内燃機関

Bartosz Ciechanowski ブログアーカイブ Patreon X / Twitter Instagram e-mail RSS 2021年4月29日 内燃機関 19世紀における内燃機関の発明は、陸海空の交通に革命をもたらしました。現代において遍在するにもかかわらず、エンジンの動作は不可解に思えるかもしれません。この記事を通して、以下のデモンストレーションに示されている基本的なエンジン部品の機能をすべて説明したいと思います。他の角度から見るためにドラッグできます。 機械装置の動きを視覚化せずに話すことは難しいため、このブログ記事の多くのデモンストレーションはアニメーション化されています。デフォルトではすべてのアニメーションが有効になっていますが、気が散る、または電力を節約したい場合は、それらをグローバルに一時停止できます。無効になっていますが、読みながら動かしたい場合は、グローバルに一時停止を解除できます。このようなエンジンは複雑に見えるかもしれませんが、私たちは最初の原理からそれを構築していきます。実際、回転運動を生成するはるかに単純な方法から始めます。 クランク シンプルなクランクを見てみましょう。ハンドル、クランクアーム、シャフトで構成されています。ハンドルに力が加えられるとシャフトが回転し、これは取り付けられたディスクを見ることで観察できます。シャフトから離れた位置に加えられる力はトルクを生成します。ハンドルを強く押すほど、シャフトにかかるトルクは大きくなります。このクランキングメカニズムは、手動コーヒーグラインダーや自転車で直線力をトルクに変換するものです。自分の筋肉を使って何かを動かすのと、エンジンを構築する目的は、手作業を避け、代わりに装置に労力をかけさせることとは別の問題です。そのためには、指示しやすい強力な力の信頼できる供給源を見つける必要があります。幸いなことに、そのような装置は何百年も前に発明されました。大砲はまさに私たちが必要とすることをします。以下のデモンストレーションでは、大砲から大砲の弾が発射される様子を観察できます。斜線は断面図を示しています。これにより、通常は隠されている領域の内部で何が起こっているかを見ることができます。 火薬に火がつけられると、すぐに大量のガスが発生し、大砲の弾を銃身に沿って押し出します。弾丸はぴったりとフィットするため、一方向にしか進めません。信頼性が高く、指示しやすいとはいえ、大砲の弾はクランクを押すのにあまり効果的ではありません。シャフトを部分的にしか回転させることができず、大砲の弾はとっくにありません。しかし、いくつかの修正を加えることで、爆発の推進力をはるかに優れた方法で利用できます。まず、大砲の弾を円筒形で穴の開いたピストンに置き換えます。次に、ピンを使用して、クランクシャフト上で自由に揺れるロッドをピストンに取り付けます。 名前が示すように、クランクシャフトは回転するシャフトと力が加えられるクランクの両方で構成されています。このアセンブリを簡素化された大砲の砲弾であるシリンダーの中に配置することで、逃げる大砲の弾の問題を解決できました。ピストンは下方への動きが制限され、クランクシャフトが回転し続けると上に戻ります。 ピストンがシリンダー内で到達できる最小位置と最大位置があることに注意してください。その長さの上下いずれかの方向への1回の動きをストロークと呼びます。ここで爆発をトリガーすると、燃焼ガスがピストンを押し下げ、クランクシャフトを回転させます。 まだあまりエキサイティングな機械ではありません。一度だけ役立つ回転作業を行うだけだからです。より実用的にするには、爆発のサイクルを繰り返し続ける必要があります。つまり、新しい燃料を供給し、燃焼プロセスをトリガーし、排気ガスを排出し、これを何度も繰り返す必要があります。黒色火薬のような固体燃料は、自動機械にはあまり実用的ではありません。流体状の燃料を扱う方がはるかに簡単です。その摂取量はさまざまなバルブによって制御できます。これまでに構築したシリンダーを、燃焼室の上部に新しい開口部を追加することで修正します。 さまざまな開口部がどのように配置されているかを見るのは難しいかもしれませんので、断面図を見てみましょう。最初の大きな湾曲した開口部を通して、ガソリンと空気の混合物を供給し、2番目の開口部を通して排気ガスを排出します。これら2つの開口部は吸気バルブと排気バルブによって守られます。最後に、混合物を点火するために、露出したワイヤの端から発生する電気火花を使用します。すべての部品がどのように組み合わされているか見てみましょう。 この機械で役立つ作業を行う準備ができました。最初に、ピストンが下に移動している間に吸気バルブを開き、燃料を含む空気が入ってくるのを許します（黄色で示しました）。これが吸気行程です。 ピストンが最も低い位置に達すると、吸気バルブが閉じ、ピストンが戻り始め、空気と燃料の混合物を圧縮します。これにより、燃焼の熱効率が向上します。これが圧縮行程です。 ワイヤの開いた端に電圧が流れ、火花が発生して空気と燃料の混合物が点火されます。燃焼によって生成された膨張するガスがピストンを押し下げ、クランクシャフトにトルクを発生させます。これが動力行程です。 シリンダー内の火炎伝播は非常に複雑であり、ここで示されているのは簡略化された視覚化であることに注意してください。シリンダーは排気ガスで満たされており、排気バルブを開くことで別の穴から排出できます。これが排気行程です。 これで元に戻り、サイクルが完了しました。これら4つのステップを一緒に見てみましょう。 ピストンが2回下がり、2回上がるため、合計4回のストロークを行い、私たちが構築したエンジンは4ストロークエンジンとして知られています。ピストンが吸気、圧縮、動力、排気の4つのフェーズを経て1回の完全な作業サイクルを行うには、クランクシャフトが2回転する必要があることに注意してください。機能的ではありますが、私たちが構築したエンジンは、実際の内燃機関の多くのコンポーネントの背後にある多くの工学的創意工夫を示さない、おもちゃの例にすぎません。これまでに考案した原理に基づいて、より現実的な機械、つまり車で見られるようなエンジンを構築しましょう。 エンジンブロック エンジンの中で最も大きく、最も重い部品であるエンジンブロックから始めましょう。これは、他の部品の主要な本体と取り付け構造を形成します。 このブロックには、4つのシリンダーを定義する4つの大きな円筒形の開口部が含まれていることに注意してください。ピストンは動力行程中、つまり時間の約4分の1の間だけクランクシャフトに推進力を加えることを思い出してください。この不均一な動作は多くの振動を生み出します。芝刈り機などの小型エンジンでは許容されることが多いですが、典型的な自動車エンジンは、より均一な電力供給を確保するために複数のシリンダーを備えています。これらの概念については、記事の最後に詳しく説明します。4つのシリンダーが直列であるため、私たちが構築するエンジンは直列4気筒エンジンとして知られています。他のエンジンは、通常、フラット型またはV字型構成で異なるシリンダー配置を使用する場合があります。ブロックの側面は、構造の剛性を向上させるためにさまざまなリブで補強されています。本体はシリンダー内部の爆発の力に耐えなければなりません。また、ブロックの上部が完全に平坦であることにも気づいたかもしれません。すぐに別のコンポーネントを取り付けます。ブロックの断面を見ると、シリンダー周辺の領域が空になっていることに気づくでしょう。 これらの通路は、冷却液がシリンダーの周りを流れ、燃焼熱を奪うためのものです。エンジンの冷却の詳細は掘り下げませんが、エンジンは特定の動作温度で動作する必要があり、冷却液ポンプ、サーモスタット、ラジエーターがエンジンが冷たすぎたり熱すぎたりしないことを確認していることは注目に値します。クランクシャフト エンジンに取り付ける最初の大きな部品であるクランクシャフトを見てみましょう。クランクシャフトには、その回転軸を定義する5つの主要な円筒形部品があり、これらはメインジャーナルと呼ばれます。また、4つのロッドジャーナルがあります。