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レシプロとは?レシプロエンジンの意味と構造・仕組みまで徹底解説!

レシプロエンジンとは?

現在の主流エンジン

レシプロエンジン

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ストローク機関が主流です。

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ストローク機関とは、エネルギーを発生させる一連の動作が4つの工程を経て行われるエンジンの事です。

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工夫を凝らし、最も普及しているエンジンとなりました。

レシプロエンジンの構造

4ストロークエンジンの仕組み画像

エンジン ピストン 画像

レシプロエンジンは現在では4ストローク機関が主流です。

4ストロークのレシプロエンジンは、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
ピストンが下がり、吸気バルブが開いて燃料を含んだ空気(気化したガソリン)をシリンダ内に取り込みます。

2:圧縮工程
ピストンが上がり、燃料を含んだ空気を圧縮します。

3:燃焼行程
点火プラグにより点火され、燃焼ガスの膨張によりピストンが下まで下がります。

4:排気工程
ピストンが上がり、排気バルブから燃焼ガスが排出されます。

ピストンが2往復する間に4つの工程を経てエネルギーを生み出します。
これらの工程を経て取り出したエネルギーを、クランクシャフトにより回転力に変え、自動車に伝えます。

クランクシャフトの画像

クランクシャフト

クランクシャフトの動作

出典:https://ja.wikipedia.org/

レシプロエンジンの仕組み動画

2サイクルエンジンと4サイクルエンジンの違い

2ストロークエンジンの仕組み画像

内燃機関 エンジン
©Shutterstock.com/ Andrea Danti

2サイクルや4サイクルという言葉を聞いた事はないでしょうか。
特にバイクに乗っている方なら一度は聞いた事があるかと思います。

一般的に2サイクルと呼ばれるエンジンは2ストロークとも呼ばれます。
厳密に言えば2ストローク/1サイクルエンジンの事で、これはピストンが1往復2工程で一つの動作を行うものです。

2ストロークエンジンの動作は、

・ピストンが上がり、吸入と圧縮を行う
・ガスの爆発によりピストンが下がり、排気を行う

このように、ピストンが一往復する間に2工程を行うため、2ストロークエンジンと呼ばれています。

2ストロークエンジンの特徴は、

・2ストロークエンジンは小型で出力を上げる事ができる
・4ストロークに比べてパワーを出しやすい
・低回転域の力が弱くなりがち
・燃焼効率が良くないため環境に優しくない
・燃費が悪くエンジンオイルの消費も多い
・エンジンが焼け付きやすい
・エンジン音が大きい
・エンジンの寿命が短い

などなどが挙げられます。

現在、車のエンジンはほとんどが4ストロークエンジンです。
バイクのエンジンも2000年の排ガス規制以降は4ストロークエンジンに移行しており、国内での市販車の2ストロークエンジンは姿を消しつつあります。

レシプロエンジンの歴史

オットーエンジン

古い内燃機関。 オットーエンジンって言うらしい。 pic.twitter.com/O0H2ulSyau— YAMAMA29 (@yamama2929) 2016年11月23日

レシプロエンジンの歴史概略

・オランダのホイヘンスが17世紀ごろにピストンやシリンダー、真空、火薬などを利用した動力を発表

・フランスのドゥニー・パパンが1690年にピストン型蒸気機関の原理を提唱

・イギリスのトマス・セイヴァリが1698年に蒸気機関の特許を取得

・イギリスのトマス・ニューコメンが1700年代の初頭に実用的な蒸気機関を開発し、数々の改良を経て鉱山などで利用され、20世紀の初頭まで稼働

・フランスの二コラ=ジョゼフ・キュニョーが1769年に蒸気三輪自動車を開発(キュニョーの砲車)

・イギリスのジェームズ・ワットが蒸気機関を利用した様々な技術を開発し特許を取得。このうち、1781年に特許を取得した遊星歯車装置は、駆動軸と歯車をかみ合わせたもの

・ワットの下で働いていたウィリアム・マードックが高圧蒸気機関を開発

・イギリスのリチャード・トレビシックが1801年に人間が乗り込める蒸気自動車を公開。さらに世界初の蒸気機関車ペナダレン号を開発

・イギリスのW・セシルが1820年に水素ガスを燃料とするガス機関を開発

・イギリスのサミュエル・ブラウンが1823年に爆発真空方式のガス機関の特許を取得し、実用化に成功

・イギリスのW・L・ライトが複動式のガス爆発機関の特許を取得

・イギリスのウィリアム・バーネットが1838年にガス機関の特許を取得。圧縮型の2サイクルエンジンと点火プラグを開発。

・イタリアのバルサンチとマテゥチがフリーピストン機関を考案

・フランスのルノアールが1860年に2サイクル非圧縮電気点火のガス機関の特許を取得し、実用化

・フランスのボー・ド・ロシャが1862年に内燃機関の性能向上に関する論文を発表。4ストロークエンジンの理論が提唱されている

・ドイツのニコラウス・アウグスト・オットーとオイゲン・ランゲンがフリーピストン機関を完成させ実用化。オットーサイクルを発表し、内燃機関学の先駆者となる

・オットーはさらに1876年に、ドイツのゴットリープ・ヴィルヘルム・ダイムラーやヴィルヘルム・マイバッハらとともに4ストローク式ガスエンジンを完成させ、実用化。これがレシプロ式ガソリンエンジンの祖型となる

・ゴットリープ・ダイムラーとヴィルヘルム・マイバッハは1885年、2輪車に取り付けたガソリンエンジンの特許を取得。1892年に自動車を発売。

・ドイツのカール・ベンツが1886年にガソリンエンジン自動車の特許を取得。

他にどんなタイプのエンジンがあるの?

ロータリーエンジン

マツダ 次世代RENESIS ロータリーエンジン
RX−8に搭載されたRENESIS ロータリーエンジン

レシプロエンジンとよく比較されるのがロータリーエンジンです。
ロータリーエンジンとは、レシプロエンジンのような往復運動による機構ではなく、回転運動による機構で出力します。

三角形のローターが回転し、エキセントリックシャフトが動力を伝える事でエネルギーを出力しています。

軽量コンパクト、少ない排気量でパワーが出せる、エンジンの回転が滑らか、低振動で低騒音などなどのメリットがあります。

しかし、燃費が悪い、低回転域でのトルクが低い、オイル消費が多いなどのデメリットもあり、一長一短でした。

日本ではマツダがロータリーエンジンを使用していましたが、RX-8が生産中止となった現在ではロータリーエンジンの市販車は販売されていません。
しかし、マツダは電気自動車の発電用ロータリーエンジンや水素ロータリーエンジンの開発は続けており、近々ロータリーエンジン搭載車が復活するのではないかとの噂も聞こえてきます。

【裏情報】復活したロータリーエンジンとは?メリット・燃費・仕組み・音・マツダの問題など

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水平対向エンジン

スバル 水平対向エンジン

水平対向エンジンはレシプロエンジンの一種で、左右のピストンが水平方向に打ち合う事で振動を打ち消し、低重量、低振動を実現しています。

スバルやポルシェがこの水平対向エンジンを使い続けています。
スバルとトヨタの共同開発であるBRZや86も、スバルの水平対向エンジン技術とトヨタの直噴技術を合わせた新開発の水平対向エンジンFA20型を搭載しています。

ボクサーエンジンとは?スバルとポルシェがこだわる水平対向エンジンを徹底解説!

円弧動エンジン

円弧動エンジンとは、日本ソフトウェアアプローチが開発している次世代エンジンで、レシプロエンジンとロータリーエンジンの長所を併せ持つとされています。

こちらは2014年まで提携企業を募集しており、2017年の完成を目途に開発が進められています。

円弧動エンジンは画期的なエンジンとして期待されており、発表によると、
重量が現行エンジンのおよそ10分の1になり、1000ccで現行2000ccエンジン並のパワーが発揮でき、燃費は3分の1になるとの事です。

まだ開発途中とはいえ、これが本当に実現するなら次世代のエンジンの主流になれる可能性も!?

主流の動力となったレシプロエンジン

レシプロエンジン 4ストローク

自動車のレシプロエンジンは、各自動車メーカーが長い時間をかけて技術を磨いており、常に進化を続けてきました。

いずれ電気自動車が主流になるとレシプロエンジンは姿を消す運命にあるかもしれませんが、パワフルな駆動音や振動が無くなると逆に寂しいと感じる人もいるかもしれませんね。

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