エンジンは何故回転するのですか？

質問

エンジンはなぜ不都合なく回転するのでしょうか？

学校の授業でガソリンエンジンの仕組みを習ったとき、（確か中学校の技術科の授業か、理科の授業だったと思う）
燃料吸気　圧縮　点火　爆発　排気
のサイクルを繰り返すことでピストンが往復運動を行い、ピストンの往復運動をクランクによって回転運動に変える、ということを学習しました。

　これが一秒間に一回転程度ならば、まあ、わかりますが、自動車などのエンジンは秒間数百回という速度で回転していますよね。

　どうして　燃料吸気　圧縮　点火　爆発　排気　のサイクルが狂わずにまわしていけるのでしょうか？　スパークプラグの点火のタイミングが1/100秒も狂ったらもうサイクルが回らずに回転がおかしくなるような気がするんですが、どうして正確に動くのでしょうか？

　考えていると夜も眠れないので、だれか説明をお願いします。

回答No.10

vtec7 · ベストアンサー

現役整備士です。チューニング専門ショップなどではなくフツーの車検整備・一般修理程度の者です。
4サイクルエンジンは吸気・圧縮・燃焼・排気行程でクランクシャフトが2回転します。点火は最近の車はダイレクトコイルに直接コンピューターから信号を送り点火します。
デスビ車は国産だと平成10年前後のモデルで最後です。

私も質問者さんと同じようなことを思います。学生さんでも私のような現役整備士でもあまり関係ないと思います。
とくに高回転時、レッドゾーンの7000・8000回転という領域で点火は正確に行われていても燃焼時にラグが出ないのが不思議です。

1分間にクランクシャフトが8000回転し、4000回点火（1気筒あたり点火経路は独立したものと仮定）します。
で、1秒だと67回点火してることになります。0.015秒毎に点火されるんです。おっしゃるとおり1/100秒以上のの制御が必要になります。
この0.015秒の間にシリンダーに送り込まれた燃料が燃焼できるのかなあということを私は疑問に思います。興味を持たれれば直感的に疑問に思うのが普通だと思います。
さらに0.015秒毎に燃料が入ってくることになります。
インジェクターなんて極端な例えを挙げれば缶スプレーのノズルみたいなもんですが、人差し指で0.015秒毎にシュシュシュシュシュシュシュシュ…
もはや高回転時にはシューーーーーーーーと常時霧吹き状態になっているような印象を持ちます。
実際はもっと複雑な制御なのかもしれませんが開発の人間にでも聞かないと正確なことはわからないと思います。

点火にしてもリアルタイムで制御できている車なんて最低でもダイレクトコイルになってからの車ではないでしょうか。
ディストリビューターでは一定の点火タイミングは調整は出来てもリアルタイム制御は出来ません。アナログメカです。

極端な例えですがアナログの掛け時計を思い描いてみてください。針が12時(シリンダー1）・3時(シリンダー3）・6時(シリンダー4）・9時(シリンダー2）の位置に来たときに金属の接点が近づき電気が流れると思ってください。
このタイミングを4気筒なら4箇所同時に遅らせたり進ませたりすることが出来るのがディストリビューターです。ちょこっとですよ。

給排気バルブを密閉してシリンダー内を圧縮、そして密閉したまま点火、ロスなく燃焼…
なんてことには全然なってません。必ず吸排気ポート・シリンダーが直通になるタイミングがあります。オーバーラップです。
そんな中で給排気・燃料が多少なり混ざりながらもよくまあ規則正しくエンジンは回るものだと思います。
この辺の制御（エンジン特性）を作り出すメーカーってのはどんな人が設計してるんでしょうね。

http://ja.wikipedia.org/wiki/DOHC
カムシャフトとクランクシャフトがベルトorチェーンで駆動していることはご存知なのではないでしょうか。
10万キロを目処に交換を推奨されるゴムベルトをタイミングベルトと言います。

＞考えていると夜も眠れないので、だれか説明をお願いします。
私も眠れなくなりそうですのでこの辺にしたいと思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.11

fjdksla

機械だから狂わないのです。

自転車をひっくり返して、
タイヤに　燃料吸気　圧縮　点火爆発　排気　の印を後輪につけます。
ペダルを回してみてください。
ゆっくりならゆっくり・・・早くなら早く・・・順番に印が出てきます。
スピードを変えると順番が替るとかはありません。
印が出るペースも回転速度に合せて出てきます。

エンジン自体がギヤとかでつながった機械ですから・・・狂わないのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.9

noname#119957

燃料吸気は、エンジンのシリンダの吸い込みによる負の圧力によって行われ、爆発の時には不の圧力が無いので行われません。

点火のタイミングは、エンジンの回転角（シリンダの位置）にあわせて行うように、エンジンの回転を利用して出来ていますので、燃料がシリンダ内にあって圧縮されている適するタイミングで点火されると、爆発して、ピストンを押し下げます。それで、うまく動作が循環していると思います。

２サイクルエンジンでもうまく動きますが、こちらは、燃焼が不完全になって青白い煙が出で臭いです。昔の軽自動車は２サイクルエンジンでしたので煙が出ていました。排気ガス・燃料・オイルが混ざるためです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.8

ms_axela

ある意味指摘通りです。
行程の内
吸気：前回の燃焼（爆発とありますがガソリンエンジンの場合燃焼の方が妥当）のエネルギーで自動的に行われる
圧縮：前回の燃焼のエネルギーで自動的に行われる
排気：目前の燃焼のエネルギーで行われる
上記３つは「点火→燃焼」の結果発生するように機械が作られているので、（多少語弊はありますが）点火が一番重要な要素になります。
今は電子制御になってしまっているので分かりにくくなっていますが、ディストリビュータを使っていた辺りが一番回転数と点火の関係を理解し易かったと思います。
簡単に言うと、回転数が上がる程点火以外の行程が早い時間軸で発生するので点火も早める必要があります。
この点火のタイミング制御が難しいのですが、エンジン回転数が上がる＝エンジンと組み合わせた歯車は早く回る＝遠心力が増えるということを利用して点火を早めていました。
この役目を担っていたのがディストリビュータです。
理解してしまえばどうということでも無いのですが、先人達が遠心力を利用するという革命的な発想にたどり着いたひらめきには頭が下がります。
ちなみに敢えて「燃焼」とした理由ですが、「爆発」＝エネルギーの開放が一瞬、「燃焼」＝エネルギーの開放に時間がかかるという考え方の整理の元です。
エンジン内部の動きが実質「燃焼：徐々に力が出て排気行程へのエネルギーが伝わる」であるがゆえに多少の制御の誤差はカバーしてくれる懐の広さがあったことが内燃機関を成立させた原因になっています。
20世紀初頭ではm-secの処理すら不可能ですから。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.7

rgm79quel

エンジン制御に於いて
１／１００秒なんて
天文学的数字です。

点火とか燃調は語るときの時間の単位は
n-secですよ。

ご参考までに。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.6

gigamax2

こんばんは。

悩むと確かにはまってしまって眠れない時ありますよね！私の説明で参考になれば良いのですが・・・。

４ストロークの理論は理解している上で構造に関して付け加えます。ピストンが上下する事によってクランクが回りますが、この回転からバルブの開け閉めのタイミング、点火時期、を機械的に取り出しています。ＯＨＶ・ＯＨＣ・ＤＯＨＣ・と言うのはシステムの違いです。

古くはキャブレターといった気化器の自然吸気による燃料供給なので、バルブの開け閉めとシリンダーの内圧変化で燃料供給は出来ていました。点火はポイントといったこれまた機械的にクランクと連動するシステムで管理していました。

昨今はインジェクションと言う電子制御で燃料を直接シリンダーに送り込んでいますので、キャブレターより適切な燃料をコントロールしていると言えます。点火タイミングに関してもポイントなど使用せずデストリビューターです。

バルブコントロールは未だ機械的にクランクから取り出しているわけですが、これはピストンとクランク・バルブの相互関係がリアルな為、電気的な操作を介入させるまでも無いと言うことです。（一部可変バルブもありますがここでは割愛）

よって、回転がどんなに変化しようともそれに全てが連動していると解釈すれば分かりやすいと思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.5

betarev

燃料吸気、圧縮、点火、爆発、排気のサイクルが狂わずにまわしていけるのはクランクシャフトが各ギヤやチェーンで他の役目のものと連結されているから、毎回転ごとにきちんと同じタイミングで行われるのです。その昔、ダイムラー社が内燃機関（現在のエンジン）を発明しましたが、昔のエンジンはそれほど回転数は高くありませんでした。次第に出力を上げる為に研究されて、いまでは高回転で出力を稼ぐ様になりました。しかし、ピストンスピードには限界がある為、今度はストロークを縮めたスクエアエンジンが出てきてより高回転を求める様になりました。（高度成長期のホンダがその様な手法でした）これらの研究は数々のレース活動で養われてきたものです。
特にヘッドにバルブがる４ストロークエンジンはバルブを規則正しく動かすことが出来るため回転が上がっても動きますが、２ストロークエンジンはバルブがありませんので回転域が狭くなります。なのでF1レース等の用のエンジンは
４ストロークでかなりの高回転まで回して高出力を得るのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.4

ebetusnow

簡潔に言えばピストンの上下運動に連動して着火する仕組みが
あるので狂いようが無い

が一番簡単な解答ですかね。

チョイ突っ込んで言うと

「ディストリビューター」

で検索して頂ければほんの少し突っ込めます。

まだまだ複雑ですがここまでで質問に対する解答にはなると思います。

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.3

noname#102481

＞スパークプラグの点火のタイミングが1/100秒も狂ったらもうサイクルが回らずに回転がおかしくなるような気がするんですが、どうして正確に動くのでしょうか
逆でしょ、スパークプラグの点火のタイミングを正確に制御できるから、不都合なく回転しているのです
もちろんスパークプラグの点火のタイミング以外にも、多くの要因はありますが

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.2

t-yamada_2

センサーとコンピュータ（ＥＣＵ）で制御している為、各動作タイミングがずれないのです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A8%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%83%B3%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%88%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%83%A6%E3%83%8B%E3%83%83%E3%83%88#.E3.83.88.E3.83.A8.E3.82.BF.E8.87.AA.E5.8B.95.E8.BB.8A

お礼

ご回答ありがとうございます。

回答No.1

gadovoa

学校での授業ですね。
エンジンの仕組みを習った時に
OHVとかOHC（オーバーヘッドカム）エンジンというのも一緒に習いませんでしたか？
ピストンの上には
カムという細長い鉄の棒があってその一部に突起がついています。
その棒がピストンと一緒に回ります。
棒が一回転したときにその突起にバルブがぶつかり
排気弁を持ち上げたり点火する仕組みになっているのです。
だからその棒がどんなに高速に回ってもピストンと連動しているので
タイミングがずれることはないんです。

お礼

ご回答ありがとうございます。
連動しているんですね。