高等学校工業 原動機/ガソリン機関
燃料のガソリンの燃焼方法は、電気火花により火花点火をする方式である。ガソリン機関（gasoline engine）では、クランク機構を用いて、シリンダから回転力を取り出している。 エンジンの構造には、4サイクル機関（four cycle gasoline engine）と2サイクル機関（two cycle gasoline engine）との２方式がある。
圧縮比は、ガソリン機関では4～10の程度である。
ガソリン機関の原理
編集4ストロークガソリン機関
編集
(1)吸入
(2)圧縮
(3)燃焼・膨張
(4)排気
4ストロークガソリン機関（four cycle gasoline engine）の作動は、吸気・圧縮・膨張・排出の4行程である。 クランク軸の2回転で吸気・圧縮・膨張・排出を行う。 吸気弁の開閉により、混合ガスの吸気を行う。排気弁の開閉により燃焼ガスの排出を行う。 弁の開閉タイミングの制御は、カムまたはコンピュータ制御で行われている。点火タイミングの制御はコンピュータ制御などで行う。
4ストローク機関の行程はつぎの4行程からなる。
- 吸気
吸気弁が開く時期は、シリンダ内のピストンが上死点（最も押し込まれた位置）付近の位置から、下死点（もっともピストン内が広くなる位置）までの間の時期に、吸気弁が開く。吸気によって空気と燃料の混合気体を吸い込む。吸い込んだ後に弁は閉じて、圧縮行程に移る。
- 圧縮
吸気弁を閉じ、そしてピストンがシリンダ内を圧縮する。（ピストンが下死点から上死点へと向かう。） この行程の間は、吸気弁、排気弁は閉じたままである。
- 膨張
圧縮行程の終わりの、ピストンが上死点に達する直前または直後に、電気火花で混合気に点火して燃焼させる。燃焼ガスの膨張により推進力を得る。そのシリンダ内圧の圧力でピストンを押してクランクを回し仕事をする。この行程では、吸気弁、排気弁は閉じている。
- 排出
膨張行程の終わりに排気弁を開く。ピストンの回転に伴い、燃焼済みのガスが押し出される。 排気行程が終わると共に、排気弁を閉じる。この行程では、吸気弁は閉じている。
排出行程のあと、再び吸気・圧縮・膨張（爆発）・排出の行程が、以上と同様に行われる。
上死点および下死点での、クランクの回転の持続はフライホイールにより蓄えられた回転エネルギーに頼る。
2ストロークガソリン機関
編集クランク軸の1回転で吸気・圧縮・膨張・排気を行う。 シリンダ下部に穴を2個、設け、それぞれ吸気口および排気口としたもの。 吸気を行うときには、排気口も開かれており、吸気した気体によって燃焼済みガスの排気も押しのけて追い出す。この吸気で排気を追い出す仕組みを掃気（そうき、scavenging）という。掃気は、2サイクル機関の特徴の一つである。
2ストローク機関では、ピストンが上死点に近づくとピストン自身で吸気口および排気口を閉じる構造になっている。
- 圧縮行程
ピストンが下死点にある時に、吸気口が開かれ、混合ガスが入る。 そのまま、クランクの回転が進みピストンが上死点へと進むと、吸気口と排気口がピストンによって塞がれる。 混合気の点火時期は、ピストンが上死点の近くにいるときに点火され、混合気が燃焼・膨張する。
- 膨張工程
混合気の燃焼による内圧の上昇によってピストンが押され、膨張工程となる。ピストンがクランク軸側へ移動したことにより、排気口と続いて吸気口が開いて掃気をして、圧縮行程へと移る。
構造
編集- シリンダ
シリンダは、シリンダブロックとシリンダヘッドから、なっている。
シリンダブロックは、ピストンが煽動する部分の構造部分である。シリンダヘッドは、すきま容積（燃焼室）の構造部分である。 シリンダブロックとシリンダヘッドとの間のガス漏れを防ぐため、ガスケットを挟んで、シリンダブロックとシリンダヘッドを取り付ける。
- シリンダブロック
耐摩耗性が要求される。シリンダ内面に、シリンダライナという耐摩耗性のある部品（材質は、たとえばクロムめっき）を圧入する場合がある。
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DOHCシリンダーヘッドのカットモデル。吸排気バルブと吸排気ポート、ウォータージャケットやカムシャフトの様子が良く分かる。 -
エンジンのSOHCシリンダーヘッド -
エンジンのDOHCシリンダーヘッド
- ピストン
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ピストンは金属製である。 ピストンには、金属製のピストンリングが3本から4本ほど、ピストンに取り付けるための溝がある。上部の2～3本はコンプレッション・リング（圧縮リング、compression ring）である。気密性を保つためのリングである。 下部の残りの1～2本のリングはオイルリング（oil ring）である。シリンダ壁との間に油膜を作るとともに、余分な油が燃焼室に入らない様に、かき落とすためのリングである。
- コネクティング・ロッド
クランク軸とピストンとをつなぐための部品である。コネクティング・ロッドは金属製である。
- はずみ車（フライホイール）
膨張行程でえられた回転力の一部を蓄える部品。回転運動を蓄えて、回転運動を円滑に行う。はずみ車はクランク軸に取り付けられている。
- 弁（バルブ）
4行程機関の吸気と排気は、吸気バルブや排気バルブの開閉を通して行う。 弁の開閉時期の制御は、クランク軸と連動したカム機構やベルト機構などで制御されている。
シリンダ上方に吸気弁、排気弁を備えた頭上弁式のものをOHV式（overhead valve）という。
オクタン価
編集ノッキングの対策の際、オクタン価が重視される。オクタン価の大きい燃料ほど、ノッキングを起こしにくい。 オクタン価（octane number）とは、ガソリン成分中でイソパラフィン系のイソオクタンのオクタン価を 100として、ノルマルパラフィン系のノルマルヘプタンのオクタン価を 0 として、この両方を様々な割合で混合した標準試料と同じアンチノック性をオクタン価で表す。イソオクタンの方がガソリンエンジンでは、耐ノック性が高い。