エンジンでどうしても信じられないことがあります。

質問

エンジンでどうしても信じられないことがあります。
それはあんな高速でピストンが上下していることです。
燃料を噴射するためのバルブをカムであける→点火→排気を出すための穴をカムであける→排気
これが一連の動作ですが、例えば6000rpmだとしたら、一秒間に100回この動作を繰り返してる訳ですよね？早いのは分かりますがいくらなんでも一秒間に100回上下なんて、そんなに早くこの一連の動作が出来るとは信じられません。どなたか分かる方いらっしゃいませんか？

回答No.21

nekoppe · ベストアンサー

Ｎｏ２０さんです。
＞バルブフェイスとバルブシートのすり合わせというのもあるようですね
バルブのすり合わせは今は特殊な作業になってしまいました。説明図のＡ（カムとロッカアーム）、Ｂ（ロッカアームとバルムステムエンド）が摩耗すると隙間（バルブクリアランス）が増え、Ｃ（バルブフェースとバルブシート）が摩耗すると隙間が減ります。設計、製造、材料、等が進歩した為に磨耗が少なくなったのと、ＡＢの摩耗とＣの摩耗がバランスするよう造り、摩耗しても隙間の変化が殆ど生じないようになったのです。その為メーカが「１０万ｋｍ走行してもバルブクリアランスの調整は必要ない」と言うようになったのです。日本車の年間平均走行距離は１万ｋｍ未満なので、１０年以上調整不要という事はメンテナンスフリーと同等という事になり、分解整備に伴うバルブすり合わせの経験は殆どの整備士が実経験をする事がなくなってしまったのです。

お礼

なるほどです。自分が見た資料はバイクのエンジンのものだったようですが、特に細かなチューニングにこだわる人などはやるのかもしれませんね。非常に参考になりました。今でも秒間５０回のバルブ開閉は想像してみても信じられませんが、一縷の望みというかたくさんの方から信じうるだけの色々な観点からのご回答を頂き感謝しております。誠に有難うございました。

回答No.20

nekoppe

Ｎｏ１９さんです。
＞隙間というのは物理的な隙間ですか
そうです。仮に隙間ゼロとすると、バルブフェース（バルブの当たり面）やシートが少しでも減るとバルブが沈み突き上げ状態になり密着できなくなります。隙間ゲージで調整するので０．２ｍｍとか０．３ｍｍという位の隙間です。

＞エンジンが停止しているときでも隙間があるのでしょうか
圧縮と爆発の工程はバルブが閉じているのでカムは作動しなく、この工程でエンジン停止したシリンダはバルブが閉じています。例えば４気筒なら、吸排気８箇所の内４箇所のロッカーアームに手で触れると隙間分だけ動きます。動いている時もこの工程では隙間があります。

＞数ミクロン単位で隙間があいているということでしょうか
某５０ｃｃエンジンで０．０５ｍｍ。某４気筒で吸気側０．３７ｍｍ、排気側０．４ｍｍ。隙間調整用の隙間ゲージ（通常シックネスゲージと呼ぶ）の厚さは０．０４～１．０ｍｍなので、この範囲内の隙間と考えてもらえば良いと思います。

説明図左がバルブ上でナットを緩め調整する方式、右がカムのベースサークル部とバルブリフタ部で測定し、シムの厚さを変えて調整する直動式。シムがリフタ内側の方式のものとかリフタ自体を交換するものとかがあります。油圧式は隙間を常時ゼロにする方式ですが、僅かな油圧なのでバルブとバルブシートの密着には影響しません。

お礼

誠に有難うございます。なるほどです。バブルフェースの磨り減り分を考慮してあえて空けてあるということなのでしょうか。
ちらっとバブルリフタとカムとの摩擦を軽減するために設けているのかなと思いましたが。
バブルフェイスとバブルシートのすり合わせというのもあるようですね。
これらですり合わせ隙間をなくし、磨り減った分をシックネスゲージなどで測定しナットで調整するということですね。

回答No.19

nekoppe

Ｎｏ１８さんです。
＞それは静止時でもあるのでしょうか。それとも走行時に発生してるんでしょうか。
カム山がリフタに接するまで（名称ベースサークル）は隙間があり、走行とは無関係にエンジンが動いている間はそうなります。この隙間はバルブタイミングを正確にする調整代となっているので、説明図左のようにナットを緩めて隙間調整する部分があります。中はバルブリフタのバケットそのもの（又はシム）を交換して調整する方式、右は油圧調整式（この形式は隙間は常にゼロ）です。

＞スイングアーム式とはＯＨＶなどのオーバーヘッドバルブ式によく使われるタイプですね
ＯＨＶではなくＯＨＣに使われています。まあＯＨＣもオーバーヘッドバルブ（ＯＨＶ）には違いないのですが。

お礼

隙間というのは物理的な隙間ですか？

>走行とは無関係にエンジンが動いている間はそうなります。
エンジンが停止しているときでも隙間があるのでしょうか？
図の中央の写真でもカムとリフタは密着しており隙間があるように見えないのですが
数ミクロン単位で隙間があいているということでしょうか？

回答No.18

nekoppe

Ｎｏ１７さんです。説明も表現も足りなかったようですね。
＞カムを平たく伸ばすとこの図のようになるのがわかりません
中学校で学んだ（地域や時代の差があるかも）カム線図を覚えておられるでしょうか。カムは回転運動を挑戦運動に変えるものです。させたい直線運動をカムの形にすると説明図のようになります。Ｎｏ１７の説明図がさせたい直線運動で、カムに変えると卵形になるのです。

＞図のバルブリフトとカムリフトに若干の差があるのもわかりません
カムとバルブリフタには隙間があり、隙間がゼロになってバルブが動くのでカムリフト＝バルブリフトにはならないのです。説明図は直動式の場合で他にも方式があり、例えばスイングアーム式ではリフト量８．６ｍｍであってもカムリフトは６．３ｍｍというように、カムリフトの方が少ないものもあります。

＞実際はカム部だけだと更に短い
バルブを押すカム形状があるのカムの３６０度ではない（某エンジンの吸気は２４５度）ので、カムがバルブを動かす時間は更に短いという意味です。

＞ヘタレないスプリングは凄いですね
それがヘタレるのですよ。ある程度走行したエンジンのバルブを取り外してみると、ノギスで測らなくても目視でヘタリが解ります。

お礼

非常によくわかりました。カムとバルブリフタには隙間があり＞
やはり隙間が発生してるんですか。それは静止時でもあるのでしょうか。それとも走行時に発生してるんでしょうか。
スイングアーム式とはＯＨＶなどのオーバーヘッドバルブ式によく使われるタイプですね。あれだとロッカーアームの支点の位置でいくらでもカムの大きさに関係なくバルブリフト量を調節できますね。
デスモドロミックもそうらしいですが、それだとカムリフトが小さくても、バルブリフトを大きく設定できるのでバルブサージングを起こしにくそうですね。

カムがバルブを動かす時間は更に短いという意味です。＞
よく分かりました。バルブリフタがカムの盛り上がってない部分に当たっている時間ですね。

やはりスプリングはへたれるのですか。ということはパフォーマンスを保つにはメンテをきちんとして交換を求められる部分ですね。とても参考になりました。

回答No.17

nekoppe

Ｎｏ１４さんです。
カムを平たく伸ばすと図のようになり、６０００ｒｐｍでは開閉が３０００回／分、１秒では５０回の開閉となります。バルブ全開から閉じる時、スプリング反力が追従できずバルブが浮くのではと思われるのですね。某エンジンを例にするとカムリフトは８．６ｍｍですから０．０２秒で１回転、１回転の半分が閉じ側なので０．０１秒（実際はカム部だけだと更に短い）で８．６ｍｍのバルブ移動で、無理ではないと感覚的に理解できると思います。

お礼

ちょっとこれは難しくて理解し切れなかったのですが、まずカムを平たく伸ばすとこの図のようになるのがわかりません。あとはカムリフトとはカムの盛り上がりのことだと思うのですが、図のバルブリフトとカムリフトに若干の差があるのもわかりません。

6000回転であれば開閉は3000回　片側バルブ（仮に吸気バルブだけで考えると）一秒で５０回の開閉というはわかります。

＞０．０２秒で１回転、１回転の半分が閉じ側なので０．０１秒（実際はカム部だけだと更に短い）
（カム部だけだとさらに短い）と言う事はカムのほうが若干早く回っていてやはり一瞬浮いている（カムとバルブが一瞬離れてる）んじゃないでしょうか？

やはり最終的にはスプリングの強さに焦点があるのでしょうか？
０．０１秒で８．６mmだと時速に直して時速３km足らずですよね。
スプリングの伸びる速度がそんなに遅いとは思えないので充分追従できる速度と言う事でしょうか。
ただ何億万回と圧縮を繰り返されてもヘタレないスプリングは凄いですね。
そのへんの安いバネだとすぐダメになってしまう気がします。

回答No.16

gorisansei

ストロークの関係
では人間で考えてみましょう。

10mの距離を60秒で10往復するのと、15ｍの距離を60秒で10往復するのでは
どちらが平均スピード（平均ピストンスピード）は高いでしょうか？
60秒つまり1分です。

前者はクランクの回転に換算すると10rpm、後者も同じ10rpmです。
10往復だから当たり前ですよね。

でも二人が走った距離には明らかな差があります。

前者はトータル200ｍを60秒で走りましたが、後者はトータル300ｍを60秒で走りました。
前者の平均速度は200÷60で3.3m/s、後者は5.0m/sです。

だからストロークの長いエンジンは高回転化に向かない。

>>どう考えても長い距離を行ったりきたりするより短い距離を行ったりきたりするほうが早い回転になるような気がするのですが・・・
その通りですよ。
ただ、平均ピストンスピードと回転数は違うものです。
14000rpmのエンジンと7000rpmのエンジンでも平均ピストンスピードは同じということもあり得ます。

>>ピストンが下死点を過ぎて圧縮工程に入っても吸気が行われるということでしょうか？
そうです。

吸気バルブと排気バルブの開閉のタイミングはエンジンによって異なります。
吸気と排気バルブが同時に開いていることもあるんですから。
「バルブオーバーラップ」で検索すると色々出てきますよ。

最近バルブタイミングを可変出来る機構がよく使われるのはバルブの開閉のタイミングがエンジンの能力を決める重要な要素だから。
「ミラーサイクル」「アトキンソンサイクル」とかで検索すると低燃費志向のエンジンのことが分かります。

お礼

とてもわかりやすかったです。まったくそのとうりですね。
14000rpmでも7000rpmと平均ピストンスピードが同じになることもある。これは
7000rpmのほうがストロークが長くボアも大きいので回転数は低くてもパワーがありピストンスピードは
同じになるということですね。
バルブオーオーバーラップは非常に参考になりました。２ストロークエンジンだとチャンバーなどを取り付けたりYPVSのような可変装置を取り付けるんですね。
YPVSのような半月状のバルブ　EXUPの原理は２スト４ストどちらでも使えるようですが。
ATECよりはメンテナンスに手間がかからないようです。
誠に有難うございました。

回答No.15

gorisansei

ボア・ストロークの関係ですが・・・。

同じ排気量でもボアが大きいとストロークは小さいですよね。
ストロークが小さいとピストンが上下する距離が小さいので平均ピストンスピードは下がります。
逆にボアが小さくてストロークが長いとピストンが上下する距離が長いので平均ピストンスピードが上がります。

平均ピストンスピードが上がるとピストンにかかる負担が大きくなるので、高回転化する場合はボアを大きくしてストロークを短くするのです。

点火タイミングはコンピューターの演算速度からすれば大したことじゃありませんし、バルブの開閉だってタイミングチェーンできっちり駆動しているので不思議ではありません。
サージングを起こさないのはきちんとスプリングの強さを計算して設計されているから。
その他にもバルブの軽量化などで高回転化に貢献しています。
同じスプリングの強さでも、鉄球を飛ばすのと卓球の球を飛ばすのじゃ全然違いますよね。

バイクの300キロの例ですが、例えばの話ですよ。
時速300キロと時速72キロ。一直線で300キロと何往復もして72キロじゃ違うのは分かりますが、一例として。

あとガソリンの気化ですが、今でもバイクではよく使われているキャブレター
No4さんも仰る通りあれから出るガソリンはほとんど液状らしいです。
電子制御されたインジェクションの物はよく分かりませんが・・・。
しかしシリンダーに入った瞬間に気化され、燃焼します。
エンジンの燃焼にとってガソリンの気化というのはかなり重要な要素で、もしも気化が不十分だと無駄な燃料が蒸し焼きになって煤となります。

タイミングベルトが切れた場合でもバルブとピストンが干渉しないようにピストンに「逃げ」を掘っていた時代もありましたが、熱効率の低下や窪みがあることでガソリンがそこに溜まり、燃えかすとなって排ガスも汚くなるので最近のエンジンは極力窪みが無いような形状になっているとのこと。
ちなみに燃焼速度はエンジンの回転が上がってもほとんど速くなりません。
ですのでエンジンが高回転になるほど点火時期を進角して上死点での圧力が最大になるようにしています。

吸気の圧力も実はターボがついていなくともインマニの圧力が正圧になる時があります。
普通はシリンダーが空気を吸い込んでいますが、エンジンのある回転数では空気の慣性により「慣性過給」がされてその回転数のトルクが増大します。
空気だって急に吸い込まれて吸気バルブを閉じられれば後から来る空気で圧縮されますから。

お礼

非常に参考になりました。

＞同じ排気量でもボアが大きいとストロークは小さいですよね。
ストロークが小さいとピストンが上下する距離が小さいので平均ピストンスピードは下がります。
逆にボアが小さくてストロークが長いとピストンが上下する距離が長いので平均ピストンスピードが上がります。＞

ストロークが短くなると、その分回転スピードは速くなり
長ければ遅くなるんじゃないでしょうか？

どう考えても長い距離を行ったりきたりするより短い距離を行ったりきたりするほうが
早い回転になるような気がするのですが・・・

「慣性過給」これはピストンが下死点を過ぎて圧縮工程に入っても吸気が行われるということでしょうか？
その時までバルブは少し長く空いてるということでしょうか
それともピストンの負圧+慣性過給で吸気圧力そのものが高くなる状態と言う事ですよね

回答No.14

nekoppe

Ｎｏ８さんです。
＞カムの問題について疑問が残りました
路面の５ｃｍの段差を４０ｋｍ／ｈで乗り越えると大きな衝撃がありますが、段差をサインカーブのような緩やかな坂にすると衝撃は大幅に低下します。カムがバルブを開ける時も同じようにバルブに急激な力が加わらないような形状に加工してあり、バルブがカムから離れてしまいにくくしています。バルブがバルブシートに着座する時もソフトにしています。昔はカム形状が大雑把だったのですが、今は新しい理論に基づきコンピュータで形状設計し加工も精密になっています。

＞ガソリンを液体から混合気にする過程を学ばなければならないようです。
気化器のノズルからガソリンが出てくる所を実際に見てみると解りますが、液状のままで気化はしていません。シリンダに流入する過程で一部が気化、ピストンに接すると更に気化、圧縮で気化、点火する時にはほぼ１００％気化しています。

お礼

たしかに卵形のゆるやかなカーブを描いていますがそれだけで秒間100回、Ｆ１でいえばその数倍の速度でバルブサージング（他の回答者様から教えていただきました）を起こさないのがすごく不思議です。
バルブスプリングが伸びる速度がそれほど速いとは思えないからです。ガソリンの気化は非常によくわかりました。有難うございました。

回答No.13

puu1-2-3

信じられませんか？
もう１００年以上前の技術です。
今日のＦ１やバイクのエンジンは２００００ｒｐｍまで回ります。

そんなことをいったら、３ＧＨｚで演算を行うパソコンの方が、私は信じられません。秒間３０億回計算するんですよ。
車のエンジン制御は早くても０．１μｓオーダーで制御してますが、それはコンピュータの進歩によるおかげでもあります。

お礼

むしろ機械的な物体の上下運動サイクル（バルブ、ピストン）のほうが不思議なんです。
コンピューターの計算速度は電気の速度ともいえますからなんら不思議ではないです。

回答No.12

rawbrom

専門的なこと省いて簡単にすると。

吸気のしくみは注射器を考えれば良いかと思います。
注射器のピストンを引くと空気が吸い込まれます。
これはピストンを引く事で内部の空気が薄くなり
外部と比べて負圧が生じるからです。
これはピストンを早く引いてももゆっくり引いても生じます。
自然吸気になります。
これを外から圧力をかけるにはターボやスーパーチャージャー
といった物が有ります。
始動時にこの作業をエンジンではスターターモータで
クランクシャフトを強力に回しピストンを上下させる事で行っています。

ガソリンはもちろん液体です。
そして非常に気化し易いです。
混合気をつくるしくみは、キャブレターにしろインジェクターにしろ
小さな穴からガソリンを噴出す事で行います。
簡単には霧吹きの要領です。
負圧で吸い出す（キャブレター）、圧力をかけて押し出す（インジェクター）にしろ
小さな穴から出たガソリンは一瞬で気化します。
これがピストン運動による吸気の際に行われて混合気となります。

エンジン始動は大変な作業で、
停止した状態から、吸気・圧縮・爆発・排気の工程を
うまくタイミングよくサイクルさせなければなりません。

なかでも正常な連続した爆発を起こすのが大変です。
吸気・圧縮しても正常な爆発でなく、
燃焼するだけの時や爆発しても
ピストンを押し下げるだけの力がなかったりして
止まってしまいます。
ですので強制的にクランクシャフトを回し続けて、
正常な連続したサイクルが行われるようにするのが
スターターモーターやキックの役目です。

お礼

非常にわかりやすかったです。回転については他の回答者様の回答でＦ１だと最高２００００rpmまで回ると言う事ですが信じられません。４スロークなので爆発とバルブの開閉は片方だけでも１００００回、150回以上/秒するわけですがスプリングの伸びる速度がそれに追いつけるとは思えないのです。Ｆ１ということでおそらく回転数だと２００００rpmが限界なんでしょうね。

回答No.11

gorisansei

エンジンを設計する時には、部品が壊れないように計算して設計します。
その中でNo10さんが仰るバルブスプリングの強さも重要な要素ですが、ボア×ストロークも重要な要素です。

バルブスプリングを強くすれば高回転まで回してもバルブサージングを起こしませんが、強くすればそれだけ抵抗が増えるので燃費は悪くなります。

ボア×ストロークも、同じ排気量でボア（内径）が広ければストローク（行程）は短くなり、平均ピストンスピードは下がります。
逆にボアが小さければストロークが長くなり、平均ピストンスピードは上がります。

普通のエンジンは最高出力を発生する回転数で平均ピストンスピードが大体20ｍ/sになるように設計されているようです。
20ｍ/sと言えば平均時速72キロでピストンが動いているということ。

こう考えると納得出来ませんかね？
二輪車でも時速300キロ出る時代ですよ。

お礼

誠に有難うございました。
というと6000回転ぐらいで最高出力が出るよう設計されているということでしょうか？

時速約72kmというと秒速20ｍですね。ピストンの上下運動の幅が10ｃｍだとして100回/秒とすると秒速で上下20ｍの距離を移動したことになります。ぴったりですね。

＞ボア×ストロークも、同じ排気量でボア（内径）が広ければストローク（行程）は短くなり、平均ピストンスピードは下がります。
逆にボアが小さければストロークが長くなり、平均ピストンスピードは上がります。＞
でもここで見ると逆のこと書いてあるように思えますがどちらなのでしょうか？
http://www.premium001.net/car/ho009.html

＞こう考えると納得出来ませんかね？
二輪車でも時速300キロ出る時代ですよ。

速度はギアの問題でどうとでもなるんです。
速度が上がれば上がるほど回転数は低くなりますから

やはりバルブスプリングの強さは非常に重要ですね。
強すぎてもダメだし弱すぎてもダメですし・・それと信じられない回数伸び縮みするわけで
使えば使うほど弱くなってきたりするんじゃないでしょうか？
年式の古い車は軽度のバルブサージングを起こしながらも普通に走っているんじゃないかとすら思ってしまいました。