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解決済みの質問

内燃機関(エンジン)の不思議

いつも思っていたことですが、例えば4サイクルでは吸入・圧縮・点火・排気という一連の工程を行いクランクシャフトを回転させていますよね。
時速100キロ以上にもなるとその工程はものすごい速さだと思います。4サイクルの正確な順序立てた工程がものすごいスピードで行われているのでしょうか?(勿論そうなのでしょうけれど)
例えば、モーターなら電磁石のNとSが入れ替わり永久磁石との引き合い・反発なので高速回転でも容易に理解出来るのですが、ことエンジンとなると信じられません。(といっても毎日、乗っている車がトラブルも無くまさにそうなのですが・・・)よろしければ御教示ください。

投稿日時 - 2011-03-04 08:32:28

QNo.6566636

暇なときに回答ください

質問者が選んだベストアンサー

ものすごい速さってことも無くて、丁度良い速さなんですよ。

例えば、6,000rpmのガソリンエンジンの場合、一秒に100回転ですから、ピストンが上死点から下死点まで0.005秒ですよね。
これが気化したガソリンに着火して、火焔が全体に行き渡るのに丁度良い速さなんです。
シリンダー容積を小さくして(多気筒化し)、思い切り早期着火をしてもF1レースカーの12,000rpmぐらいが限界です。

ですから、現在の自動車エンジン程度のシリンダー容積の内燃機関を20,000rpmで回せるかと言うと「それは無理です」という領域に入ってきますね。
一方、燃料の燃焼を伴わない電気モーターなら30,000rpmでも40,000rpmでも可能ですから、そこにはちゃんと内燃機関の限界がありますよ。

投稿日時 - 2011-03-06 02:24:07

お礼

ご回答ありがとうございます。

確かに新幹線などは時速300キロオーバーを何時間にわたって安定して持続できますよね。

投稿日時 - 2011-03-07 10:00:28

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回答(14)

ANo.13

ちょっと計算してみましょう。
エンジンの回転数f=6000rpm=100回転/sec 行程距離L=150mm=0.15m 、ピストンの運動はSin曲線を描いて動いているとすると、ピストン運動の最大速度vは
v=2π(L/2)f なので、2*3.14*0.15/2*100=47.1m/sec
となります。
流体では音速がひとつの壁になっていて、これを超えると衝撃波が発生したり、部分的に真空ができたりして、スムースな気流ができなくなりますが、47.1m/sec はまだまだ音速の340m/sec(高圧下ではもっと大きくなる)よりずっと小さいので、十分問題ない範囲であることがわかります。

投稿日時 - 2011-03-05 13:57:19

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-07 09:56:15

ANo.12

手元に正確なデータがないので、考え方だけを書きます。
エンジンが作動するための必要条件は:
1.機械的に破損しないで機能する。摩耗や遠心力。
2.点火などの化学変化が設計通り行く。電気系統も関与する。
3.空気や燃料の流れが円滑に行く

第一点は各瞬間の力を計算し、かつ耐久性を考えればよいので、何とかなりそうです。
第二点は化学反応、電気制御などですから、高速は得意な分野です。

そこで、第三点を取り上げます。
エンジンの中ではピストンが上下しています。どのくらいの速度かというと
ストローク(行程)x回転数x2です。(二倍したのはピストンが上がる行程と下がる行程があるから)
エンジンには小さいオートバイエンジン、中間の自動車エンジン、大型タンカーなどの巨大な舶用エンジンがありますが、ストロークの小さいエンジンは回転数が高く、巨大エンジンは回転数が低いので、ピストン速度はそれほど変わりません。

エンジンは空気を吸い込まなくては働きませんが、吸い込み速度はピストン速度と、桁としては同じ程度です。別に音速を超える訳ではありません。従って、高速走行中の自動車エンジンで、吸排気がうまく作動していても、それほど驚く必要はなさそうです。

投稿日時 - 2011-03-05 10:56:53

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-07 09:55:43

ANo.11

NO.5です。
どうも質問者様との思いの乖離を感じているのですが、私自身はエンジンというものが不思議だとは思っていません。エンジンメカニズムというものは多くのわれわれと同じ人間たちが思いつき、100年かけて改良してきたもので、ひとことでいうと、一旦動き始めるとうまく継続的に回転し続けるように、それぞれの部分がしっかり機械的に連動する構造になっているので、いくら速く回そうと、いくらでもそれに追従できるように工夫されているということです。その構造にあいまいなところはありません。ここでもかかれてありますが、強いてあげれば弁を上下させるばねくらいがちょっといい加減なだけで、ほとんどががっしりしたリンク装置とカムで構成されてあり、誰デモ実際にその模型を見ればすんなり理解できるような、基本的には単純なものです。
目では確認できない電気モーターのほうが逆に(単純そうではあっても)むづかしいといえるのではないでしょうか。

私が疑問に思っていることは、むしろ、どんなにコスト無視でつくっても、結局F1レベルのエンジンですら2万回転/分 で頭打ちになってしまうらしいということです。ロングストロークは今ははやりませんが、たとえそうであっても爆発スピードと回転数の連関でいけば、まだまだ音速には程遠いので、限界回転数というものが何で存在するのか、このあたりのことが知りたいですね。

投稿日時 - 2011-03-05 10:50:57

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-07 09:54:54

ANo.10

目に見える物の動きと目に見えない物の動きの違いで、目に見える物については質量による慣性の存在を無意識のうちに感じているためです。
確かに、馬力を上げる最も手っとり早い、回転数を方法では爆発燃焼で膨張するガスの速度よりピストンの速度が速くなるため、ロングストロークでは限界があるそうです。
目に見える物の変化、移動には必ず時間がかかるものですね。

投稿日時 - 2011-03-04 20:34:38

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-07 09:54:26

ANo.9

>4サイクルの正確な順序立てた工程がものすごいスピードで行われているのでしょうか?
答えとしてはそうです、としか言い様がありませんが、実用一般車よりレーシングエンジンなら
もっとすごいです。F-1マシンのエンジンなら10000~16000回転/分(r.p.m.)でも
常用域で、スペック上の最高であればもっと回ります。もっともここまでくると、バルブスプリングが
速さについて来れなくなるのでバネでは無く窒素ガスでバルブ駆動したり、高回転主眼の軸受けで
あるため逆に低回転では使えないとか、なによりオイル交換さえしていれば黙って何万kmも
走れる一般用と違って、300kmや2時間程度の走行に耐えるのが限界に近い(逆にレース
だけ持てばそれでいい)、といった普通のものとは別の世界です。

ラジコン等に使う模型エンジンの話をすれば、飛行機やヘリに使うエンジンの多くは2サイクル
で20000rpm近くは回り、実際飛んでいるラジコンヘリのエンジンは常時15000rpm以上
は回っています。4サイクルでも最高10000rpm位で、平均的な実車の倍程度回ります。
さらにラジコンカーやボート用ではスペック上最高30000~40000rpmというのも当たり前に
なっています。
これ程回りますので、発生馬力比較をかなり乱暴に言うと(もともと主成分がアルコールで燃料
にニトロ系添加剤を使っている、遥かに小さいサイズといった違いもあるのですが)、普通のラジ
コンヘリ用2サイクルで3.5リットルNA時代のF-1エンジンと同程度であり、排気量あたりの出力
は200馬力/リットル以上となります。

こんなにも高回転で回って行程(サイクル)が実際に行われ、しかも実用に耐えている、というの
は改めて不思議と言えば確かに不思議です。しかし現実にそれだけの速さで空気が吸入された
り膨張したり、エンジン各部は回転・往復運動をしている訳です。

投稿日時 - 2011-03-04 19:19:00

お礼

ご回答ありがとうございます。

ラジコン模型用エンジンって確か点火は焼玉式?(ピストンの高圧圧縮により自然発火?)だから回転数も上がるのでしょうか。実車さながら複雑な4サイクルもあるのですね。

投稿日時 - 2011-03-04 20:39:54

ANo.8

先ずは間違いから、エンジン回転数とスピード速度とはべつもの、スピードはミッションで変えます。
エンジンの回転数は、アイドリング回転数からエンジン性能回転数まで(レッドゾーン以内)だけしか回しません。
スピードは、ミッションのギアー比で変わります、だからMT車は3段~6段のシフトレバーは乗用車は普通です。
私は、ふく変速機つきの14段を乗ったことがありますが、飛び飛びで使いますから6段シフトで使います。

本題のエンジン回転数ですが、ガソリン車は2千回転~8千回転で使うのが通常です、ジーゼル車は5百回転~3千回転で使うのが通常です。

ガソリン車で4気筒で4千回転でいちばん力が出る回転数で話します。
一分間で4千回転、吸入・圧縮」・点火・排気をクランクが2回転で一工程をこなしますから、点火だけを見れば一回転おきに点火します、2千回点火するだけです、それを吸入・圧縮・排気が同じに遣っているだけです。

そこから、エンジンの使い方で単気筒~多気筒・ショートストローク~ロングストローク・SOHC~DOHCなどといろんなエンジンがあります。其の工程を安定して回し性能のいいエンジンを見つけるためと確認するテストのために、各種レースがあります。

レース予選は、各社のテスト走行のために走ります、それがメーカー所属のドライバーです。
タイヤメーカー・各種オイルメーカー等々、メーカーステッカーを貼っていいるのは、自分の商品のテストをしてもらうためにスポンサーになってお金を出しています。
トップレーサーほど、予選のときはピットインするたびに、マシンの性能が変わります。それでもトップをキープするからスポンサーがお金を出してもテストをしてもらいます。

投稿日時 - 2011-03-04 16:04:25

補足

確かに点火は一回転おきですよね!そのぶんプラグは休めるわけですね・笑

投稿日時 - 2011-03-04 20:49:19

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-04 20:30:47

ANo.7

50ccの原付でも分解すればわかりますがタイヤとチェーンとギアでつながってクランクが回ってピントンが往復するのがわかりますから時速30キロでもタイヤが回っているのでピントンも動いているはずです、手でタイヤを回すぐらいの速さでもピストンは早く往復しますから実際に走っているときは凄い速さであることは想像できます。原付のピストンはほんの小さな物で一つだけで人を乗せて走れるのですから、不思議なものです。
昔の空冷2サイクルエンジンはシリンダーヘッドがすぐに外せましたから、実際にピストンが動くのを見るのは簡単でしたが今の4サイクルのスクータになって実際にエンジンの外観をみることも少なくなったのでブラックボックス的になってしまいました、4輪車だとボンネットを開けてもどれがエンジンかすら見えなくなっていますl。

本の図解でみるよりもエンジンの現物を分解するのが一番わかるのですが何でも便利に複雑になりすぎて原理がわかりにくくなってきました、構造がわかっていると、100kで走っていて、あのピントンがもしも今割れたらどうなだろうか、シャフトが折れたらどうなるかと考えるとむちゃくちゃな走り方はしなくなります

投稿日時 - 2011-03-04 15:39:48

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-04 20:29:44

ANo.6

No.4です。
ガソリンエンジンの駆動の仕組みを分り易く表すなら「石油発動機」を
見ればよりよく分かります。
たまに焼玉機関と混同されて解釈されていますが点火方式、燃料など
が異なります、石油発動機はガソリン(ケロシン)を燃油としガソリン
エンジンと基本構造がほぼ共通しています。
ただ各種部品の精度は現代の自動車用ガソリンエンジンから比べれば
多少甘い物がありますし元々エンジンそのものの回転数が低いので
動き方がよくわかります、だからこそ教材にもなるのですが。

ガソリンエンジンの場合使っている燃料のオクタン価が高いので
より高圧で圧縮でき爆発力も上げられ回転数も上げられるので高効率
を得られますが動作も瞬間的になるので実感が得にくいのでしょう。
最も職人というか経験を積んだ技術者や整備士の方であれば振動だけで
エンジンの状態をかなり正確に把握する方もおられます。

投稿日時 - 2011-03-04 10:15:22

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-04 20:28:49

結局、ガス爆発のエネルギーがピストンを押し広げる力を利用してあれだけの速い動きを可能にしているのでしょう。クランク軸そのものは昔は手と腕で直接回転できるほど軽いトルクで動かせるほどの機械(これもなかなかよく出来た機構、精度なのでしょうが)なので、ひとつの問題はガス爆発の膨張の速さがどこまで加速できる能力なのかということです。基本的に空気の動きは爆発時も音速が限度です。ピストンのストロークがたとえば100mmとして1回転200mm、10000回転/分ではおおざっぱにいって30m/秒 くらいの速さで動かねばならないことになりますが物理的には充分追従できる、まだまだあげられるということになります。ホンダエンジンはストロークを小さく(50mm以下)して高回転(15000/分くらい)にしているようですが、それでもピストんの速さは平均23mくらいだそうです。要は機械の精度と耐久性がそのあたりで限度に来ているのだと思います。

投稿日時 - 2011-03-04 09:32:33

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-04 20:28:02

ANo.4

モーターもそうですがそれを成しているのがこれまでの内燃機関の長い歴史における数々の
技術革新によるものでしょう。

質問を読んでいて思ったのですが具体的にどのような事がお聞きになりたいのでしょうか?
4サイクルエンジンの動作している状態を見るならばお近くにあるかはわかりませんが
交通科学博物館などであればガソリンエンジンの動作の様子を描いた切断模型(真っ二つに
割られた物)で確認できます。
それ以外の動作の様子であれば図書館などで閲覧できるビジュアル図鑑シリーズでも確認
できます。

4サイクルエンジンその物は一般的には「オットーサイクルエンジン」の事であり動作は、ピストンが
4ストロークしそのたびにクランクシャフトが2回転して、混合気を吸気、圧縮、燃焼、排気する動作
を繰り返し行うものです。
これらが何の問題もなく行えるように各部品を高精度に製造しかつ摩擦などによって発生する
熱などで部品が劣化しないようにエンジンオイルをエンジン内に入れ日常において何も問題
なく動作できるようにしています。

これらの現代的なガソリンエンジンにおける技術革新は航空機用ガソリンエンジン、船舶用ガソリン
エンジンなどでのノウハウが元になっています、エンジンはれっきとした工業製品です。
実際多くの自動車メーカーはその前身や歴史において何らかの形で航空機・船舶用エンジンの
開発や製造に関わっています(例外もあります例えばバイク製造メーカーのスズキなど)。

投稿日時 - 2011-03-04 09:28:50

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-04 20:27:21

ANo.3

信じられないくらいスゴイことをしているのです。
電気の世界では1秒間に100往復というのは、低周波のなかでも
低い方に相当しますが、メカでこれを実現するのは大変です。

しかもこの1サイクルの中でもたくさんやることがあります。
バルブの開け閉めも空気やガスの動きの遅れ分を考えて
タイミングをずらしています。点火や、今なら燃料噴射など
1秒間に100回:つまり10msecよりはるかに短いタイミングを
要求されています。

排気のスピードなんて、バルブを通るところでは音速になります。
温度が高いから音速も速いですが、それでもこれがひとつの
限界になります。

他にも細かいところで、スゴイ技術がたくさん使われています。
しかも量産されています。さらに、その技術を知れば知るほど
ナンデ100万円そこそこで作れるのか、その方が不思議なくらいです。

投稿日時 - 2011-03-04 09:23:41

お礼

ご回答ありがとうございます。

確かに電気の世界ではM、GHzというように桁違いですよね。しかしメカでこれだけのことをやっているのは凄いと思います。

投稿日時 - 2011-03-04 20:26:36

ANo.2

もちろん寸分のロスもなく動いていますよ。
ちょっとでもずれると、失火したり異常燃焼でエンジンが壊れたりします。
電子的な制御が組み込まれるようになって、相当厳密に制御されるようになりましたね。

部品数も半端無く多いです。私なんて分解したら絶対組みたてられません。

投稿日時 - 2011-03-04 09:15:03

お礼

ご回答ありがとうございます。

投稿日時 - 2011-03-04 20:22:36

ANo.1

あなたの疑問はもっともです。
100キロのときは、実はそんなに回転数は高くないですが(普通乗用車、5速MT、4速ATであればギアで変速して、低回転を使っているので)、
アクセルをめいいっぱい踏めば、一分間に7000回転くらい回りますかね。
一秒間に100回以上回っていることになります。
それでもカムやバルブが正確に動いているのですから、凄いと思います。

エンジン開発の歴史は、いかに正確に作動させるかの歴史と言ってもいいと思います。
初期のエンジンは、それこそ低回転だけのポンポンと回るものでした。
150年くらい前だったかな?
50年くらい前までは、良いバルブスプリングが無かったので、高回転になるとバルブの開閉が追いつかない、バルブサージングという現象が現れました。
そのため、各社創意工夫していました。
バルブスプリングを使わない、強制開閉式のデズモトロミック機構、ヘアピンスプリングタイプ、トーションバースプリングタイプもありました。
それが、材質や加工処理技術の向上により、今はほぼ全てがコイルスプリングになり、
それ以外はイタリアのバイクメーカーが頑なにデズモ機構を使っているだけになりました。

エンジンは、その基本的な構造に劇的進歩は無いけれど、
それを正確に作動、コントロールする技術が劇的に進化したので、今のような高回転、安定した出力が得られるようになりました。

投稿日時 - 2011-03-04 09:01:10

お礼

ご回答ありがとうございます。

仰るとおりで本当に凄いと思います。

投稿日時 - 2011-03-04 20:22:12

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