• ベストアンサー
  • 暇なときにでも

内燃機関(エンジン)の不思議

いつも思っていたことですが、例えば4サイクルでは吸入・圧縮・点火・排気という一連の工程を行いクランクシャフトを回転させていますよね。 時速100キロ以上にもなるとその工程はものすごい速さだと思います。4サイクルの正確な順序立てた工程がものすごいスピードで行われているのでしょうか?(勿論そうなのでしょうけれど) 例えば、モーターなら電磁石のNとSが入れ替わり永久磁石との引き合い・反発なので高速回転でも容易に理解出来るのですが、ことエンジンとなると信じられません。(といっても毎日、乗っている車がトラブルも無くまさにそうなのですが・・・)よろしければ御教示ください。

共感・応援の気持ちを伝えよう!

  • 回答数14
  • 閲覧数1013
  • ありがとう数15

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • 回答No.14

ものすごい速さってことも無くて、丁度良い速さなんですよ。 例えば、6,000rpmのガソリンエンジンの場合、一秒に100回転ですから、ピストンが上死点から下死点まで0.005秒ですよね。 これが気化したガソリンに着火して、火焔が全体に行き渡るのに丁度良い速さなんです。 シリンダー容積を小さくして(多気筒化し)、思い切り早期着火をしてもF1レースカーの12,000rpmぐらいが限界です。 ですから、現在の自動車エンジン程度のシリンダー容積の内燃機関を20,000rpmで回せるかと言うと「それは無理です」という領域に入ってきますね。 一方、燃料の燃焼を伴わない電気モーターなら30,000rpmでも40,000rpmでも可能ですから、そこにはちゃんと内燃機関の限界がありますよ。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。 確かに新幹線などは時速300キロオーバーを何時間にわたって安定して持続できますよね。

関連するQ&A

  • 【大発見】永久機関を考えました

    僕の考えた永久機関は、軟磁性体の性質を利用します。 普通NとNを向かい合わすと反発してくっつきません。ですが、間に厚みのある軟磁性体を入れるとくっつきます。このとき、片方から出た磁力は軟磁性体の中を通りもう片方の磁石には到達しません。 では、図の説明をします。 まず、コイルに電流を流し、回転子を回転させます。このとき、外側にある永久磁石からの磁力も加わるため、入力電力を上回る出力を得ることが出来ます。 次に、コイルに流れる電流の向きを変えて、回転を続けさせます。このとき、外側にある永久磁石と極が向き合いますが磁力は間にある軟磁性体を通り、隣の永久磁石に向かうため影響を受けません。ここでは、入力電力と出力は一緒になります。また、コイルに流れる電流の向きを変えたときは最初の説明に戻り、繰り返します。 外側の永久磁石と電磁石の磁力が1対1だった場合、入力2、出力3になり出力が上回ることになります。 どうでしょうか?

  • 永久機関ですか?

    永久機関を考えました。 図の上は動く磁石、下は電磁石です。まず、茶色のコイルに電流を流し上がN極になるようにすると中心の永久磁石の磁力が加わった磁力が動く磁石に伝わり動きます。S極が上にきたら電流を止めます。コイルの中心の磁石はその周りの鉄心を伝わり磁力は外へはもれません。鉄心は動く磁石から離れているので動く磁石からの磁力の影響もあまり受けません。なのでエネルギーゼロで電磁石の上にN極を持ってくることが出来ます。そしたらまた電流を流せば磁石は動きます。 中心の永久磁石で出力が増えたぶん出力が入力を上回ると考えました。 永久機関にならないとしたら理由を教えてください。

  • 普通モーターは、電磁石と永久磁石から作りますが、永久磁石同士で作った場

    普通モーターは、電磁石と永久磁石から作りますが、永久磁石同士で作った場合、どれくらい回り続けるものなのでしょうか。

その他の回答 (13)

  • 回答No.13

ちょっと計算してみましょう。 エンジンの回転数f=6000rpm=100回転/sec 行程距離L=150mm=0.15m 、ピストンの運動はSin曲線を描いて動いているとすると、ピストン運動の最大速度vは v=2π(L/2)f なので、2*3.14*0.15/2*100=47.1m/sec となります。 流体では音速がひとつの壁になっていて、これを超えると衝撃波が発生したり、部分的に真空ができたりして、スムースな気流ができなくなりますが、47.1m/sec はまだまだ音速の340m/sec(高圧下ではもっと大きくなる)よりずっと小さいので、十分問題ない範囲であることがわかります。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

  • 回答No.12

手元に正確なデータがないので、考え方だけを書きます。 エンジンが作動するための必要条件は: 1.機械的に破損しないで機能する。摩耗や遠心力。 2.点火などの化学変化が設計通り行く。電気系統も関与する。 3.空気や燃料の流れが円滑に行く 第一点は各瞬間の力を計算し、かつ耐久性を考えればよいので、何とかなりそうです。 第二点は化学反応、電気制御などですから、高速は得意な分野です。 そこで、第三点を取り上げます。 エンジンの中ではピストンが上下しています。どのくらいの速度かというと ストローク(行程)x回転数x2です。(二倍したのはピストンが上がる行程と下がる行程があるから) エンジンには小さいオートバイエンジン、中間の自動車エンジン、大型タンカーなどの巨大な舶用エンジンがありますが、ストロークの小さいエンジンは回転数が高く、巨大エンジンは回転数が低いので、ピストン速度はそれほど変わりません。 エンジンは空気を吸い込まなくては働きませんが、吸い込み速度はピストン速度と、桁としては同じ程度です。別に音速を超える訳ではありません。従って、高速走行中の自動車エンジンで、吸排気がうまく作動していても、それほど驚く必要はなさそうです。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

  • 回答No.11
noname#194996

NO.5です。 どうも質問者様との思いの乖離を感じているのですが、私自身はエンジンというものが不思議だとは思っていません。エンジンメカニズムというものは多くのわれわれと同じ人間たちが思いつき、100年かけて改良してきたもので、ひとことでいうと、一旦動き始めるとうまく継続的に回転し続けるように、それぞれの部分がしっかり機械的に連動する構造になっているので、いくら速く回そうと、いくらでもそれに追従できるように工夫されているということです。その構造にあいまいなところはありません。ここでもかかれてありますが、強いてあげれば弁を上下させるばねくらいがちょっといい加減なだけで、ほとんどががっしりしたリンク装置とカムで構成されてあり、誰デモ実際にその模型を見ればすんなり理解できるような、基本的には単純なものです。 目では確認できない電気モーターのほうが逆に(単純そうではあっても)むづかしいといえるのではないでしょうか。 私が疑問に思っていることは、むしろ、どんなにコスト無視でつくっても、結局F1レベルのエンジンですら2万回転/分 で頭打ちになってしまうらしいということです。ロングストロークは今ははやりませんが、たとえそうであっても爆発スピードと回転数の連関でいけば、まだまだ音速には程遠いので、限界回転数というものが何で存在するのか、このあたりのことが知りたいですね。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

  • 回答No.10

目に見える物の動きと目に見えない物の動きの違いで、目に見える物については質量による慣性の存在を無意識のうちに感じているためです。 確かに、馬力を上げる最も手っとり早い、回転数を方法では爆発燃焼で膨張するガスの速度よりピストンの速度が速くなるため、ロングストロークでは限界があるそうです。 目に見える物の変化、移動には必ず時間がかかるものですね。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

  • 回答No.9

>4サイクルの正確な順序立てた工程がものすごいスピードで行われているのでしょうか? 答えとしてはそうです、としか言い様がありませんが、実用一般車よりレーシングエンジンなら もっとすごいです。F-1マシンのエンジンなら10000~16000回転/分(r.p.m.)でも 常用域で、スペック上の最高であればもっと回ります。もっともここまでくると、バルブスプリングが 速さについて来れなくなるのでバネでは無く窒素ガスでバルブ駆動したり、高回転主眼の軸受けで あるため逆に低回転では使えないとか、なによりオイル交換さえしていれば黙って何万kmも 走れる一般用と違って、300kmや2時間程度の走行に耐えるのが限界に近い(逆にレース だけ持てばそれでいい)、といった普通のものとは別の世界です。 ラジコン等に使う模型エンジンの話をすれば、飛行機やヘリに使うエンジンの多くは2サイクル で20000rpm近くは回り、実際飛んでいるラジコンヘリのエンジンは常時15000rpm以上 は回っています。4サイクルでも最高10000rpm位で、平均的な実車の倍程度回ります。 さらにラジコンカーやボート用ではスペック上最高30000~40000rpmというのも当たり前に なっています。 これ程回りますので、発生馬力比較をかなり乱暴に言うと(もともと主成分がアルコールで燃料 にニトロ系添加剤を使っている、遥かに小さいサイズといった違いもあるのですが)、普通のラジ コンヘリ用2サイクルで3.5リットルNA時代のF-1エンジンと同程度であり、排気量あたりの出力 は200馬力/リットル以上となります。 こんなにも高回転で回って行程(サイクル)が実際に行われ、しかも実用に耐えている、というの は改めて不思議と言えば確かに不思議です。しかし現実にそれだけの速さで空気が吸入された り膨張したり、エンジン各部は回転・往復運動をしている訳です。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。 ラジコン模型用エンジンって確か点火は焼玉式?(ピストンの高圧圧縮により自然発火?)だから回転数も上がるのでしょうか。実車さながら複雑な4サイクルもあるのですね。

  • 回答No.8
  • ayzm
  • ベストアンサー率17% (152/862)

先ずは間違いから、エンジン回転数とスピード速度とはべつもの、スピードはミッションで変えます。 エンジンの回転数は、アイドリング回転数からエンジン性能回転数まで(レッドゾーン以内)だけしか回しません。 スピードは、ミッションのギアー比で変わります、だからMT車は3段~6段のシフトレバーは乗用車は普通です。 私は、ふく変速機つきの14段を乗ったことがありますが、飛び飛びで使いますから6段シフトで使います。 本題のエンジン回転数ですが、ガソリン車は2千回転~8千回転で使うのが通常です、ジーゼル車は5百回転~3千回転で使うのが通常です。 ガソリン車で4気筒で4千回転でいちばん力が出る回転数で話します。 一分間で4千回転、吸入・圧縮」・点火・排気をクランクが2回転で一工程をこなしますから、点火だけを見れば一回転おきに点火します、2千回点火するだけです、それを吸入・圧縮・排気が同じに遣っているだけです。 そこから、エンジンの使い方で単気筒~多気筒・ショートストローク~ロングストローク・SOHC~DOHCなどといろんなエンジンがあります。其の工程を安定して回し性能のいいエンジンを見つけるためと確認するテストのために、各種レースがあります。 レース予選は、各社のテスト走行のために走ります、それがメーカー所属のドライバーです。 タイヤメーカー・各種オイルメーカー等々、メーカーステッカーを貼っていいるのは、自分の商品のテストをしてもらうためにスポンサーになってお金を出しています。 トップレーサーほど、予選のときはピットインするたびに、マシンの性能が変わります。それでもトップをキープするからスポンサーがお金を出してもテストをしてもらいます。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

質問者からの補足

確かに点火は一回転おきですよね!そのぶんプラグは休めるわけですね・笑

  • 回答No.7
  • demio
  • ベストアンサー率13% (199/1472)

50ccの原付でも分解すればわかりますがタイヤとチェーンとギアでつながってクランクが回ってピントンが往復するのがわかりますから時速30キロでもタイヤが回っているのでピントンも動いているはずです、手でタイヤを回すぐらいの速さでもピストンは早く往復しますから実際に走っているときは凄い速さであることは想像できます。原付のピストンはほんの小さな物で一つだけで人を乗せて走れるのですから、不思議なものです。 昔の空冷2サイクルエンジンはシリンダーヘッドがすぐに外せましたから、実際にピストンが動くのを見るのは簡単でしたが今の4サイクルのスクータになって実際にエンジンの外観をみることも少なくなったのでブラックボックス的になってしまいました、4輪車だとボンネットを開けてもどれがエンジンかすら見えなくなっていますl。 本の図解でみるよりもエンジンの現物を分解するのが一番わかるのですが何でも便利に複雑になりすぎて原理がわかりにくくなってきました、構造がわかっていると、100kで走っていて、あのピントンがもしも今割れたらどうなだろうか、シャフトが折れたらどうなるかと考えるとむちゃくちゃな走り方はしなくなります

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

  • 回答No.6

No.4です。 ガソリンエンジンの駆動の仕組みを分り易く表すなら「石油発動機」を 見ればよりよく分かります。 たまに焼玉機関と混同されて解釈されていますが点火方式、燃料など が異なります、石油発動機はガソリン(ケロシン)を燃油としガソリン エンジンと基本構造がほぼ共通しています。 ただ各種部品の精度は現代の自動車用ガソリンエンジンから比べれば 多少甘い物がありますし元々エンジンそのものの回転数が低いので 動き方がよくわかります、だからこそ教材にもなるのですが。 ガソリンエンジンの場合使っている燃料のオクタン価が高いので より高圧で圧縮でき爆発力も上げられ回転数も上げられるので高効率 を得られますが動作も瞬間的になるので実感が得にくいのでしょう。 最も職人というか経験を積んだ技術者や整備士の方であれば振動だけで エンジンの状態をかなり正確に把握する方もおられます。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

  • 回答No.5
noname#194996

結局、ガス爆発のエネルギーがピストンを押し広げる力を利用してあれだけの速い動きを可能にしているのでしょう。クランク軸そのものは昔は手と腕で直接回転できるほど軽いトルクで動かせるほどの機械(これもなかなかよく出来た機構、精度なのでしょうが)なので、ひとつの問題はガス爆発の膨張の速さがどこまで加速できる能力なのかということです。基本的に空気の動きは爆発時も音速が限度です。ピストンのストロークがたとえば100mmとして1回転200mm、10000回転/分ではおおざっぱにいって30m/秒 くらいの速さで動かねばならないことになりますが物理的には充分追従できる、まだまだあげられるということになります。ホンダエンジンはストロークを小さく(50mm以下)して高回転(15000/分くらい)にしているようですが、それでもピストんの速さは平均23mくらいだそうです。要は機械の精度と耐久性がそのあたりで限度に来ているのだと思います。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

  • 回答No.4

モーターもそうですがそれを成しているのがこれまでの内燃機関の長い歴史における数々の 技術革新によるものでしょう。 質問を読んでいて思ったのですが具体的にどのような事がお聞きになりたいのでしょうか? 4サイクルエンジンの動作している状態を見るならばお近くにあるかはわかりませんが 交通科学博物館などであればガソリンエンジンの動作の様子を描いた切断模型(真っ二つに 割られた物)で確認できます。 それ以外の動作の様子であれば図書館などで閲覧できるビジュアル図鑑シリーズでも確認 できます。 4サイクルエンジンその物は一般的には「オットーサイクルエンジン」の事であり動作は、ピストンが 4ストロークしそのたびにクランクシャフトが2回転して、混合気を吸気、圧縮、燃焼、排気する動作 を繰り返し行うものです。 これらが何の問題もなく行えるように各部品を高精度に製造しかつ摩擦などによって発生する 熱などで部品が劣化しないようにエンジンオイルをエンジン内に入れ日常において何も問題 なく動作できるようにしています。 これらの現代的なガソリンエンジンにおける技術革新は航空機用ガソリンエンジン、船舶用ガソリン エンジンなどでのノウハウが元になっています、エンジンはれっきとした工業製品です。 実際多くの自動車メーカーはその前身や歴史において何らかの形で航空機・船舶用エンジンの 開発や製造に関わっています(例外もあります例えばバイク製造メーカーのスズキなど)。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

質問者からのお礼

ご回答ありがとうございます。

関連するQ&A

  • 永久磁石本体からの磁束漏れについて教えて下さい

    長方向に着磁した長細い永久磁石の両端に別の電磁石でお互いに反発するようにN極はN極に、S極はS極同士に磁束をかけると長細い永久磁石の中間(途中)から磁束が漏れるか、漏れないか何方か経験のある方教えて下さいお願いします。

  • 普通モーターは、電磁石と永久磁石から作りますが、永久磁石同士で作った場

    普通モーターは、電磁石と永久磁石から作りますが、永久磁石同士で作った場合、どれくらい回り続けるものなのでしょうか。 回りを磁気の通らないもので囲う前提で、回らないですかね。

  • 永久磁石の磁場を電磁石で一時的に相殺

    永久磁石の周りに電磁石を配置して、電磁石に電流が流れていない場合に、永久磁石の磁場が発生させ 流れている場合、その磁場を相殺させる、といったことは可能でしょうか。 また可能な場合、どのような配置をすれば実現できますか

  • 発電所の最初の電気はどうやって作った?。

    発電をするときは、界磁側または回転子側が磁石だと思いますが 小さい発電機ならどちらかが永久磁石とも思いますが まさか発電所の発電機が永久磁石では無いと思います。 電磁石だとすれば、その電磁石に供給した最初の電気は どうしたのでしょか?。 どなたかお教えください。

  • 電磁磁石

    電磁磁石を作りました。電磁磁石と永久磁石の同じ極どうしを近づけたのですが反発しないのです。それどころか着いてしまいました。私としては反発させたいのです。電磁磁石と永久磁石の同じ極を反発させる方法を教えてください。

  • 下の図のコイルはなぜ動くのですか?電磁石

    下の図の鉄芯と永久磁石は接着剤で固定しております。 このコイルに交流を流すとコイルがカタカタと振動しました。 何故コイルは動くのでしょうか? 電磁石の原理により、鉄芯に現れる磁極と永久磁石との吸引反発力で「鉄芯」が振幅するなら分かるのですが、 この鉄芯が永久磁石と固定されている状態では、コイルは動かないような気がするのですが・・・。 誰か説明お願いします。 この瞬間は鉄芯のここが何極、コイルのここは何極、になっているからこう動く などのように詳しく教えて下さると幸いです。

  • 電磁石による保持機構

    ある装置(回転体)の保持機構を考えています。保持に電磁石を利用出来ないか検討中です。 すみません、私は機械屋でして電気に疎く、案は考えたものの実用可能かピンときません。相談に乗って下さい。 仕組みはモータのような形状で、回転子は固定にします。その回転子の回りに永久磁石を置いて、回転子に電流を与えると永久磁石が回転子側に吸着され、回転子と永久磁石の間にある回転体が保持されるような機構にしたいと思っています。 (図示出来ればよいのですが…この説明でご理解いただけますでしょうか?) ?問題はパワーですが、保持トルクは200N・m必要です。電磁石でそれ程の保持トルクが発生させることが出来るでしょうか? ?コイルの巻数、電流値、巻いたコイルの個数等、どのくらいの規模になるか、想像つきません。根本的に実用可能でしょうか? 教えて下さい。どうかよろしくお願いします。 舌足らずな説明ですみません…今描いている保持機構の構造ですが、 ?円筒状の形状と思って下さい。 ?一番中心に(モータでいう)回転子A(ただし回転しないで完全に固定) ?その外側に回転出来る中空回転軸B⇒この中空回転軸Bの中に回転子Aが入っている。 ?中空回転軸Bの外側に永久磁石C です。 ------------------------------ 1)回転子Aに電流を流すと、永久磁石Cが回転子A側に引き寄せられます。 2)1)の作用によって、永久磁石Cは中空回転軸Bに密着します。 3)密着することで、摩擦作用で中空回転軸Bがブレーキされ、回転が止まります。 ------------------------------ 中空回転軸Bは普段はフリーで、常に回転している訳ではありません。あるタイミングの時だけフリー状態を保持させます。この保持トルクが200N・m必要です。この保持トルクを出す為に、どのくらいの電磁力が必要かピンときていません。 みなさんのお力をお借りしたく、どうかよろしくお願いいたします。

  • 電磁石と永久磁石は電流と静電気のような関係ですか

    電磁石は電気が流れている時だけ磁石になりますが永久磁石との関係はどういうものなのでしょうか。電子が関係しているのでしょうか。

  • 永久磁石について

    素朴な疑問です。 永久磁石は長期間(10~100年位)磁力を発していますが、 そのエネルギー源は何なのでしょうか? たとえば電磁石なら電流が磁力の発生源ですが、 永久磁石は外部からエネルギーを受け取らずに磁力を発っするのが納得できません。

  • 自作交流モーター

    大○のマッチの缶で交流モーターを自作したいのですが、交流モーターは中が永久磁石で外が電磁石ですよね。その中の永久磁石をどうするか迷ってます。普通の鉄を磁石にくっつけておくと磁石になってることがありますよね。その磁石が十分交流モーターに適しているか知りたいのです。