【エンジンの仕組み】知れば車はもっと楽しくなる!

現在、世界で最も利用されていて、なおかつ謎の多い機械といえばエンジンではないでしょうか? 人類が発明した偉大なものの中では電気に次いで身近にあり、現代社会において無くてはならないものです。となれば、ちゃんと調べておけば、知識になりますし、トラブルにも対処できるようになります! ということで、今回の記事では知っていそうで知らないエンジンに付いて詳しく見ていきましょう! エンジンの歴史から仕組みまで!

1.そもそも『エンジン』ってなに?

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『エンジン』とは元々、ラテン語の「ingenium(インゲニウム)」から取られており、意味としては「賢い」「生まれもった才能」を意味しています。そこから時代が進むにつれ「仕掛け」や「器具」「軍用の機械」という意味を経て、18世紀に「エネルギーを動力に変えるもの」という主旨になりました。
そして、当時そのような仕組みで最も普及していたものが、「蒸気機関(steam engine)」でありそれ以降はその時代に最も普及している動力を生み出す機械を『エンジン』と呼ぶようになっています。元もとの意味からかなり離れて使われるのですが、それほど『エンジン』というのが衝撃的だったのかもしれませんね!
また、本来の意味を持ってすれば現在モーターと呼ばれている電動機もエンジンなのですが、ここでは主に車に使われているタイプの内燃機関原動機を『エンジン』として話を進めていきたいと思います。

2.『エンジン』ってどうやって作られたの?

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『エンジン』の歴史を紐解いていきますと、原型となる分はかなり昔にさかのぼることができます。内燃機関という意味で、歴史上で初めて登場したのは、13世紀に入り、アラブや中国、モンゴルにおいてロケットという形で登場したのが最初です。形としてはかなり原始的なものですが、火薬に火をつけて飛ばすということで、『エンジン』の基礎になっています。武器として使用され、殺傷能力などは無かったのですが、戦場において敵を驚かすに有意だったかもしれませんね!
それ以降になりますと、1509年に万能の天才「レオナルド・ダ・ヴィンチ」が圧縮を使わない無圧縮式内燃機関について記述をしています。
そして、『エンジン』そのもの形ができたのは17世紀に入ってから、「サミュエル・モーランド」というイングランド発明家によって、火薬を使った原始的なポンプの移動を再現したピストンエンジンが作られ、現代にいたっています。
現代でも新しい『エンジン』の開発は続けられているので、人間の文明の発達に現在でも繋がっている素晴らしい発明といえますよね!

3.『エンジン』って沢山あるよね!

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『エンジン』と一言にいっても沢山の種類がありまますが、内燃機関で燃料を燃焼して動力を得るもの全てを表しているので、当然ですよね。基本的に世間一般的に『エンジン』といえば、車に使われているのは主に4種類になり、大きく分けて「レシプロエンジン」、「ロータリーエンジン」、「ハイブリッド」となっています。ここには電気自動車なども入ってきますが、内燃機関という意味では少し変わってきますので、3種類の話をすすめていこうと思います。
簡単な説明をさせていただきますと、「レシプロエンジン」とは現在車の中でもっとも数多く採用されている『エンジン』で「ピストン機関」といえば分かりやすいかもしれませんね! ここには有名な「ディーゼルエンジン」も該当します。ピストンが燃料を爆発燃焼した際のエネルギーを受けて動力を生み出す機械で、「4ストローク型」と「2ストローク型」と分けることができます。
それに対して「ロータリーエンジン」とはピストンを使うことなく、おむすび型「ローター」を回転させることで動力を得るエンジンです。ドイツの技術者「フェリクス・バンケル」が開発したので、「バンケルエンジン」とも呼びます。
最後に「ハイブリッドエンジン」は名前の通り、2種類の機関を用いて動力を得るタイプの『エンジン』で、最近では本当によく見かけるようになりますよね! 環境に良いということでこれからもどんどん増えていきそうな気がします!

それでは、それぞれのエンジンの特徴と構造についてみていきましょう!

4.「レシプロエンジン(ディーゼルエンジン)」の仕組みと特徴

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前述させていただきましたが、「レシプロエンジン(ディーゼルエンジン)」とは、ピストンを用いて動力を得るタイプの『エンジン』で、「ガソリンエンジン」、「ガソリン直噴エンジン」、「ディーゼルエンジン」、「水素燃料エンジン」があります。
どのタイプのエンジンも燃料を燃焼してピストンを動かすことには変わりは無く、「ガソリンエンジン」は名前の通り「ガソリン」を燃料に使い、「ガソリン直噴エンジン」は燃料のガソリンをシリンダー内へ直接噴射するので「筒内噴射」方式とも呼ばれています。そして「ディーゼルエンジン」は「プラグ」を使わずに、高圧で高い温度になった空気に軽油や重油などのディーゼル燃料を吹き込み、自己着火する方法です。
基本的にはエンジン内には「シリンダー」、「ピストン」、「コンロッド」、「吸気バルブ」、「点火バルブ」、「排気バルブ」、「クランクシャフト」、「燃料噴射装置」の8種類の機械があります。
各パーツの動作として、「シリンダー」は「ピストン」を内包する燃焼室として利用され、「燃料噴射装置」は燃料を「シリンダー」へ送る装置、「コンロッド」はピストンの上下運動を回転運動に変える機械、「吸気バルブ」、「排気バルブ」は開閉し、「シリンダー」内の吸排気をする仕組みです。「点火バルブ」はその名前の通り、燃焼室内のガスや空気に火をつける役目を果たし、「クランクシャフト」は「コンロッド」から受けたエネルギーを車内に動力を渡す機械になっています。

基本的にはどのエンジンも同じ様な仕組みで動いていますので、この機械を覚えておくと車の不調について色々便利になりますよ! 

「ガソリンエンジン」の仕組み!

「ガソリンエンジン」の仕組みとしては、『エンジン』内の空気弁から燃焼室にガソリンと空気が流れ込み、燃焼室の下に付けられたピストンが下がる「吸気工程」が起こり、その後ピストンが押しあがって燃焼室内のガソリンと空気を圧縮するのが「圧縮工程」となります。それが終わると、圧縮された空気に電気プラグが着火し、爆発を起こしてピストンを押し下げる「膨張工程」をへて、次にピストンがまた持ち上がり排気する「排気工程」をもって一連のサイクルが終了します。
最も普及しているシステムになりますので、車以外の『エンジン』にも使用されています。トラブルがあったときのためにぜひ覚えておきたいですね!

「ガソリン直噴エンジン」の仕組み!

こちらも内燃質でガソリンを燃焼させてピストンを動かす装置ですが、ピストンが上にあがって、空気とガソリンを圧縮する訳ではなく、吸気行程~圧縮行程において「燃料噴射装置」から50から200気圧というすでに圧縮されたガソリンを直接噴射してピストンを動かします。利点としましては、『エンジン』のサイズを小さくできることと、リーンバーンという希薄燃焼をすることによって、燃費を良くすることが可能になります。最近耳にする「ダウンサイジングエンジン」に使われているシステムなので、覚えておくといいかもしれませんね!
欠点としては高コスト化や指定された燃料を使わなければならないこと、排気ガス悪化の悪化などがあげられており、ガソリン由来のPM2.5の量は通常のガソリンエンジンと比べて5から10倍となっています。各メーカーはそれぞれに工夫を凝らして、クリーン化に努めていますので、そのうち差はなくなりそうです。

「ディーゼルエンジン」の仕組み!

「ディーゼルエンジン」の仕組みに関しても基本的な構造や動かし方は上記2つのエンジンと特に変わりがなく、「吸気工程」においてガソリンを吸わせず空気だけを吸い込ませ、「圧縮工程」の際に空気を圧縮し内部を600度以上の高温にしたあと、燃料を直接シリンダーへ吹き込んで燃焼させます。燃料が高温によって自分で燃焼するので、「電気プラグ」が必要ではないというシステムです。
汎用性がとても高く、車以外にも船舶などに使われることが多いので、整備の仕事をしている方や、大型の重機を使っている方には身近かもしれませんね!
こちらの欠点としましては、高価な燃料噴射系と補機類などが必要になりますので、値段が倍近くなってしまうことと、システム上操作が難しく、多段変則が多くなってしまうことにあります。また、健康面でも発ガン性を認められる排気がでるので、こちらも気になるところですね! しかし、これについては上記の「ガソリン直噴エンジン」と同じく、各メーカーが改善を進めているので、いずれ気にしなくてもよくなりそうですね!

5.「ロータリーエンジン」の仕組みと特徴

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「ロータリーエンジン」とは「レシプロエンジン」と違い、ピストンを使わずに動力を得る方法で、繭型のシリンダの中に三角形の「ロータ」を内包しています。正式名称は開発者の名前をとって「バンケルエンジン」と呼びますが、東洋工業(現・マツダ)が自動車用として初めて量産化に成功し、現在の名前をつけたことにより、日本での呼び名がかわりました。海外では「航空機用エンジン」を指す言葉になりますので、ご注意ください!
構成している機械としては、ピストンとコネクティングロッドの特性を持った「ロータ」、シリンダー内の圧力を逃さないための「シール」、「クランクシャフト」に相当する「エキセントリックシャフト」、「シリンダー」の機能に点火プラグなどが付属した「ハウジング」によって構成されています。
仕組みは「吸気」、「圧縮」、「燃焼」、「排気」と「レシプロエンジン」と同様の動きをみせますが、「ロータリーエンジン」の場合は全てが同時進行し、「ロータ」の動きではなく「ロータ」内部にあり、回転の影響を受けた「エキセントリックシャフト」の動きによって動力を得ています。

「ロータリーエンジン」の魅力!

「ロータリーエンジン」はピストンのように縦に動く装置を必要とせず、全てが同時進行で作業が行われるため、コンパクトでありながら軽量です。なので、スポーツカーなどに搭載され「マツダRX-7・8」が特に有名ですよね! 過去にはシトロエンも採用していたそうですが、現在「ロータリーエンジン」を使用しているのはマツダのみとなっています。また、低振動、低騒音などの特徴もあり、排気ガス中の窒素酸化物の輩出も少なくなっています。環境にいいのは素晴らしいですね!
しかし、欠点ももちろんありまして、エンジン内に熱を持ちやすいため、大型の冷却装置が必要になり、低回転域の燃焼安定性低いために、低回転域では非常に効率が悪くなります。ほかにもオイル消費量が高くなるなどのデメリットもあるので、購入の際には色々と調査が必要になります。
それでも、「ロータリーエンジン」はとても人気で、日本だけではなく海外にも沢山のファンがいますので、愛される『エンジン』なのでしょうね! また、水素とガソリンどちらでも使える「ロータリーエンジン」も開発中らしく、いずれ街中を走っている姿を目にする時代がきそうです!

6.「ハイブリッドエンジン」の仕組みと特徴

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そして最後に説明させていただきますのが、「ハイブリッドエンジン」です。最近ではかなり色んな所で見かけるようになりましたよね! 名前的には分かる様に、通常の『エンジン』と電力で動く「モーター」を合体させて『エンジン』で、通常のエンジンよりも低燃費で自然にも優しいのが特徴となっています。
システムとしては通常の『エンジン』が苦手とする低回転域の走り出しを補佐するように「モーター」が作用し。そのために、ガソリンの消費を抑えることができて低燃費とエコになるんです!
そして、「ハイブリッドエンジン」の種類については作動システムによって3つに分けることができ、「パラレル方式」、「シリーズ方式」、「シリーズ・パラレル方式」があります。
「パラレル方式」は、発進時と加速時のみ「モーター」使って車を動かし、走行をエンジンに任せたシステムで、構成も非常に簡単です。次に「シリーズ方式」はエンジンはありますが、走行には使わず「モーター」のみで走行します。車内に『エンジン』がありますので、括りとしては「ハイブリッドカー」です。最後に「シリーズ・パラレル方式」は上記の2つの方式を合わせたシステムで、効率よく『エンジン』と「モーター」を駆使して走ります。「トヨタ プリウス」が代表ですね!

「ハイブリッドエンジン」の魅力!

これはもうなんといっても低燃費と自然に優しいではないでしょうか? 地球温暖化や砂漠化の進行など沢山の環境問題がある地球で、自然に優しいを主眼におくと、現在もっとも最適なのが「ハイブリッドエンジン」でしょう。しかし、構成が非常に難しくソフトウェア面でも非常に難しいということなので、まだまだ値段が安くはありませんし、後には電気自動車や、水だけで動く水素自動車などもありますので、未来にいけば優位性は失われるかもしれませんね! 

7.エンジンの仕組みまとめ!

エンジンの仕組みはいかがでしたか? ただエンジンの仕組みだけ知っても面白みがないので、エンジンの歴史もざっと紹介させていただきましたが、簡単にですが、各エンジンの仕組みを知っていただけたと思います。旅先で『エンジン』トラブルにあった際に何らかの参考にして頂ければ幸いです! それでは、安全運転を心がけて素敵なカーライフを楽しんでくださいね!