車の心臓！ ～レシプロエンジンとは？～
以前は「ロータリーエンジン」の記事を投稿したので、今回はほとんどの車種に搭載されている「レシプロエンジン」に関する記事を投稿します。
レシプロエンジンという言葉を聞いた事はあっても、どういうものかよく知らないという方もいらっしゃるのではないでしょうか。
飛行機や船舶、自動車やバイクと、様々な乗り物で活躍するレシプロエンジン。
このレシプロエンジンの仕組みや２サイクルエンジンと４サイクルエンジンの違い、レシプロエンジンの種類などを簡単に紹介していきます。
レシプロエンジンとは、燃料の熱エネルギーをピストンの往復運動に変換し、回転運動として出力する原動機です。
自動車のレシプロエンジンは内燃機関のレシプロエンジンで、現在では４サイクルエンジンが主流です。
内燃機関は、シリンダー内で燃料を燃焼させ、燃焼ガスを利用してエネルギーを出力するエンジンの事です。
４サイクルエンジンとは、エネルギーを発生させる一連の動作（４工程）をピストンの２往復（４ストローク）で行われるエンジンの事です。
なので正確には４ストローク・１サイクルエンジン（４サイクルエンジン）と呼ばれています。
レシプロエンジンは現在、乗り物のエンジンとして一般的で最も主流といえるエンジンです。
機構は複雑ですが、様々なメーカーが長年に渡って改良を重ねていき、最も普及しているエンジンです。
内燃機関のエンジンにはロータリーエンジンも存在しますが、こちらはローターの回転運動を動力としているのでレシプロエンジンではありません。
ロータリーエンジンは以下の記事で解説しているので、こちらもあわせてご覧ください。
レシプロエンジンは現在では４サイクルエンジンが主流です。
４サイクルエンジンは、以下の工程を経てエネルギーを生み出します。
①吸気工程（下降）
ピストンが下降し、吸気バルブが開いて燃料を含んだ混合気（霧化したガソリンと空気）をシリンダー内に取り込みます。
シリンダー内に空気を取り込む前に霧化させたガソリンを混合させるには「キャブレター」という装置によって行われますが、現在では「インジェクター」と呼ばれる装置によってシリンダー内にガソリンを直接噴射（直噴）させています。
なので近年の自動車ではキャブレターは搭載されず、空気のみの吸入を行っています。
②圧縮工程（上昇）
ピストンが上昇し、燃料を含んだ空気を圧縮します。
インジェクターが搭載されているエンジンではこの時にガソリンを噴射し、直噴されたガソリンはピストンの圧縮による圧力と熱で気化と同時に混合気（燃料と空気が混ざり合った気体）をシリンダー内で生成しています。
③燃焼行程（下降）
点火プラグによって混合気に点火され、燃焼圧力と燃焼ガスの膨張によりピストンが下まで押し下げられます。
このピストンの下降により発生する運動エネルギーを、クランクシャフトによって回転運動に変換し、以降のトランスミッションなどのドライブトレーンへ動力を伝達させています。
④排気工程（上昇）
ピストンが上昇し、排気バルブから燃焼ガスが排出されます。
この時、ピストンが上昇しきる前に吸気バルブを開放させる（オーバーラップを設ける）ことによって、燃焼ガスが排気バルブへの排出による慣性力により吸気バルブから新たな空気を引っ張りこむことができます。
これによって、普通に吸入するよりも吸入空気量が増加するため、吸気効率（充填効率）が改善されているのです。
ちなみにピストンが一番上がりきった地点を上死点、下がりきったところを下死点といい、オーバーラップは上死点の前後で行われます。
上記４つの工程（１サイクル）をピストンの２往復（４ストローク）によって行われることで、車を走行させるために必要なエネルギーを生産しています。
ゆえに、４ストローク・１サイクルエンジン（４サイクルエンジン）なのです。
こちらの動画は直列４気筒型４サイクルエンジンのカットモデルによる内燃機関の動きを再現されています。
実際に行われるピストンの往復運動とクランクシャフトの回転運動を視認できるようにしたもので、４工程（吸気・圧縮・燃焼・排気）がどのようにして・どのタイミングで行われているかを解説しているものです。
時折、ピストンの往復に合わせて取り付けられた電球によりライトアップされますが、点火プラグにより混合気への点火・燃焼が特定のタイミングで行われていることを示しています。
続いて、２サイクルエンジンの解説です。
バイクをお持ちの方は知っているかもしれませんが、そうでない方はあまり知っている方はいないかと思います。
２サイクルエンジンは２ストローク・１サイクルエンジンの略称で、エンジンの４工程をピストンの１往復によって行われています。
上記の図を見てもわかるように４サイクルエンジンのような吸排気バルブを持たず、常時解放されている掃気孔・排気孔と吸入空気の逆流を防ぐリードバルブを設けた吸気孔を設けています。
①掃気工程（下死点付近）
４サイクルエンジンにおけるオーバーラップに近いものです。
燃焼圧力によってピストンが押し下げられることで塞がれていた掃気孔が開かれ、燃焼ガスの排出と同時にシリンダー内へ空気が取り込まれます。
②圧縮・吸気工程（上昇）
ピストンによって掃気孔と排気孔を塞いだままピストンを上昇させることでシリンダー内の混合気を圧縮します。
この部分は４サイクルエンジンと変わりないですが、大きく異なるのはクランクケース内への吸気を同時に行うことです。
これは掃気孔・排気孔を塞いだままピストンが上昇することで密閉されたクランクケース内部に負圧が発生し、吸気孔からリードバルブを介して新たな空気を吸い込んでいるからです。
③燃焼・膨張行程（下降）
４サイクルエンジンと同様に、圧縮された混合気を点火プラグによって、点火・燃焼させてピストンを押し下げます。
この時クランクケース内部の吸気孔には空気の逆流防止のリードバルブが設けられているため、ピストンの下降と同時にクランクケース内部の空気は圧縮されます。
これは掃気工程時のシリンダー内部で燃焼ガスの排出と新しい空気の吸入をスムーズに行うためです。
④排気工程（下死点付近）
４サイクルエンジンとは異なり、ピストンが下がりきる手前（オーバーラップ直前）に行われます。
シリンダーに対する排気孔の位置関係上、ピストンの上昇による燃焼ガスの排出ができません。
なのでクランクケース内部で圧縮された空気を、掃気工程による圧縮された空気の流入で強制的に行う必要があります。
上記の４工程（１サイクル）をピストンの１往復（２ストローク）で行うことで、エネルギーを生み出しています。
ゆえに、２ストローク・１サイクルエンジン（２サイクルエンジン）といわれます。
こちらの動画は２サイクルエンジンを、自作の模型で再現されたものです。
シリンダー壁右側面の穴は掃気孔、左側面上部は排気孔、左側面下部は吸気孔です。
作成された方はかなり苦労されたでしょう。
とてもクオリティが高くてすごいと思いました。
４サイクルエンジンと比べると、２サイクルエンジンには以下のような特徴があります。
・2ストロークエンジンは小型で出力向上を図りやすい
・4ストロークに比べて高パワー
・低回転域の力が劣る
・燃焼効率が良くないため環境に優しくない（ＣＯ・ＨＣの排出量が多い）
・燃費が悪くエンジンオイルの消費も多い
・エンジンが焼き付きやすい
・エンジン音が大きい
・エンジンの寿命が短い
デメリットの方が大半を占めていますね。
こうした特徴があるため、現在の車のエンジンはほとんどが４サイクルエンジンです。
バイクのエンジンも２０００年の排ガス規制以降は４スサイクルエンジンに移行しており、国内での市販車の２サイクルエンジンは姿を消しつつあります。
ちなみにレシプロエンジンには様々な形が存在します。
①直列型エンジン
日本車外国車、軽自動車普通乗用車問わず最も多く搭載されているポピュラーなエンジンです。
名前の通りピストンを縦一列に並べて配置されています。
主に採用されるエンジンは、ワゴン車やクーペ車など比較的低重量の車の場合だと３気筒（軽自動車）もしくは４気筒で、大型セダンやＳＵＶ車の場合だと６気筒である場合が多いです。
ピストンが直立しているため左右への振動は少なく、気筒数は奇数偶数どちらでも採用できるのが特徴です。
メリット
・３気筒以下だとかなり小さく、製造コストを低減できる
・カムシャフト、クランクシャフトを全てのシリンダーで共有するため、カムシャフト駆動機構は１つで済む
・シリンダーブロックがひとまとめになり、比較的軽量
・ピストン、クランクシャフトなど主運動系統の質量を軽減し高回転高出力化できる
・均等爆発にも不等間隔にもできるため安定した出力が得られる
・４気筒以上であれば、振動を押さえるためのバランスウエイトを不要とすることが可能
・４サイクルエンジンで特に偶数気筒の均等爆発の場合、排気干渉を容易に回避できる
デメリット
・エンジンが縦方向に長く、多気筒エンジンでは長大な搭載空間を必要とする
・Ｖ型などと比較して長くなるためにクランクシャフトの剛性を確保しにくく、それらにねじれを生じやすい
・２気筒、３気筒では特に振動が激しいため、相殺するためのカウンターウェイトが必要になる
・全てのピストンが上下死点に位置して速度がゼロになる瞬間が存在するため、低速での回転がギクシャクし停止しやすい
②水平対向型エンジン
文字通り、クランクシャフトに対してピストンが左右交互に水平に倒されている方式です。
左右に動くピストンが、まるでボクシングさながらのパンチをしているような構図からボクサーエンジンと称され、スバルの代表的なエンジンとして有名でもあります。
この方式のエンジンは左右バンク（気筒列）のパワーバランスを均一化するため、気筒数は偶数（２・４・６・…）のみとなります。
メリット
・燃焼室が左右に分担されるのでエンジンの振動を低減できる
・構造上、等間隔燃焼と低振動が実現できる
・エンジンの全高を低くできるので低重心化ができる
・直列型よりも前面の表面積が広いため、空冷における冷却性能がいい
・直列型よりもクランクシャフトを短縮軽量化できる
デメリット
・直列型よりも全長を抑えられるが、Ｖ型より長くなる
・全幅が大きいため搭載するにはエンジンルームが広くなくてはいけない
・左右バンクのシリンダーヘッドがエンジンの両端となり、間隔が離れるため吸排気、燃料供給、点火、吸排気バルブ駆動などの燃焼室を含むシリンダーヘッドへの締結が必要な系統の取り回しが煩雑になる
・吸気系をエンジンの上側に、排気系を下側に配置するため、排気系の取り回しによってはエンジン搭載位置が高くなると同時に重心も高くなる
・シリンダー内面の不均一な潤滑油膜による偏摩耗など、潤滑に起因する問題を生じやすくなる
・重量や振動などを左右均等にするための方式なので、搭載する際には縦置きに限られる
・横置きにすると余分にスペースが必要になるほか、車体の重心が大きくずれるなどの欠点がある
アルファベットの「Ｖ」を連想させるようにシリンダーを左右交互に斜めにしている方式です。
クラウンやセルシオなどの大型セダンやスポーツカーなどに広く採用されています。
このエンジンはバンク角（左右バンクの角度）によって通常のＶ型（６０～９０度）、狭角Ｖ型（１０～１５度）、１８０度Ｖ型（水平）、倒立Ｖ型の４種類に分かれ、狭角Ｖ型はバンクを左右に分けない直列型と似たシルエットをしています。
水平対向型では左右のピストンに別々のクランクピン（コンロッドの取り付け部分）を左右対称に設けていますが、Ｖ型ではこのクランクピンを一ヶ所にまとめているのが特徴です。
６気筒エンジンをもとに右側が水平対向型、左側がＶ型のクランクピンとコンロッドの位置関係を表した図です。
中央のクランクシャフトを基準に右側は右バンク、左側は左バンクと分けられています。
この画像でのＶ型エンジンは１８０度Ｖ型に相当します。
こちらも水平対向型と同じく、左右バンクのパワーバランスを均一化するため、気筒数は偶数のみの設定がほとんどとなります。
まれに気筒数が奇数の場合がありますが、３気筒と５気筒しか存在せず、自動車に搭載される場合には６気筒以上の偶数のみがほとんどで、ごく一部の車に５気筒が採用されています。
メリット
・直列型よりもクランクシャフトを短くできるため剛性面（耐久性）に優れる
・直列型、水平対向型と比べてエンジンのサイズを総合的に抑えられるので、６気筒以上のエンジンでもサイズを節約できる
・スペース性能に優れるため、多気筒Ｖ型でも横置きができる（５＃系エスティマなど）
・高出力化とエンジンスペース節約を両立できる
・静寂性と低振動に優れる
・低回転でも滑らかに回るため止まりにくい
デメリット
・水平対向型と同様、バルブ駆動系や吸排気系などを両バンクに振り分ける必要があり、直列エンジンと比べて構造が複雑で重量も上回る
・給排気系のレイアウトが制限される場合がある
・少気筒数の場合、振動を低減するためにはバランスウエイトが必要で、クランクシャフトが重くなる
・各バンクごとに排気管をまとめると、不等間隔爆発による排気干渉を起こすことがある
・気筒数、挟み角によっては不等間隔爆発となることから、特に低速域でトルク変動が起こる
・２ＧＲ－ＦＥエンジンを搭載したエスティマやアルファード、ヴェルファイアなどがいい例だが、横置きの場合は整備性がかなり悪い（スパークプラグ、ウォーターポンプ交換など）
④Ｗ型エンジン（Ｘ型・Ｙ型）
Ｖ型エンジンを２基搭載していることからＷ型エンジンと呼ばれています。
メーカーではＷ型とＹ型として区別していますが、３バンクによって構成されるエンジンをＹ型、４バンクを扇状に配置しているものと狭角Ｖ型を２バンク搭載されているものをＷ型として区別しているそうです。
ちなみにこの４バンクが放射状に配置されているとＸ型となり、ややこしくなります。
これらの方式には１２気筒や１６気筒などの多気筒エンジンをコンパクト化と同時に高出力化を図ることができますが、同時に部品点数とエンジン本体の重量の大幅な増加といった欠点や、エンジンの運転に必要な油脂類も倍以上必要になります。
海外メーカーのごく一部の車に採用されていますが、実物を見たことがないので一度見てみたいですね。
⑤星形エンジン
専門職でない限り、ほとんど見ることがないと思います。
これはセスナ機なとのプロペラを有する航空機のエンジンで、複数あるシリンダーを放射状に配置しています。
Ｘ型エンジンと似ていますが、あくまでも多気筒４バンクを放射状に配置されているものを指し、それ以上のバンクを放射状に配置している構図が星のように見えるために星形とされています。
この方式のエンジンでは偶数気筒がほぼ存在せず、奇数気筒（主に７気筒・９気筒）がメインになっています。
メインのコンロッドに各気筒のコンロッドを取り付けることでスムーズに回転させています。
また星形では単気筒（１シリンダー）での７バンク・９バンクが主流で、２気筒以上の多気筒では２重星形（２気筒多バンク）、３重星形（３気筒多バンク）、４重星形（４気筒多バンク）となります。
９バンク搭載の４重星形ではピストンが３６個も搭載されている、ということです。
この特殊なエンジン、実は一部のバイクで採用されています。
とてつもない迫力ですね…
バイクのエンジンがここまで大きいと整備性があまりよくなさそうですが、一度は乗ってみたいですね。
以上がレシプロエンジンに関する記事です。
各メーカーが電気自動車の開発に専念しているので、内燃機関を有するエンジンがなくなってしまうのもそう遠くないのかもしれません。
なくなってしまう前に、いろんな車・いろんなエンジンの性能を肌で感じておきたいと思ってしまいました。
皆さんも、ディーラーなどで試乗する機会があるなら一台でも多く乗って、自分にぴったりだと思う車を探してみてはどうでしょうか。
