エンジニアとして、あなたはすべての印象的な技術的偉業が、完全に連携する部品の複雑なシステムによって可能になることを知っています.
自動車、飛行機、トラクター、バス、オートバイを動かすために燃料を使用する自動車のエンジンは、この最も良い例かもしれません。
あなたが工学部の学生であろうと熟練した専門家であろうと、この重要な技術とそれを可能にした素晴らしい頭脳について何か新しいことを学ぶことができます。
シートベルトを締めて、自動車エンジンの心臓部を学ぶこの教育的な乗り物に参加してください!
自動車エンジン入門
正式な定義:
自動車、飛行機、トラクター、バス、オートバイの原動力となる燃料消費機械で、車両に搭載されています。
したがって、ガソリン代を節約したい場合は、車のエンジンを取り外すことをお勧めします。冗談だ！
エンジンは、ガソリンの燃焼熱を利用して車の車輪を回転させる複雑な機械です。それは何かにスピードを与えます。
4 ストローク燃焼サイクルは、最も一般的なタイプのエンジンである内燃機関でガソリンを運動に変えるために使用されます。
このサイクルには、吸気、圧縮、燃焼、排気の 4 つの部分があります。
エンジンの種類
エンジンには、4 気筒の直列エンジンや 6 気筒または 8 気筒の V 型エンジンなど、さまざまな種類があります。
エンジンのレイアウトによって、エンジンの大きさ、機能、パワーが決まります。
直列エンジンは、長くて複雑な V エンジンよりも小型です。
メインコンポーネント
シリンダーブロック、シリンダーヘッド、クランクケースは、自動車エンジンの最も重要な部品です。
エンジンの心臓部であるシリンダーブロックは、通常鉄やアルミ合金で作られています。ピストンを保持するシリンダーがあり、ピストンが上下に動いてエネルギーを生成します。
燃焼室もシリンダーブロック内にあります。燃料と空気が混ざり合って燃焼する場所です。
シリンダーブロックの上にシリンダーヘッドが乗っています。スパークプラグ、カムシャフト、バルブがあります。
カムシャフトはバルブの開閉を制御し、燃焼室に出入りする燃料、空気、排気ガスの量を制御します。
スパークプラグは、燃料と空気の混合物に火をつけて燃焼させます。
クランクケースは通常鋳鉄製で、エンジンの下部にあります。
ピストン、クランクシャフト、カムシャフト、タイミングチェーン、オイルパン、オイルフィルターなどの部品を保持しています。これらの部品が一緒になって燃料を動きに変えます。
車の電源を切ると、スターター モーターがピストンを下に動かすのに必要な力を与えます。
燃焼機関の改良
ここ数年で、直接燃料噴射、ターボ過給、可変バルブタイミングなど、エンジン技術が改善されました。
これらの変更により、車はガソリンの使用量が減り、パワーが増し、公害が少なくなります。
ビデオ: どのように機能しますか?
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自動車エンジンの種類
自動車に使われているエンジンには、燃料の種類とエンジンの組み方（気筒数）（気筒構成）の2つに大別できます。
ガソリン エンジンとディーゼル エンジンは最も一般的な種類の自動車エンジンですが、エンジンを別のエンジンと区別するものは他にもあります。
- ストレートまたはインライン エンジン。
ストレート/インライン エンジンのすべてのシリンダーは一列に並んでいて、上向きで、通常は車に対して垂直です。
これは、ファミリー ハッチバックや小型車で最も一般的なレイアウトです。
- 内訳。
水平対向エンジンは、1 つのクランクシャフトの両側に 2 つのシリンダー バンクがあります。
- Vエンジン。
V エンジンのシリンダーは、クランクシャフトの周りに V を形成する 2 つの別々のバンクに設定されています。
- Wエンジン。
Wエンジンは、クランクシャフトの周りにWを形成する3列のシリンダーを備えています。
シリンダーのセットアップ方法も異なる場合があります。
小型車には 3 気筒エンジンが搭載されていますが、ターボチャージャーのおかげで大型のファミリー ハッチバックにも搭載できるようになりました。
6 気筒エンジンは通常、ハイエンドのスポーツ カーやパフォーマンス カーに搭載されています。それらはVまたは直線で設定できます。
スーパーカーや高級サルーンには、V8、V10、V12 などの 8 気筒以上のエンジンが搭載されています。
フォルクスワーゲン グループの最高級車には、W12 エンジンが搭載されているものがあります。
ガソリンおよびディーゼルエンジン
自動車用途におけるガソリン エンジンとディーゼル エンジンの主な違いは、エネルギーの生成方法、使用する燃料の種類、熱効率、平均寿命、毎分回転数 (RPM)、およびトルクです。
- ガソリンエンジン。
火花点火燃焼は、ガソリン エンジンでガスと空気を混合してから圧縮して点火するために使用されます。
ほとんどの場合、ガソリン エンジンはディーゼル エンジンよりも RPM が高くなりますが、トルクは低くなります。
- ディーゼルエンジン。
ディーゼルエンジンは、空気中に燃料を噴射する前に燃料を絞り込みます。これにより、エンジンの熱効率が向上し、長持ちする可能性が高くなります。
ディーゼルはガソリンよりもエネルギー密度が高いため、ディーゼル エンジンはガソリン エンジンよりも少ない燃料を使用します。
これらの異なるタイプのエンジンが車でどのように使用されるかは、時間の経過とともに変化し、車の使用方法、必要な性能、使用する燃料の量によって異なります。
自動車産業の拡大
自動車エンジンの発展
産業革命の間、自動車産業の成長とより強力なエンジンの必要性により、内燃機関 (ICE) が作成されました。
これらのエンジンはもともと液体燃料で動くように作られていましたが、ガソリンで動くように変更されました。
1900年代には2サイクルや4サイクルのエンジンが作られ、一度にたくさんの車を作れるようになりました。
液体燃料転換と排出削減の改善
エンジニアは、液体燃料を蒸気に変えて使用できるようにする方法を考え出しました。これにより、燃費とエンジン出力が向上しました。
車からの汚染の問題を解決するために、コンピューター化されたエンジン管理システムも作られました。
窒素酸化物 (Nox) や粒子状物質 (PM) などの基準汚染物質の ICE 排出量は、過去 30 年間の研究開発のおかげで 99% 以上削減されました。
先進燃焼エンジンの研究開発
今日、人々は内燃エンジンの性能を向上させ、環境により良いものにしようとしています。
高度な内燃エンジンの研究開発は、予混合圧縮着火 (HCCI) や対向ピストン エンジン (OPE) などの新技術に焦点を当てているほか、パワートレインの電動化やハイブリッド化にも力を入れています。
電気自動車の数は増え続けていますが、ICE は依然として輸送業界にとって重要であり、今後も長く使用されるでしょう。
自動車エンジンのサイズとエアフロー
ほとんどの自動車エンジンは、すべてのシリンダーの総容積であるリットルで測定されます。
エンジンを大きくすると、馬力とトルクが向上する場合がありますが、常にそうとは限りません。
自動車エンジンの気流センシング
ベーン メーターと熱線は、エンジンが流入する空気の量を測定する最も一般的な 2 つの方法です。
可変抵抗器に接続されたスプリング式エア ベーンをベーン メーターで使用して、エンジンに流入する空気の量を測定します。
一方、熱線質量気流センサーは、気流に垂れ下がり、特定の温度に加熱される抵抗線を使用します。
流入する空気はワイヤを冷却し、通過する空気の量に比例して電流を変化させます。
一方、カルマン渦センサーは、車のエンジンに流入する空気の流れを測定する方法ではありません。
代わりに、気流に渦を発生させ、渦による圧力の変化を測定することで、気流の速度を測定する方法です。
自動車エンジンのメンテナンス
エンジンオイルフィルター
エンジン オイル フィルターは、車のエンジンを良好に作動させるための重要な部品です。
それらは、油から汚れ、油、金属粒子を取り除く働きをします。これにより、オイルの流れがスムーズになり、オイルがきれいになり、金属部品が保護されます。
エンジンオイルフィルターを選ぶ際には、価格、デザイン、構造、細部へのこだわりがすべて重要です。
自動車エンジン管理システム
エンジン管理システムを調整および変更してパフォーマンスを向上させる方法は多数あります。
システムを変更するいくつかの方法は、工場のECMを再調整し、ピギーバック、インターセプター、およびその他の追加部品で調整し、吸気マニホールドを設計、変更、および構築することです.
個別にプログラム可能なエンジン管理システムを使用して、エンジンの動作を変更することもできます。
最高のパフォーマンスを得るには、安全で信頼できる方法で変更を加えることが重要です。
エンジン管理システムを変更する前に、専門家に相談するか、この件についてよく読んでください。
エンジン時間
エンジン時間とは、エンジンが最初に製造されてから、車両が動いていない場合でも、エンジンが稼働している時間数です。
車両が PTO を使用して毎日何時間も静止している場合、走行距離計は走行距離を記録しないため、このメトリックは、商用車の摩耗を測定する場合、特にアイドリング時間を追跡する場合に役立ちます。
エンジン時間は、予防保守を計画したり、車両がどれだけ使用されたかを把握するためにも使用できます。
エンジン時間と走行距離の関係を使用して、車両交換の完全な計画を立て、メンテナンス スケジュールを改善し、フリートの状態を追跡できます。
最新のエンジンには、エンジンが回転する回数と各回転にかかる時間をカウントするエンジン制御モジュール (ECM) と呼ばれる部品があります。
自動車エンジン制御モジュール
自動車のエンジン制御モジュール (ECM) は、多くのセキュリティ対策を使用して、正常に機能し、人々がそれらをいじらないようにしています。
たとえば、検証ハードウェアと安全メカニズムを組み込み、SAE J3061 や ISO/SAE 21434 などの自動車セキュリティ規格を使用し、検証プロセスを経ます。
ECM は、妥当性チェックを使用してスプーフィングまたは変更されたシグナルを検出することによって保護することもできます。
これは、センサー値をハードワイヤード値と比較して、それらが正しいことを確認することによって行われます。これにより、悪意のある人が ECM を変更することが難しくなります。
最後に、最新の ECM は、センサー入力をすばやく受信、解釈、および処理できるマイクロプロセッサなどのコンピューター部品で作られています。これは、システムが正しく機能することを確認するのに役立ちます。
EPA は、Clean Air Act の改ざんおよびアフターマーケットの無効化デバイスの禁止を確実に遵守するためのポリシーを策定しています。
これらの禁止は車両の寿命全体にわたって続き、ディーラーがすでに路上にある改ざんされた車両を販売することを違法にし、車載診断システムが適切に機能していることを確認するために車両を定期的に検査する必要があります。
ECUを変更する製品であるチューナーは、違法なアフターマーケットの無効化デバイスである可能性があり、それらを使用または組み込むことは違法な改ざんの可能性があります。
ユースケース
| タスク： | 説明： |
|---|---|
| 自動車およびその他の車両 | 自動車、トラック、およびバスは、自動車エンジンが使用される最も一般的な場所です。これらのエンジンは、車両が前進するために必要なパワーを提供します。それらは現代の輸送の重要な部分です。 |
| 航空機の推進力 | 車のエンジンが使用されるもう 1 つの重要な場所は、離陸と飛行に必要な推力を提供する飛行機です。ほとんどの飛行機のエンジンは、より多くの揚力を生み出し、空気の抵抗を克服できる必要があるため、自動車のエンジンよりも強力で効率的です。 |
| 農業機器 | 車のエンジンは、トラクターやその他の種類の農機具でよく使用されます。これらのエンジンは、農業に伴う重い負荷と重労働を処理するのに十分な強度と耐久性を備えている必要があります。 |
| 発電 | 自動車のエンジンを動力源として利用する場合もあります。ほとんどの場合、これらのエンジンは、停電時に家庭や企業に電力を供給するために使用される発電機セットで使用されます。 |
| 船舶推進 | ボートやその他のタイプの船舶も、自動車のエンジンを動力源としています。船舶用エンジンは、過酷な海洋環境で動作する必要があるため、通常、自動車のエンジンよりも長持ちし、腐食に強いように作られています。 |
| レーシング | 車のエンジンが使用されるもう 1 つの方法は、非常に速く走ることができる高性能の車に動力を供給するレースです。ほとんどのレーシング エンジンは、それらを最大限に活用するために微調整されており、通常の自動車エンジンよりもはるかに多くのパワーを生み出すことができます。 |
| 芝刈り機およびその他の小型工具 | 最後に、車のエンジンは、芝刈り機、チェーンソー、およびその他の小型工具の動力源としても使用できます。ほとんどの場合、これらのエンジンは大型のエンジンほど強力ではありませんが、毎日の使用に十分対応できる信頼性と効率性を備えている必要があります。 |
参考文献:
https://en.wikipedia.org/wiki/Automotive_engine
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0080431526000863
結論
結論として、自動車のエンジンは、私たちの移動や生活の仕方を変えた驚くべき技術です。
エンジニアは、最初の内燃エンジンから今日の最先端のハイブリッドおよび電気パワートレインまで、これらの驚くべき機械を製造する最前線に立っています。
しかし、自動車のエンジンは、より深い何かの象徴でもあります。可能なことの限界を押し広げ、障壁を打ち破り、より良い明日を夢見たいという私たちの自然な欲求です。
未来を見据えると、自動車エンジンが私たちの生活の重要な一部であり続けることは明らかです
私たちを職場や学校などに連れて行く車を動かしているのはエンジンです。
しかし、それはまた、人間の創造力がいかに強力であるか、人々が新しいことに挑戦する意欲を持っていること、そして人間の精神がどれだけできるかを思い起こさせるものでもあります.
次回、車を始動するときは、すべてを可能にする驚くべきエンジニアリングについて考えてみてください。可能性は本当に無限大であることを思い出してください。
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