エンジンと一口にいってもたくさんの種類があります。レシプロエンジン、ディーゼルエンジン、ロータリーエンジン、水素、燃料電池、ハイブリッド、CNGなど多岐にわたりますのでここでは１番基本的なエンジン、レシプロエンジンすなわちガソリンエンジンについて記事にしたいと思います。
簡単にいえばガソリンを入れて圧縮して爆発させてそれを回転エネルギーにします。
工程は4つ。吸入 圧縮 点火 排気
吸入 空気を燃焼室に取り入れます
圧縮 ガソリンを噴射し、空気と混ぜて圧縮する
点火 プラグにより点火して燃焼室で爆発が起きる
排気 爆発して要らなくなった燃えカスを排気
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これはいわゆる4ストロークエンジンで4工程あるから4ストロークで2工程でクランクシャフトが１回転。つまり4ストロークすれば2回転ということになります。ではもう少し掘り下げて見ていきたいと思います。
まず吸入工程では空気を燃焼室に取り込みます。燃焼室内にあるピストンが下がることによって注射器のように負圧が起こりエアクリーナー→スロットルバルブ→インテークマニホールドを通り燃焼室内に入ります。直噴エンジンでなければインテークマニホールドで燃料を噴射します。
吸入工程の時は燃焼室の吸気バルブを開きます。
ピストンが下まで下がりきったら今度は圧縮工程に入り、空気を圧縮するためピストンが上がっていきます。この時吸気バルブは閉じて燃焼室内は密閉されます。直噴エンジンの場合はここで燃料を噴射します。
ちなみに圧縮しなくても点火すれば爆発は起きます。しかし、空気の量で爆発力は変わるので出来るだけ圧縮して力を得たいのです。
それに圧縮して空間を狭くすれば点火して爆発しきるまでの時間がかかりません。それによって未燃ガスの発生も抑えることができるので圧縮するのに必要な力と爆発して勢いよく下がる力は同じように思えますが圧縮することにより得られるメリットが沢山あるのです。
圧縮工程が終わったら今度は点火工程です。空気と燃料が混ざった混合気をスパークプラグによって点火して爆発させます。ちなみに燃焼温度は700から800度くらいありますね。
爆発してピストンが下がりきったら今度は排気。ピストンが上がる時に排気バルブがひらいて燃えた混合気を燃焼室から出します。
ここで問題。燃焼室で爆発して上下が起こりますがそれをどうやって回転運動に変えるのか？
それはクランクシャフトによってピストンの上下運動を回転運動に変えているのです。
それがこのクランクシャフト。イビツな形をしていますがこれにコンロッドとピンにピストンがつきます。
こちらはクランク棒。
イメージとしては自転車を漕ぐような感じです。
これで上下運動を回転運動に変えているのです。そして先ほどでてきた吸気バルブと排気バルブですがこのクランクシャフトにベルトまたはギアで繋がっています。
ここでクランクシャフトとカムシャフトの関係性ですが吸気や排気のタイミング、圧縮する時にはきちんとバルブが閉じるよう正確に合わせなければいけません。そこでクランクシャフトとカムシャフトにギアを取り付け、タイミングベルトにギアが噛むようにして吸気の時はピストンが下がってくるのでその時にカムシャフトの吸気バルブを開けるようにしたり正確にタイミングを合わせるようにします。
大まかですがこれがエンジンが動く仕組みです。後スパークプラグの動作はクランクシャフトとカムシャフトにセンサーを取り付けて電子制御で適切なタイミングで点火を行います。燃料の噴射タイミングや量もしかりです。