エンジンの基本解説：シリンダー、ピストン、バルブの役割を理解しよう

エンジンの中核で力を生み出すのはシリンダーとピストンから成る燃焼室です。この部分はエンジンの心臓部とも言える存在で、適切な圧縮が行われないと、十分な出力を得ることができません。定期的なオイル交換などのメンテナンスが欠かせず、それが怠られると摩耗や破損のリスクが高まります。

正しい圧縮が行われていないエンジンでは、アイドリングが安定せず、発進や加速時に不安定な振動やスムーズでない動きが生じるかもしれません。

圧縮が正常かどうかを判断するためには、コンプレッションゲージという工具が使用されます。スパークプラグを取り外し、その穴にコンプレッションゲージを装着してセルモーターでエンジンを回し、圧縮を計測します。

エンジンの基本：シリンダー、ピストン、バルブの役割を理解しよう

吸気された混合気は、エンジンの燃焼が行われるシリンダーと呼ばれる部分に運ばれます。シリンダー内では、クランクシャフトの回転運動によってピストンが上下運動します。ピストンが下降する際には負圧が発生し、この負圧によって混合気が吸い込まれます。

エンジンには、4サイクルと2サイクルという2つの主な種類があります。4サイクルエンジンは吸気工程、圧縮工程、膨張工程、排気工程の4つの工程で動作します。一方、2サイクルエンジンは吸気と圧縮を、膨張と排気を2つの工程で同時に行います。4サイクルエンジンはクランクシャフトが2回転するごとに1回の点火が行われますが、2サイクルエンジンはクランクシャフトが1回転するごとに1回の点火が行われます。

2サイクルエンジンはクランクシャフトが1回転するごとに1回の点火が行われるため、4サイクルエンジンよりも出力が高くなります。ただし、排気ガスの浄化が難しいため、現在ではほとんど製造されていません。

シリンダーの上部には、クランクシャフトと連動して回転するカムシャフトによって開閉されるバルブが設置されています。このバルブには吸気側と排気側があります。

吸気工程では、吸気側バルブが開いて混合気を吸い込みます。ピストンが上昇すると吸気側バルブが閉じられ、シリンダー内が密閉されます。その後、ピストンが上昇しながら混合気が圧縮され、スパークプラグからの火花によって点火が行われます。混合気の爆発による膨張力はクランクシャフトに伝えられ、回転運動に変換されて出力が得られます。

ピストンが降下し再び上昇する際に排気バルブが開き、燃焼ガスが排出されます。ピストンが上昇してから下降する間に、吸気バルブが開いて吸気工程に入ります。

これらの工程を繰り返すことで、エンジンは回転運動の出力を得て動作します。

十分な圧縮が行われるほど、高い圧力でエネルギーが得られ、強力な出力が得られます。正しい圧縮工程が行われない場合、混合気の作成や点火が適切でも、望んだ出力は得られないでしょう。

摩耗と判断：排気ガスとエンジンオイルから見るエンジンの健康

シリンダーの内径とピストンの外形には、微細な隙間が設けられています。同じ直径だとスムーズに動かないこともあるのですが、シリンダーとピストンの素材が異なるため、高温時の膨張率が異なります。このため、高温になって膨張した際にピストンがシリンダーに接触しないようにする役割があります。

ピストンには、3本のリング状の部品であるピストンリングが取り付けられています。リングと呼ばれていますが、C字型の形状をしており、開く方向に力がかかるスプリングになっています。1番目と2番目のピストンリングは、シリンダーとピストンの隙間を適切に閉じる役割を果たしています。

ピストンリングの一番下のリングはオイルリングと呼ばれ、エンジンオイルが燃焼室内に侵入しないようにする役割を果たします。このリングはシリンダー内壁のエンジンオイルをこそぎ落とす働きを持ちます。

エンジンの走行距離が多い場合、摩耗によってシリンダーとピストンリングの間隙が広がり、圧縮漏れを引き起こすことがあります。また、摩耗が進むとピストンリングが破損する可能性もあります。

ピストンリングの摩耗によって隙間が広がると、燃焼室にエンジンオイルが入り込んでしまい、排気ガスが白くなることがあります。さらに、エンジンオイルの量も減少するため、排気ガスの色とエンジンオイルの量を通じて状態を判断することができます。

バルブスプリングの役割とオーバーレブのリスク

バルブはカムシャフトによって操作されますが、バルブを閉じる際にはバルブスプリングの力も利用されます。

エンジンの回転数が許容回転数を超える（オーバーレブ）と、バルブを閉じるスプリングの力が不足してバルブが遅れて閉じることがあり、この状態で上昇してくるピストンにバルブが干渉する可能性があります。これをバルブサージングと呼び、バルブが破損したりバルブのシャフトが曲がって閉じなくなることがあります。

インジェクション仕様のエンジンでは、回転数が過剰に高くなると燃料噴射を制御してオーバーレブを防ぐ機能が装備されています。ただし、マニュアルトランスミッション車両では、高速走行中にシフト操作を誤って低速ギアに入れてしまうとオーバーレブが発生することがあります。

オイル漏れと冷却水の混入：ヘッドガスケットの異常とシグナル

シリンダーとシリンダーヘッドの間には、接合部を密閉するためにガスケットが挟まれています。

このヘッドガスケットが破損すると、圧縮漏れが発生する可能性があります。ヘッドガスケットの損傷によってエンジンの調子が悪くなることは少ないですが、一般的な症状としてはエンジンの不調よりも、シリンダーブロックからのエンジンオイル漏れや冷却水の白濁が見られることがあります。さらに、冷却水のリザーブタンクにオイルが混ざることもあります。

ヘッドガスケットの損傷によってシリンダー内の圧縮圧力が漏れると、シリンダーブロックからシリンダーヘッドにエンジンオイルを送る通路からオイルが押し出されて外部に漏れることがあります。また、漏れたエンジンオイルが冷却水の通路に混入することも考えられます。

まとめ

加工技術の進歩により、部品の精度が向上し、エンジン本体の故障はほとんど発生しなくなりました。しかし、エンジンオイルの交換を怠ると、オイルの洗浄効果が低下し、汚れが蓄積してオイルが適切に流れなくなる可能性があります。この状態でエンジンを使用すると、金属同士が直接摩擦して摩耗し、部品の破損が引き起こされる可能性があります。

また、部品単体の製造ミスによる破損も数年に一回程度にはあり得ると覚えておきましょう。

• エンジンは、シリンダー内部の圧縮・膨張の工程で出力を得ている。
• 圧縮工程が不十分では、エンジンの出力が落ちてしまう。
• ピストンには、ピストンリングが取り付けられており圧縮漏れを防いでいる。
• バルブの破損、ガスケット抜けなどの故障も起こることがある。
• マニュアルトランスミッション車では、オーバーレブに注意が必要。
• エンジンオイル交換は、エンジンの寿命を延ばすために重要なメンテナンスです。