エンジンサイクルの概説:さまざまな内燃機関の行程はどう違う?【自動車用語辞典:エンジンサイクル編】

■吸気・圧縮・燃焼・排気の各行程で構成されるサイクルで熱効率が決まる

●熱効率は、投入された燃料の燃焼エネルギーがエンジンの動力に変換される割合

エンジンは、燃料の燃焼によって発生する熱的エネルギーを機械的なエネルギーに変換して、動力として引き出す熱機関です。この変換効率が熱効率に相当するので、一連(吸気・圧縮・燃焼・排気)の行程で構成されるサイクルを理解することは重要です。

ガソリンやディーゼル、2ストロークエンジンなどの基本的な燃焼サイクルについて、解説していきます。

●4ストロークガソリンエンジンのサイクル

4ストロークエンジンは、(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4つの行程で構成されています。この4行程でエンジンは2回転して、それを連続的に繰り返すことによって回転を持続します。

4ストロークガソリンエンジンの理想的なサイクルを、発明者ニコラス・オットーの名前をとってオットーサイクル、あるいは等容燃焼サイクルと呼びます。

燃焼サイクルの評価には、PV線図が使われます。

縦軸Pがシリンダー内圧力、横軸Vがシリンダー容積のPV線図で囲まれる面積の大きさが、エンジンの1サイクルあたりの仕事量を示します。

面積が大きいほど出力が高い、供給される燃料量が同じなら熱効率が高いことを示します。

オットーサイクルのPV線図
オットーサイクルのPV線図

オットーサイクルは、2つの断熱変化と2つの等容変化で構成されます。断熱とは外部との熱の授受がない変化、等容とは体積が一定のままの状態の変化のことです。

・シリンダー内で混合気を<断熱圧縮>し、火花点火によって瞬時に燃焼<等容受熱Q1>します。

・高温高圧の燃焼ガスは<断熱膨張>することでピストンを押し下げ仕事をします。

・仕事をした燃焼ガスは排気<等容放熱Q2>されます。

●4ストロークディーゼルエンジンのサイクル

ガソリンエンジンは、混合気を圧縮して点火プラグの火花で着火させて燃焼する「火花点火方式」、

一方ディーゼルエンジンは、圧縮して高温になった圧縮空気中に微粒化した高圧の軽油を噴射し、蒸発した軽油が自着火する「圧縮着火方式」です。

ディーゼルサイクルのPV線図
ディーゼルサイクルのPV線図

ディーゼルサイクルは、2つの断熱変化と等圧変化、等容変化で構成されます。断熱とは外部との熱の授受がない変化、等容とは体積が一定のまま、等圧とは圧力が一定のままの状態の変化のことです。

・シリンダー内で空気を<断熱圧縮>し、上死点で燃料が噴射され燃焼が起こります。

燃料を噴射しながら燃焼するディーゼルエンジンは、燃焼がやや緩慢で、上死点から一定期間は<等圧燃焼>します。

・高温高圧の燃焼ガスは<断熱膨張>することで、ピストンを押し下げ仕事をします。

・仕事をした燃焼ガスは排気<等容放熱>されます。

●2ストロークエンジンのサイクル

4ストロークエンジンが(吸気)-(圧縮)-(燃焼)-(排気)の4行程をエンジン2回転で行うのに対して、2ストロークエンジンは、(吸気/圧縮)-(燃焼/排気/掃気)の2行程をエンジン1回転で行います。

2ストロークエンジンのサイクルは、発明者デュガルト・クラークの名前をとってクラークサイクルと呼びます。

クラークサイクルのPV線図
クラークサイクルのPV線図

クラークサイクルは、エンジン1回転に1回燃焼が発生し、下死点付近で掃気による吸排気作用を行います。

・ピストンの上昇<圧縮>とともにクランクケース内に、新気が吸い込まれます<吸気>。

・燃料が燃えるとピストンが下がり<燃焼>、排気口から燃焼ガスが排出されます<排気>。さらに、ピストンが下がると、クランクケース内に吸入されていた新気が掃気口を通じて燃焼室に入り込み、燃焼室に残った燃焼ガスを<掃気>します。

●アトキンソン/ミラーサイクル

低燃費技術として、多くのエンジンで採用されているアトキンソンサイクルとミラーサイクルは、メーカーによって呼び方が違うだけで、基本的には同じ技術です。膨張比を高めて熱効率を向上させ、ノックしないように吸気弁遅閉じ(または早閉じ)によって圧縮比を低減する手法です。

燃費低減に有効なアトキンソン/ミラーサイクルですが、一方で吸気弁を遅閉じにするので出力が低下します。これが大きなデメリットなので、出力不足を挽回するためにターボなど過給機を組み合わせることが必須です。


本章では、4ストロークガソリン、4ストロークディーゼル、2ストロークエンジン、アトキンソン/ミラーサイクルそれぞれの行程の違いについて、詳細に解説します。

(Mr.ソラン)