エンジンにはなぜ圧縮行程があるのですか？

質問

車のエンジンなどには必ず圧縮行程がありますが、それはなぜ必要なのでしょう？

例えば圧縮行程の無い、圧縮比１のエンジンがあるとして...それでも燃料を燃やせば空気が膨張して、出力が得られると思うのですが...。

点火点からの距離を縮めて、火炎伝播を良くするための行程なのでしょうか？それともより高い(効率の良い)出力を得るための行程なのでしょうか？

どなたか、解り易く教えていただけませんか？よろしくお願いします。

回答No.8

Teleskope · ベストアンサー

ちょっと御免を。
　歴史的に最初に普及したエンジン（フランス人ルノアールのエンジン）が、そのまんまなんだが。下図のような行程で立派に動き、商品として広まった。

　　┏┳━━━━━━━━━━　(0)
　　┃┣━━ピストンと棒
　　┗┻━━━━━━━━━━
　 　 ↓
　　┃┗━┳━━━━━━━━　(1)
　　┃吸入┣━━　→　→
　　┗━━┻━━━━━━━━

　　┏━━━━━┳━━━━━　(2)
　　┃ 閉 め切 り ┣━━
　　┗━━━━━┻━━━━━

　　┏━━━━━┳━━━━━　(3)
　　╋＜ 圧力age ┣━━　　　　　　混合気に着火
　　┗━━━━━┻━━━━━

　　┏━━━━━━━━━┳━　(4)
　　┃　　　　膨　　張　　　　┣━━　→　→
　　┗━━━━━━━━━┻━　仕事してます

　　┏━━━━┳━━━━━━　(5)
　　┃　排　気　┣━━　←　←
　　┃┏━━━┻━━━━━━
　 　 ↓
　　┏┳━━━━━━━━━━　(0)
　　┃┣━━　１サイクル完
　　┗┻━━━━━━━━━━

　後年、ドイツ人オットーが「エンジンは音がバンバンうるさすぎる」と、ゆっくり燃焼させようと、行程(2)のあとにピストンを一度戻し、もう一度空気を吸わせて不均一な薄い混合気にしてから着火させるアイデアを試してるとき、一度戻したときに着火してみたら、静かなエンジンどころか爆発的な大出力が得られ、初志貫徹せず商売に走った。オットーサイクルと命名されて後年世界中の教科書に載るほど。フランスの栄光は日陰に。
　ムッとしたフランスが調べたところ、ルノアールのすぐあとにオットーと同じアイデアを考えついたフランス人が特許申請していた。しかも特許更新料を滞納したので当局みずからが無効にしていたことが判明し大変くやしがった。
　その後、「圧縮してから点火すれば、より高温になるのだ」と学者が、最初から分かっていたような理屈で説明をつけた。
　理屈っぽく言うと、仕事＝力×距離　なんだから (4)の行程は距離を半分損してると考えてもよい。トヨタのプリウスのエンジンが膨張行程を長めにして出力を稼いでるのと同じだ。　（圧縮燃焼では高温化で圧力も増すので距離が長くなるのとの相乗効果。断熱圧縮がどうのこうのと難しい事に首を突っ込まなくともよい。）

お礼

初期のレシプロには圧縮行程が無かったんですか！
わたしは、まず最初に、圧縮行程を含む内燃機関の理論が完成し、その後、実際の内燃機関が作成されたものだとばかり思っていました。
圧縮行程の無いエンジンが姿を消してしまったという事実から、数式を理解しなくても、感覚的に圧縮行程の必要性を感じることができます。
結論はやはり、圧縮行程は熱を有効利用するために存在する、ということだったんですね。

プリウスのエンジンの仕組みについても、TOYOTAのHPを覗いてきました。膨張行程にも工夫がされてたんですかぁ。
熱エネルギーを最後の一滴まで搾り取るようなイメージですね。

ありがとうございました。読み物風で楽しい回答でした。

回答No.9

Teleskope

>> 私が疑問に思っているのは、例えば..
>> 蒸気機関などでは圧縮行程を使用しなくても
>> 仕事が取り出せるのに、

　水を沸かす蒸気機関は、煮えてる高圧のボイラに水を押し込むところが圧縮行程。意外に思うかも知れないが。
液体の水は蒸気よりも体積がとても小さいので押し込むに費やすエネルギはとても少ない。（しかし煮えて蒸気になるときの気化熱はエネルギ吸収。）

お礼

すみません、これも私の言葉足らずが生んだ誤解です。ごめんなさい。

＃２さんの回答から、「圧縮比」という言葉が誤って解釈されているように感じられましたので（＃２さんの回答からは「燃焼後の燃焼室の気圧が１」と解釈されているように思えるのですが.....）、
そこで私としては、改めて「圧縮比」という言葉が、どこで使われるかについての説明をしたかったんです。
例えば、蒸気機関では燃焼室でマキ、石炭を焚くなどの方法なので圧縮比は１、それに対して内燃機関では燃焼前に燃焼室の空気を圧縮するので云々.....要するに「圧縮比」とは、「燃焼室での燃焼直前の空気の圧縮比率を指します」、ということを言いたかったのです。

＃２さんへの私のコメントについては、また私の言葉足らずが誤解を生むといけないので、これにてご勘弁を！m(＿)m↓

回答No.7

runnext

#3です、仮にメカニカルロス０、熱伝導の良い燃料を使う物と仮定して圧縮1で始動すれば出力は低くとも一応動くでしょう。
しかしながらその動力を得て何らかの作業は無理でしょう。
ニトロオキシゲン等の爆発力のある素材を使えばもっと効率は上がるでしょうが実用性はありません。
質問者の言っている
＞圧縮行程というのは内燃機関に単に仕事をさせるだけという場合には、必要の無い行程ということでしょうか？
と言う意見は内燃機関のみ動かす事を想定すればそれで良いのかもしれません。
何の為に内燃機関が存在するか？それは気化性物質の燃焼の力を借りて作業する事にあります。
ただ回る内燃機関はギアの噛んでいないモーターと同じです

お礼

runnextさん。リクエストに答えていただきましてありがとうございます。今度の私の質問内容は、当初の質問内容から少々外れてしまいましたが、これこそ本当に私の聞きたかった質問なのだと思います。

実際、私のまわりの人たちは圧縮行程をエンジン(理論的なエンジン)を回転させることだけが目的であったとしても、それに絶対に必要な条件だと思い込んでいる人がとても多いです。エンジンを回転させるためだけの場合には圧縮行程は必要無い、と考える人は少数派です。
みんなメカ好きだったりするんですけど、このあたりはうやむやなんですよね。

もちろん私も専門家では無いので、いまいち自信がありませんでした。が、皆さんの意見を聞いているうちになんとなくわかってきました。多分、圧縮行程は必要無いものなんだと思います。そしてそのエンジンに実用性が無いこともよくわかりました。大変勉強になりました。ありがとうございました。

回答No.6

plussun

＃４ですが。
圧縮行程という作業は＃４でも書きましたが、ガスを圧縮すると言うより、ガスを点火プラグに近い所に集める作業だと私は思っています。
例えば平均的に考えて、同じ排気量なら気筒数が多い程高回転までエンジンが回ります。これはシリンダの直径が小さい方が、短い時間でガスを完全燃焼することが出来、その為高回転までスムーズにエンジンが回り、単位時間内に沢山の燃料を燃やす事が出来るので、結果的に高性能（高出力）なエンジンなるのだと思います。（他の要因もあるので、こう言い切ると問題もあると思いますが）

という事で、私は火炎伝達だと思っています。
確か中学校の技術でこう習いました。

お礼

回答ありがとうございます。

＞私は火炎伝達だと思っています。

plussunさんも私と同じ考え方なのだと思います。密度を上げたり、熱損失を小さくするために圧縮する、と。

そこで、お手数ですが、もう一度だけ回答をお願いします。
＃５さんの補足欄で私がした質問ですが、圧縮行程はエンジンに最低限の仕事をさせるうえでは必要無い、と私は思うのですが、plussunさんはどう思いますか？
回答、気長に待ってます。

友達なんかとエンジンの話をするときに、いつも教科書の４行程が頭に浮かぶのですが「あれっ？圧縮の行程って本当に必要なんだろうか？」っていつも思うのです。

回答No.5

runnext

補足です。
難しく考える事はありません。
空気を圧縮するという事は点火しなくてもそれだけで反発力があります。
しかしその工程を繰り返している間にメカニカルロスと言う機械的抵抗が発生しましていずれ止まってしまいます。

圧縮して反発する所に爆発を起こさせて更に力を増幅させていると思っていただいてよろしいでしょう。

＃3での＞例えば..蒸気機関などでは圧縮行程を使用しなくても仕事が取り出せるのに

これは膨張率が違いすぎます。ほとんど空気のガソリンエンジンのシリンダー内の膨張率より蒸気機関の膨張率は相当違います。
私も昔に勉強したのでほとんど覚えていなくて申し訳ないのですが圧縮比が高い方が高出力を得る事が出来るのは事実です。
ターボーエンジンの圧縮比はNAから比べて低いですがターボチャージャーと言うシステムにて圧縮を上げています。

＃4での＞圧縮行程というのは、(熱効率などは考慮しないで)エンジンをただ回転させられれば良い、という状況においては必要無い行程ということでいいのでしょうか？

圧縮1でのエンジン回転の実験やデータがないので断言は出来ませんが先に説明したメカニカルロスでその得られた力は微々たるものですので相殺されてしまうでしょう。
エンジンのピストンには圧縮漏れやオイルがシリンダー内に入り込まないようにピストンリングと言う物で機密性を高めていますがこれが結構な抵抗になります。
圧縮1でこれが動かせるかどうかは疑問です。

圧縮が低く出力も低いエンジンと圧縮があって出力が高いエンジンで使うガソリンが同じ量であれば圧縮が高いエンジンを選ぶのは当然と言えます。

補足

補足回答ありがとうございます。

やはり高効率を得るためということでしょうか。

教科書などには「吸気、圧縮、膨張、排気」の４行程が内燃機関に仕事をさせるのに最低限必要な条件のように紹介されていますので、私は圧縮行程がエンジンの動作に絶対に必要な行程だ、と、なんとなく思い込んでいました。

結局、圧縮行程というのは内燃機関に単に仕事をさせるだけという場合には、必要の無い行程ということでしょうか？

簡単な回答で結構です、エンジンに最低限仕事をさせるために必要な行程なのか、不必要な行程なのか、もう一度回答をお願いします。m(＿)m

※現実のメカニカルロスが発生するようなエンジンではなく、論理的なエンジンでお願いします。またエンジンはレシプロに限らず、タービンエンジンなどの内燃機関一般を想定しています。(ロケット等のエンジンは除きます)

回答No.4

plussun

シリンダ内のガスの体積が小さいほど、点火してからの火が隅々まで行き渡るのに時間がかからなくなります。ですから圧縮したほうが、瞬時に大きな爆発力を取り出せるという事になります。圧縮率の高いエンジンほど高性能というのは、こういう理由があるのだと思います。

お礼

大変わかりやすい説明でした。ありがとうございます。
やはり熱効率をよくするために圧縮行程が必要という意見ですね。

つまり...ちょっととしつこいようですが...圧縮行程というのは、(熱効率などは考慮しないで)エンジンをただ回転させられれば良い、という状況においては必要無い行程ということでいいのでしょうか？

私の感覚からすれば、どうもこの”圧縮行程”だけがエンジンの動作原理から外れた(絶対に必要という事では無い)存在に思えるのです。

回答No.3

runnext

エンジンの構造についてはご存知かとは思いますが一応概略を言いますと吸気（下）→圧縮・点火（上）→爆発（下）→排気（上）ですね。
上下と書いてあるのはピストンのおおよその位置です。
ピストンが上に上がると気圧は上がり、下がると気圧も下がるのは分かりますよね。
ピストンが一番上に位置している事を圧縮上死点と言いますが、この上死点の時に点火をします（本来は上死点より早め点火します）。
仮に2気筒のエンジンがあり、一つのシリンダーが上死点の位置で圧縮比１ですと、下死点であるもう一つのシリンダーはマイナス圧縮になります。真空に近くなりますね。
これでは圧縮比１のシリンダーが爆発で下に下がる力が隣のシリンダーの真空状態にする力で消費されてしまいます。
エンジンは爆発によって下がったシリンダーの力を得て出力を得ます。
いかに力強く下に押し下げるかで出力が決まります。

力強く下に押し下げるにはどうしたらよいか？
それはシリンダー内の気圧を上げるのが一番効率がよいのです。

お礼

＞いかに力強く下に押し下げるかで出力が決まります。

なるほど。これは一エンジンの重量(体積？)あたりの出力を上げるために圧縮行程があるという意見ですよね？
そう言われてみれば、その意見が一番しっくりきます。

燃焼室を小さくして、熱効率を上げるために圧縮行程が存在するということでしょうか？

ありがとうございました。
ただ私は考えすぎなのか、もっと別の...効率とかではなく原理的な理由があるのかと思っていました。

回答No.2

12m24

まず第1にこの行程がサイクル、つまりある一定の行程を繰り返していることにあります。
　熱力学がわかればこの説明でわかると思いますが、圧縮比が１だと、等積膨張、等積圧縮しかできないので、結局取り出す熱は、温度上昇のみです。
　より多くの熱を利用できる機械的な仕事として取り出すことができなくなってしまいます。これらの仕事はすべて内部の圧力の上昇に使われてしまうので、すべて無駄なものになって効率が落ちます。

　空気が膨張しただけでは仕事は取り出すことはできません。それに伴って体積の変化として取り出すことが必要なのです。詳しくは熱機関などの教科書を見るといいかと思います。

お礼

回答ありがとうございます。

12m24さんが説明されているのは密閉されたシリンダーの中での熱のやり取りの事だと思います。

私が疑問に思っているのは、例えば..蒸気機関などでは圧縮行程を使用しなくても仕事が取り出せるのに、燃料を使う内燃機関ではなぜ圧縮という行程が必要になってくるのかということです。

せっかくご説明いただいたのですが...私の質問の仕方がまずかったとおもいます。ごめんなさい。

回答No.1

BellBell

専門家ではないですが、工学の授業では圧縮することで、高出力、エネルギー効率の良いエンジンになると聞きました。
また、エンジンの仕組みから、爆発(膨張)工程が不可避であるため、どこかで圧縮工程が必要になるためでもあると思います。
(圧縮工程が存在しないエンジンが作成不可能、という意味ではありませんが、そのようなモノを作成する場合、わざわざ、圧縮工程を外す必要があります)

下記リンクはエンジンに関する総合ページです。参考まで。

参考URL：

http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/index_j.html

お礼

教えていただいたページを早速開いてみました。
なかなか参考になりそうなページですね。
このページの数式を理解できなければ、圧縮行程が必要な理由を理解できないんでしょうか...正直いうと、少々頭が痛くなってきました...もう少し感覚的に理解できる方法は無いんでしょうか？

＞圧縮することで、高出力、エネルギー効率の良いエンジンになると聞きました。

やっぱりエネルギー効率の問題からですかねぇ...。
そうでなければ、(私のような一般人には)逆にエネルギーを消費するような感のある圧縮行程が存在する理由がわかりませんもんね。

どうもありがとうございました。がんばって数式を理解してみます。(...できるかなぁ(汗))