、炭素質燃料の不完全燃焼により大気汚染物質を排出します。このプロセスの主な派生物は二酸化炭素CO2、水、そして少量の煤（粒子状物質（PM）とも呼ばれる）です。 [ 55 ]粒子状物質を吸入した場合の影響は人間と動物で研究されており、喘息、肺がん、心血管系の問題、早期死亡などがあります。[ 56 ]ただし、運転条件と燃空比に応じて、窒素酸化物、硫黄、および一部の未燃焼炭化水素など、燃焼プロセスの追加の生成物もあります。

内燃機関（特にガソリンやディーゼルなどの化石燃料を使用するもの）からの二酸化炭素排出は、人為的な気候変動の一因となっています。エンジンの燃費を向上させることで、 CO排出量を削減することはできますが、完全にゼロにすることはできません。2炭素ベースの燃料の燃焼によりCO2が排出されるため2COを除去して以来2エンジン排気ガスからのCO2回収は現実的ではないため、代替燃料への関心が高まっています。バイオ燃料、合成燃料、バッテリー駆動の 電気モーターなどの持続可能な燃料がその例です。

燃料のすべてが燃焼プロセスによって完全に消費されるわけではありません。燃焼後には少量の燃料が残り、その一部は反応してホルムアルデヒドやアセトアルデヒドなどの酸素化合物、あるいは元々は混合燃料には含まれていなかった炭化水素を生成します。不完全燃焼は通常、完全な化学量論比を達成するための酸素が不足することで発生します。炎は比較的低温のシリンダー壁によって「消火」され、未反応の燃料が排気ガスとともに排出されます。低速運転時には、天然ガスを燃料とするディーゼル（圧縮着火）エンジンで消火現象がよく見られます。消火は効率を低下させ、ノッキングを増加させ、場合によってはエンジンのストールを引き起こします。不完全燃焼は一酸化炭素（CO）の生成にもつながります。さらに、ベンゼンや1,3-ブタジエンなどの化学物質も放出され、これらも有害な大気汚染物質です。

エンジン内の空気量を増やすと不完全燃焼生成物の排出は減少しますが、空気中の酸素と窒素の反応を促進して窒素酸化物（NO x）を生成します。NO xは植物と動物の健康に有害であり、オゾン（O3オゾンは直接放出されるのではなく、大気中の窒素酸化物（NOx ）と揮発性有機化合物（VOC）が太陽光の存在下で反応して生成される二次的な大気汚染物質です。地上オゾンは人体と環境に有害です。地上オゾンは同じ化学物質ですが、地球を有害な紫外線から守る 成層圏オゾン（オゾン層）と混同しないでください。

硫黄を含む炭素燃料は一酸化硫黄（SO）と二酸化硫黄（SO2）が酸性雨の原因となっている。

米国では、窒素酸化物、PM、一酸化炭素、二酸化硫黄、オゾンは、大気浄化法に基づき基準大気汚染物質として、人の健康と福祉が保護されるレベルに規制されています。ベンゼンや1,3-ブタジエンなどのその他の汚染物質は、技術的および実用的考慮に基づき、排出量を可能な限り削減する必要がある 有害大気汚染物質として規制されています。

NOx、一酸化炭素、その他の汚染物質は、排気ガスの一部をエンジンの吸気に戻す 排気ガス再循環によって制御されることが多い。触媒コンバータは、排気中の化学物質をCOに変換するために使用される。2（温室効果ガス）、H2O（水蒸気、これも温室効果ガス）とN2（窒素）。

非道路用エンジン

多くの国で採用されている排出ガス基準には、公道で運行されない機器や車両に搭載される非道路用エンジンに対する特別な要件が設けられており、これらの基準は道路車両とは別個のものである。[ 57 ]

騒音公害

騒音公害に大きく寄与しているのは内燃機関です。高速道路や街路網を走行する自動車やトラックの交通は騒音を発生させます。また、航空機の飛行も、特に超音速機のジェット機の騒音によって騒音を発生させます。ロケットエンジンは最も激しい騒音を発生させます。

アイドリング

内燃機関はアイドリング中でも燃料を消費し、汚染物質を排出し続けます。アイドリングはスタート・ストップシステムによって軽減されます。

二酸化炭素の生成

1リットルのディーゼル燃料（またはガソリン）が燃焼したときに放出される二酸化炭素の質量を推定する良い方法は次のとおりです。[ 58 ]

ディーゼルの化学式はCである。nH2n実際には、ディーゼルは様々な分子の混合物です。炭素のモル質量は12 g/mol、水素（原子）のモル質量は約1 g/molであるため、ディーゼル中の炭素の重量分率はおよそ12 ⁄ 14となります。

ディーゼル燃焼の反応は次のように表されます。

2 ℃nH2n+ 3nO2⇌ 2n CO2+ 2n H2お

二酸化炭素のモル質量は44g/molです。これは、酸素原子2個（16g/mol）と炭素原子1個（12g/mol）から構成されているためです。つまり、炭素原子12gから二酸化炭素原子44gが生成されます。

ディーゼルの密度は1リットルあたり0.838 kgです。

すべてをまとめると、1 リットルのディーゼルを燃焼することによって生成される二酸化炭素の質量は次のように計算できます。

0.838けグラム/L⋅1214⋅4412＝2.63けグラム/L{\displaystyle 0.838kg/L\cdot {\frac {12}{14}}\cdot {\frac {44}{12}}=2.63kg/L}

この推定で得られた数値は、文献に記載されている値に近いものです。

ガソリンの密度は 0.75 kg/L、炭素原子と水素原子の比率は約 6 対 14 で、1 リットルのガソリンを燃焼させたときに排出される二酸化炭素量の推定値は次のようになります。

0.75けグラム/L⋅6⋅126⋅12+14⋅1⋅4412＝2.3けグラム/L{\displaystyle 0.75kg/L\cdot {{\frac {6\cdot 12}{6\cdot 12+14}}\cdot 1}\cdot {\frac {44}{12}}=2.3kg/L}

寄生損失

寄生損失という用語は、エンジンのエネルギー生成能力を高めたり、エネルギーを運動に変換したりするために、エンジンからエネルギーを取り出す装置によく適用されます。内燃機関では、ドライブトレインを含むほぼすべての機械部品が寄生損失を引き起こすため、寄生負荷として特徴付けることができます。

例

ベアリング、オイルポンプ、ピストンリング、バルブスプリング、フライホイール、トランスミッション、ドライブシャフト、デファレンシャルはすべて、システムのパワーを奪う寄生負荷として機能します。これらの寄生負荷は、エンジンの動作に固有のものと、エンジンから路面へ動力を伝達するシステム（トランスミッション、ドライブシャフト、デファレンシャル、アクスルなど）で発生するドライブトレイン損失の2つのカテゴリーに分けられます。

例えば、前者のカテゴリー（エンジン寄生負荷）には、エンジンを潤滑するために使用されるオイルポンプが含まれます。これは、エンジン（そのホスト）から電力を消費する必要な寄生負荷です。エンジン寄生負荷のもう1つの例は、エンジンから電力を引き出し、エンジンにさらに多くの電力を生み出すスーパーチャージャーです。スーパーチャージャーが消費する電力は寄生損失であり、通常はキロワットまたは馬力で表されます。スーパーチャージャーが消費する電力は、発生する電力と比較して小さいですが、それでも測定または計算可能です。スーパーチャージャーよりもターボチャージャーが望ましい機能の1つは、前者の寄生損失が低いことです。[ 59 ]

ドライブトレインの寄生損失には、定常負荷と動的負荷の両方が含まれます。定常負荷は一定速度で発生し、トルクコンバータ、トランスミッションオイルポンプ、クラッチ抵抗などの個別部品、シール/ベアリング抵抗、潤滑油の攪拌、システム全体に見られるギアの風損/摩擦などから発生する可能性があります。動的負荷は加速時に発生し、回転部品の慣性や摩擦の増加によって引き起こされます。 [ 60 ]

測定

ドライブトレインの寄生負荷による15%の電力損失などの経験則はよく繰り返されていますが、寄生負荷による実際のエネルギー損失はシステムによって異なります。これは、パワートレインの設計、潤滑油の種類と温度、その他多くの要因によって影響を受ける可能性があります。[ 60 ] [ 61 ]自動車では、エンジンダイナモメーターとシャシーダイナモメーターで測定された電力の差を測定することで、ドライブトレインの損失を定量化できます。ただし、この方法は主に定常負荷の測定に有効であり、動的負荷による損失を正確に反映していない可能性があります。[ 60 ]実験室環境では、シリンダー内の圧力測定、特定のポイントでの流量と温度の測定、および個々の部品またはサブアセンブリのテストによる摩擦損失とポンピング損失の測定など、より高度な方法を使用できます。[ 62 ]

例えば、『ホットロッド』誌によるダイナモメーターテストでは、改造された357ciスモールブロック・フォードV8エンジンとオートマチックトランスミッションを搭載したフォード・マスタングのドライブトレインにおける平均パワーロスは33%でした。同じテストで、改造された455ci V8エンジンと4速マニュアルトランスミッションを搭載したビュイックのドライブトレインにおける平均パワーロスは21%でした。[ 63 ]

大型ディーゼルエンジンの実験室でのテストでは、燃料エネルギー入力の1.3％が水ポンプやオイルポンプなどのエンジン付属品の寄生負荷によって失われていることが判明しました。[ 62 ]

削減

自動車技術者やチューナーは、効率や出力を向上させるために、寄生負荷を減らす設計選択をするのが一般的です。これには、ウェットサンプシステムの代わりにドライサンプ潤滑システムを使用するなど、主要なエンジン部品やシステムの選択が含まれる場合があります。あるいは、エンジン直接駆動ファンをファンクラッチや電動ファン付きのものに交換するなど、アフターマーケットの改造で入手できるマイナーコンポーネントを交換することでも、この効果が得られます。 [ 63 ]寄生損失を減らすための別の改造は、サーキット専用車でよく見られるもので、エンジン駆動ウォーターポンプを電動ウォーターポンプに交換することです。[ 64 ]これらの変更による寄生損失の減少は、摩擦の減少や、設計の効率化につながるその他多くの変数によるものと考えられます。

参照

参考文献

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さらに読む

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