自分用読書メモ「自動車工学入門」
- 仕事で自動車関連の案件にアサイン
- 排気ガスの制御
- エンジン, 内燃機関の知識が必要
- 最低限まとめる
- 参考
- 排気ガスの制御
自動車工学について
自動車の構成
自動車は大きくボデーとシャシの二つで構成される
- ボデー（Body）
- シャシの上部を覆う部分の総称
- 運転室、乗客室、荷台などを含む
- シャシ（Chassis）
- 完全な自動車からボデーを除いた部分
- フレーム、機関、動力伝達装置、舵取り装置、走行装置などで構成
シャシの内訳
- フレーム
- 自動車の骨格をなす部分
- 機関や荷台などを支える構造体
- 動力発生装置
- 走行のための回転力を発生させる装置
- 動力を発生させるものを原動機という
- 動力伝達装置（ドライブトレイン）
- 発生した動力を効率的に左右の駆動車輪へ伝える装置
- 構成要素
- クラッチ
- トランスミッション（変速機）
- プロペラシャフト（推進軸）
- ファイナルギア（終減速ギア）
- ディファレンシャル（差動装置）
- アクスル（車軸）
- 走行装置
- 自動車の重量を支え、路面と接して走行する部分
- フロントアクスル（前車軸）、リアアクスル（後車軸）、タイヤなど
- 舵取り装置（ステアリングシステム）
- 自動車の進行方向を変える装置
- ステアリングホイール、ギアボックスなど
- 懸架装置（サスペンション）
- 路面から受ける衝撃を吸収し、フレームやボデーに伝えにくくする装置
- スプリング、ショックアブソーバ（緩衝器）など
- その他の装置
- ランプ類
- 計器装置
- 空調装置
- カーエレクトロニクス
自動車用エンジン
概要
- 動力
- 回転運動などの機械的エネルギーの総称
- 原動機
- ガソリンや軽油など燃料の持つエネルギーを動力に変換する装置の総称
- 熱機関
- 原動機のうち熱エネルギーを動力に変換するもの
- 内燃機関
- 燃料を機関内部で燃焼させ熱エネルギーを発生させる熱機関
- ガソリンエンジンやガスタービンなど
- 外燃機関
- 外部で発生させた熱エネルギーを用いる熱機関
- 蒸気機関、蒸気タービンなど
- ガソリンエンジン
- エンジン音が静か
- 高回転・高出力が得られる
- 乗用車、小型トラックに広く用いられる
- ディーゼルエンジン
- 燃料が安価
- 強力で粘り強さがある
- トラック、バスに用いられる
- 低エンジン音化、小型化、排気ガス対策が研究対象
エンジンの分類
燃料
- ガソリン → ガソリンエンジン
- 軽油 → ディーゼルエンジン
- 液化天然ガス → LPGエンジン
ピストン作動方式
- レシプロエンジン → 往復動作
- ロータリエンジン → 回転動作
サイクル
- 4サイクル
- 吸入、圧縮、燃焼、排気の4作動をクランクシャフト2回転・ピストン4行程で行う
- 2サイクル
- ピストン2行程で行う
点火・着火
- 電気火花点火方式
- 空気・燃料の混合気を圧縮し、電気火花で点火・燃焼させる方式
- 例：ガソリンエンジン
- 空気・燃料の混合気を圧縮し、電気火花で点火・燃焼させる方式
- 圧縮着火方式
- 空気のみを吸入・圧縮し、高温高圧状態で燃料を噴射、圧縮熱で自然着火・燃焼させる方式
- 例：ディーゼルエンジン
- 空気のみを吸入・圧縮し、高温高圧状態で燃料を噴射、圧縮熱で自然着火・燃焼させる方式
シリンダ数・配列
シリンダ数
- 単気筒（1シリンダ）と多気筒（2個以上のシリンダ）
- シリンダ配列はクランクシャフトへの接続方式により異なる
https://porsche.segunda-casa.com/701/column/
- 直列系（L型）
- シリンダを1列に配した形式（2〜6気筒）
- V型
- シリンダを60°または90°の角度でV型に配置した形式（6〜10気筒）
- 水平対抗形
- シリンダを水平に配置し、向かい合わせた形式（2〜6気筒）
- その他
- 縦置き式（車体に平行に配置）
- 横置き式（車体に直角に配置）
- フロントエンジン（車体前方に配置）
- リアエンジン（車体後方に配置）
- ミッドシップエンジン（車体中央付近に配置）
エンジンの基本原理
サイクル
http://www.irs-japan.com/?p=3861
- 吸入（intake）、圧縮（compression）、燃焼または膨張（combustion）、排気（exhaust）の一連の流れ
- シリンダ内のピストンの上下運動によって行われる
- 上死点（Top Dead Center, TDC）
- ピストンが最上部まで上がった点
- 下死点（Bottom Dead Center, BDC）
- ピストンが最下部まで下がった点
- 行程（stroke）
- ピストンがTDCからBDCまで移動する距離
PV線図
https://saythesame-consultation.com/engine-cycle-con/
- シリンダ内の圧力と体積の関係を示す図
理論空気量と充填率
- 理論空気比
- 一定の燃料を完全燃焼させるために必要な空気量
- ガソリンの場合、燃料1に対して空気15の割合（1:15）
- 充填効率
- シリンダの工程容積に対する吸入した新気の割合
- 約80％が一般的
熱勘定と熱効率
- 熱勘定
- 燃焼で得られた熱の使われ方
- 冷却損失30%、排気損失30%、有効仕事30%など
- 熱効率
- 熱勘定のうち有効仕事の割合
- LPGエンジンとディーゼルエンジンでは動作原理に若干の差異あり
- ロータリエンジンの構造は省略
- その他のエンジン
- スターリング、アルコール、天然ガス、バイオディーゼル、水素、電気、ハイブリッドなど
エンジン本体
レシプロエンジンの構造について
構成
http://hiyoshi-sk.jp/news/2021/09/03/エンジン部品名称/
エンジン本体
- シリンダヘッドカバー、シリンダヘッド、シリンダブロック、ピストン、クランクシャフト、フライホイール、バルブ機構などから構成
付属装置
- 燃焼装置、潤滑装置、冷却装置、吸排気装置、電気装置など
シリンダヘッド
- 燃焼室の上部に位置
- 吸排気バルブ、点火プラグなどを備える
- 熱伝導と冷却性能の良いアルミ合金を使用
- ディーゼルでは高剛性の鋳鉄を使用
燃焼室の構造
- 半球形、湯船形、くさび形などの形状があり、それぞれ特性が異なる
吸気ポート
- 混合気の吸入と圧縮時に空気の渦流を生じる
- 吸入時はスワール（swirl）
- 圧縮時はコンプレッションタービュランス
バルブメカニズム
- 吸排気のための弁の操作機構
種類
- SV式、OHV式、OHC式などの形式があり、特性・用途が異なる
バルブ・バルブスプリング
- バルブ
- 燃焼室上部で高熱・高速に動作
- 熱耐性・耐摩耗性を持つニッケルコバルト鋼、コバルトクロム鋼などを使用
- バルブスプリング
- コイルスプリングの張力でバルブの開閉を制御
カムシャフト
- 吸排気バルブと同数の偏心カムを持ち、バルブを開閉
- ギヤやベルト、チェーンで駆動
バルブリフタ
- カムシャフト以外の構造でバルブ開閉を行う部品
プッシュロッドとロッカアーム
- プッシュロッド
- バルブリフタの上下運動を上部のロッカアームへ伝達
- ロッカアーム
- プッシュロッドの力を梃子の原理でバルブに伝え、開閉を行う
バルブタイミング
- バルブの開閉時期を調整する機構
- クランクシャフトと連動して動作
シリンダブロックとシリンダ
- シリンダを形成または挿入し、直接動力を発生させる構造
- エンジンの骨格部分
- 上部にシリンダヘッドやバルブ機構を装着
- 下部にクランクシャフトやオイルポンプを組み込むクランクケースを配置
- 前方にタイミングギアとクーリングファン
- 後方にフライホイールとクラッチ機構を備える
シリンダ
- 円筒形の燃焼室
- シリンダブロック中央部でピストンが往復運動を行う
- 周囲は冷却機構で囲まれる
ヘッドガスケット
- シリンダブロックとシリンダヘッドの間に配置
- 燃焼ガスや冷却水の漏れを防ぐ
- 鋼板やゴムなどの素材を使用
ピストン
- 高圧の燃焼ガスを受け、シリンダ内を往復してクランクシャフトへ動力を伝達
構造
- 頂部にピストンヘッド、スカート部、ピストンピンを収めるボス部を持つ
種類
- 素材は高ケイ素アルミ合金（高耐熱）やローエックス（ケイ素低減型）など
- 用途に応じて様々な形状が存在
ピストンリング
- ピストンとシリンダ間の気密保持と潤滑油膜形成を担う
- 耐熱性、耐摩耗性、強靭性が要求される
構造
- ピストン上部のリング溝にコンプレッションリング（圧力リング）とオイルリング（油かきリング）を組み込む
- コンプレッションリング
- シリンダからのガス漏れを防ぐ
- 特殊鋳鉄や炭素鋼を使用し、クロムメッキを施す
- オイルリング
- シリンダ壁の余分なオイルを掻き取る
- 炭素鋼などを使用
コネクチングロッド（コンロッド）
- ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する部品
構造
- クランクシャフト側がビッグエンド
- ピストン側がスモールエンド
- 中間がロッド部
ピストンピン
- ピストンとコンロッドを連結する部品
- 高強度素材を使用
コネクチングロッドベアリング
- コンロッドのベアリング部
- 薄い円筒を2分割した形状
- トルクで締め付け、ビッグエンド側に固定
- 周り止めリブ、オイル穴、オイル溝を備える
クランクシャフト
- ピストンからの動力を回転運動に変換し、フライホイールを介してトランスミッションへ伝達
構造
- 回転中心のクランクジャーナル、コンロッドを接続するクランクピンで構成
- 潤滑油を通す油路を内部に持つ
- 強度、剛性、耐摩耗性に優れた素材を使用
点火順序
- シリンダ数と配列によって回転動作と点火タイミングが異なる
サイレントシャフト
- クランクシャフトに並行して配置し、振動を低減する機構
トーショナルダンパ
- クランクシャフトの捩れを防ぐ機構
フライホイール
- エンジンの断続的回転を平滑化する機構
- 燃焼で得たエネルギーを一時的に蓄える
ディーゼルエンジンの燃焼室
- ディーゼルエンジンとガソリンエンジンでは燃焼室構造が異なる
- 詳細は割愛
燃料装置
燃料の種類
- 燃料は主にガソリンと軽油に分類される
- ガソリンの品質を示す指標としてオクタン価を用いる
- ノッキング（異常燃焼）の起こりにくさを表す値
- 値が高いほど異常燃焼を起こしにくく、高性能エンジンに適する
- 軽油の品質を示す指標としてセタン価を用いる
- 着火のしやすさを表す値
- 値が高いほど点火遅れが少なく、安定した燃焼を行う
燃焼
- 燃焼はシリンダ内で混合気が点火・燃焼する現象
- 燃焼が適切に行われると、安定した出力と燃費が得られる
異常燃焼
- 本来の点火時期より早く混合気が自然発火する現象
- 爆発的な圧力上昇によりピストンやバルブを損傷する危険がある
- 原因は点火時期のずれ、燃料のオクタン価不足、炭素付着など
過早着火
- 点火プラグの火花より前に、燃焼室内の高温部が原因で混合気が自己着火する現象
- 高温となったプラグ電極やカーボンが発火源となる
ガソリンエンジンの燃焼装置
燃料タンク
- 燃料を貯蔵し、ポンプへ供給する容器
- 材質は鋼板や樹脂などが用いられる
- 通気口と燃料計センサを備える
燃料ポンプ
- タンクから燃料を吸い上げ、一定圧力でキャブレータやインジェクタへ送る装置
- 電動式または機械式があり、現在は電動式が主流
燃料フィルタ
- 燃料中の異物や水分を除去する装置
- インジェクタの目詰まりや燃焼不良を防ぐ
チャコールキャニスタ
- 燃料蒸発ガスを吸着し、大気放出を防ぐ装置
- 活性炭によりガソリン蒸気を一時的に蓄え、エンジン吸気時に再利用する
キャブレータ
- 吸入空気の流速による負圧を利用し、燃料を霧化して混合気を作る装置
- シンプルな構造で、古い車種に多く採用
- エンジン回転数や負荷に応じて燃料供給量を調整する
エレクトロニックキャブレータ
- 電子制御を用いて燃料供給量を補正する改良型キャブレータ
- センサ情報をもとにソレノイドバルブで燃料流量を制御
- 始動性や燃費を改善
電子制御式燃料噴射装置（EFI）
- センサからの情報に基づき、コンピュータ（ECU）が燃料噴射量を制御する装置
- スロットル開度、吸気圧、冷却水温、酸素濃度などを検出し最適化
- 均一な混合気、始動性向上、排出ガス低減、燃費改善を実現
- マルチポイント式（各シリンダに噴射）とシングルポイント式（スロットル部で噴射）がある
- ディーゼルエンジンでは高圧燃料噴射装置を用い、構造が異なる
潤滑装置
潤滑油
- エンジン内部の摩擦部を潤滑し、摩耗と焼き付きの防止を行う
- 冷却、密封、清浄、防錆、衝撃吸収などの役割も持つ
- 潤滑油の性能は粘度と添加剤により決まる
- 粘度は温度による流動性の変化を示す指標
- 添加剤には酸化防止剤、洗浄分散剤、摩耗防止剤などが含まれる
- SAE（アメリカ自動車技術者協会）の規格により粘度等級が定められる
- 例：10W-30（低温流動性10W、高温粘度30を意味する）
種類
- 潤滑方法は圧送式、飛沫式、混合式などに分類される
- 圧送式
- オイルポンプで圧力をかけ、主要部へ送る方式
- 乗用車やディーゼルエンジンに採用
- 飛沫式
- クランクピンなどでオイルを飛散させ、摩擦部に供給する方式
- 小型汎用エンジンなどに多い
- 混合式
- 燃料に潤滑油を混ぜて使用する方式
- 2サイクルエンジンに用いられる
- 圧送式
潤滑装置
- 潤滑油を循環させ、エンジン各部に適量を供給するための装置
主な構成部品
- オイルパン
- エンジン下部に取り付けられた潤滑油の貯蔵槽
- 冷却作用を持ち、排出用ドレンプラグを備える
- オイルポンプ
- クランクシャフトの回転を利用してオイルを吸い上げ、各部に圧送する
- ギヤポンプやトロコイドポンプが一般的
- オイルストレーナ
- オイル吸入時に大きな異物を除去する金網フィルタ
- オイルフィルタ
- 微細な金属粉やカーボンを除去するフィルタ
- カートリッジ式またはエレメント交換式がある
- オイルプレッシャースイッチ
- オイル圧力を監視し、異常時に警告灯を点灯させるセンサ
- リリーフバルブ
- オイル圧が高すぎる場合に一部をバイパスさせる安全弁
- オイルクーラ
- 潤滑油の温度を下げる熱交換器
- 高出力エンジンやディーゼル車に装備されることが多い
- 潤滑装置はエンジンの寿命と性能を維持する上で不可欠な機構
- 定期的なオイル交換とフィルタ清掃が必要
冷却装置
種類
- エンジンの燃焼によって発生する熱を適正温度に保つ装置
- 過熱による焼き付きやオイル劣化を防ぎ、効率的な燃焼を維持する目的を持つ
- 冷却方式には主に空冷式と水冷式の二種類がある
空冷式
- シリンダやシリンダヘッドの外側にフィン（放熱板）を設け、走行風やファンで冷却する方式
- 構造が単純で軽量、メンテナンス性に優れる
- 冷却効率が外気温や風量に左右されるため、二輪車や小型エンジン向き
水冷式
- 冷却水（クーラント）を循環させてエンジン内部の熱を吸収・放出する方式
- 温度管理が容易で、自動車の多くに採用される
主な構成部品
- ラジエータ
- 冷却水の熱を外気に放出する熱交換器
- フィンとチューブで構成され、電動ファンと併用される
- ウォータポンプ
- 冷却水を循環させるポンプ
- ベルト駆動または電動式がある
- サーモスタット
- 冷却水の流路を制御し、エンジンが一定温度に達するまで循環を制限
- 冷間時は冷却水をバイパスさせ、暖機を早める
- ラジエータキャップ
- 冷却系統の圧力を調整する安全弁
- 過圧時に冷却水をリザーブタンクへ逃がす
- リザーブタンク
- 膨張・収縮による冷却水量の変化を吸収する補助タンク
- ウォータジャケット
- シリンダやシリンダヘッドを囲む冷却水通路
- エンジン内部の熱を効率よく伝える
- 冷却装置はエンジンの熱バランス維持に重要な役割を持つ
- 適正温度は一般に80〜90℃前後
- 冷却水には凍結防止・防錆効果を持つ不凍液（LLC：ロングライフクーラント）が用いられる
吸気・排気装置
吸気装置
- エンジンに必要な空気を取り入れ、燃焼に適した状態でシリンダへ導く装置
- 吸気の量と質は燃焼効率、出力、燃費、排気ガス性能に大きく影響する
主な構成部品
- エアクリーナ
- 吸入空気中のほこりや異物を除去する装置
- 乾式（紙や不織布）と湿式（オイル含浸式）がある
- インテークマニホールド
- 各シリンダに均等に空気や混合気を分配する通路
- アルミ合金や樹脂製が多く、吸気抵抗を抑える形状に設計される
- スロットルボディ
- アクセル操作により吸気量を調整する装置
- スロットルバルブの開度を電子制御するETCS（電子スロットル）も普及
- エアフローメータ
- 吸入空気量を測定し、ECUに信号を送るセンサ
- ホットワイヤ式や可変容量式などの方式がある
- 吸気温センサ・吸気圧センサ
- 吸気温度や圧力を検出し、燃料噴射量の制御に利用
吸気効率向上技術
- ターボチャージャ
- 排気ガスのエネルギーでタービンを回し、吸気を加圧して充填効率を高める装置
- スーパーチャージャ
- クランクシャフトなどの機械駆動で圧縮空気を供給する装置
- インタークーラ
- ターボなどで加熱された吸気を冷却し、密度を高める熱交換器
排気装置
- 燃焼後のガスを速やかに大気へ排出し、騒音や有害物質を低減する装置
主な構成部品
- エキゾーストマニホールド
- 各シリンダからの排気を1本のパイプにまとめる集合管
- 耐熱鋳鉄やステンレス製で、排気効率と耐久性を両立
- 触媒コンバータ（キャタライザ）
- 排気中の有害成分（CO, HC, NOx）を化学反応で無害化する装置
- 三元触媒ではプラチナ、パラジウム、ロジウムが用いられる
- マフラ（消音器）
- 排気音を反射・干渉させて減衰させる装置
- 膨張室型、共鳴型、吸音材入りなど複数構造がある
- テールパイプ
- 排気ガスを車体後方へ導く排出管
排気制御関連装置
- EGR（排気再循環装置）
- 一部の排気ガスを再循環させ、燃焼温度を下げてNOxの発生を抑制する装置
- O2センサ
- 排気中の酸素濃度を検出し、空燃比制御に使用
- 排気温センサ
- 触媒保護や燃焼制御のため排気温度を監視
- 吸気装置と排気装置は燃焼効率と環境性能を左右する重要なシステム
- 両者のバランス設計により、出力、静粛性、排ガス性能が最適化される
吸気・排気装置
吸気装置
- エンジンに必要な空気を取り入れ、燃焼に適した状態でシリンダへ導く装置
- 吸気の量と質は燃焼効率、出力、燃費、排気ガス性能に大きく影響する
主な構成部品
- エアクリーナ
- 吸入空気中のほこりや異物を除去する装置
- 乾式（紙や不織布）と湿式（オイル含浸式）がある
- インテークマニホールド
- 各シリンダに均等に空気や混合気を分配する通路
- アルミ合金や樹脂製が多く、吸気抵抗を抑える形状に設計される
- スロットルボディ
- アクセル操作により吸気量を調整する装置
- スロットルバルブの開度を電子制御するETCS（電子スロットル）も普及
- エアフローメータ
- 吸入空気量を測定し、ECUに信号を送るセンサ
- ホットワイヤ式や可変容量式などの方式がある
- 吸気温センサ・吸気圧センサ
- 吸気温度や圧力を検出し、燃料噴射量の制御に利用
吸気効率向上技術
- ターボチャージャ
- 排気ガスのエネルギーでタービンを回し、吸気を加圧して充填効率を高める装置
- スーパーチャージャ
- クランクシャフトなどの機械駆動で圧縮空気を供給する装置
- インタークーラ
- ターボなどで加熱された吸気を冷却し、密度を高める熱交換器
排気装置
- 燃焼後のガスを速やかに大気へ排出し、騒音や有害物質を低減する装置
主な構成部品
- エキゾーストマニホールド
- 各シリンダからの排気を1本のパイプにまとめる集合管
- 耐熱鋳鉄やステンレス製で、排気効率と耐久性を両立
- 触媒コンバータ（キャタライザ）
- 排気中の有害成分（CO, HC, NOx）を化学反応で無害化する装置
- 三元触媒ではプラチナ、パラジウム、ロジウムが用いられる
- マフラ（消音器）
- 排気音を反射・干渉させて減衰させる装置
- 膨張室型、共鳴型、吸音材入りなど複数構造がある
- テールパイプ
- 排気ガスを車体後方へ導く排出管
排気制御関連装置
- EGR（排気再循環装置）
- 一部の排気ガスを再循環させ、燃焼温度を下げてNOxの発生を抑制する装置
- O2センサ
- 排気中の酸素濃度を検出し、空燃比制御に使用
- 排気温センサ
- 触媒保護や燃焼制御のため排気温度を監視
- 吸気装置と排気装置は燃焼効率と環境性能を左右する重要なシステム
- 両者のバランス設計により、出力、静粛性、排ガス性能が最適化される
懸架装置・フレームおよびボデー
- 割愛
舵取り装置および走行装置
- 割愛
制御装置
- 割愛
電気装置および電装品
- 割愛
自動車の諸元と性能
- 割愛
自動車の安全技術と環境への配慮
- 割愛