Gasoline engine - gasoline engine

Japanese: ガソリンエンジン - がそりんえんじん（英語表記）gasoline engine

A spark-ignition reciprocating internal combustion engine that uses gasoline, which is liquid at room temperature and pressure, as fuel. There are two-stroke and four-stroke engines depending on the operating method.

[Masatake Yoshida]

history

In a four-stroke engine, an explosion occurs once every two revolutions to complete a cycle; the principle was proposed by France's Beau de Rochas (1815-1893) in 1862, and was successfully put to practical use by Germany's Nikolaus August Otto in 1876 using gas fuel. In a two-stroke engine, an explosion occurs once every revolution to complete a cycle; in 1881, Britain's Dugald Clerk (1854-1932) put to practical use a type with separate scavenging pumps for air and gas fuel. The two-stroke engines currently used in gasoline engines compress the air-fuel mixture drawn into the crankcase on the piston's downward stroke, and use the compressed mixture to scavenge the cylinder; they are descendants of the gas engine put to practical use in 1891 by Britain's Joseph Day (1855-1946).

The first attempt to use gasoline, a liquid fuel with high vaporizability, as fuel was made by Jean-Joseph-Étienne Lenoir of France, who built a practical gas engine. He used a surface carburetor that vaporized the fuel naturally, and ran a gas engine on gasoline. Several attempts were made afterwards, but they were used as an alternative fuel when it was difficult to supply gas fuel, and the engines were stationary.

In 1883, Gottlieb Daimler of Germany developed a small, lightweight, practical four-stroke gasoline engine. The intake valve was an automatic valve, and the exhaust valve was a mushroom valve driven by a direct cam. The ignition was of the hot tube type, and the carburetor was initially a surface carburetor, but soon changed to a spray type. Daimler's engine was small, lightweight, and had a large output per unit weight, making it suitable for use in vehicles, so Daimler developed a motorcycle in 1886 and also used it in automobiles. Around the same time, Karl Benz of Germany developed a four-stroke gasoline engine with electric spark ignition, which he used from the start in three-wheeled motor vehicles. The gasoline engine was then developed in France, where it adopted a high-voltage electric spark ignition system and developed into a small, lightweight, high-speed automobile engine. From the end of the 19th century to the beginning of the 20th century, engines were made multi-cylinder, overhead camshafts with camshafts for the intake and exhaust valves, and four-valve systems with two intake and exhaust valves per cylinder were developed, and by the 1930s, almost all of the current gasoline engine mechanisms had been developed. After that, improvements were made through detailed research, the development of new materials, and advances in control methods, leading to improved thermal efficiency and smaller, lighter engines. Research into exhaust purification began around 1970, and was nearly completed by the end of the 20th century. Furthermore, research and development is being carried out to reduce _CO2 emissions as a measure against global warming. In two-stroke engines, the vibration of the gas in the intake and exhaust pipes has a significant effect on output, and it was only after the 1950s that a significant increase in output was seen with research into scavenging flows. However, exhaust purification is difficult, and since 1970, it has not been used except for small engines.

[Masatake Yoshida]

structure

The engine body consists of the cylinder, cylinder head, piston, connecting rod (also called conrod), crankshaft, flywheel, camshaft, intake and exhaust valve mechanism, camshaft drive mechanism, etc. The lubrication hydraulic pump, ignition system, and cooling water circulation pump (in the case of water-cooled engines) are driven by the camshaft drive mechanism or the crankshaft.

Fuel supply systems are divided into carburetor type and fuel injection type. In the carburetor type, fuel sent by a fuel pump is supplied to a float chamber through a fuel filter, where it is broken into fine particles using the atomizing principle, and vaporized and mixed. Since gasoline has a narrow range of mixture ratios with air that can be burned, the carburetor has a throttle valve to adjust the amount of air and control the output. To keep the mixture ratio of air and fuel constant over a wide range of output, there are variable venturi type and multi-stage fixed venturi type. However, precise fuel supply control is required to achieve exhaust purification, especially for automobiles, and carburetors are no longer used. Most fuel injection types inject a measured amount of fuel at a fixed time just before the intake valve, and have a pump that compresses the fuel to about 2 atmospheres and a pressure regulator. The injection nozzle adjusts the injection time electrically, and the amount of fuel is controlled to an optimal state by computer control using air flow rate, air temperature, pressure, coolant temperature, etc. In this case, it is common to have a throttle valve behind the air flow measurement part. In multi-cylinder engines, the mixture or air is distributed by an intake manifold. Since the beginning of the 21st century, in order to meet ever stricter exhaust gas purification and _CO2 emission reduction requirements, direct injection into the cylinder has become widespread to ensure the supply of a measured amount of fuel every cycle and to achieve stratified combustion. The ignition device ignites the mixture sucked into the cylinder, and usually uses a high-voltage spark discharge. It consists of a storage battery, a sensing coil, a switch, a distributor, and a spark plug, and some small engines use a generator instead of a storage battery. Since the 1970s, ignition timing has also been controlled according to the operating conditions in order to purify exhaust gas.

The lubrication system is the part that sends lubricating oil between the piston and cylinder, to each bearing, etc., and consists of an oil pump, oil filter, and oil reservoir, and in some cases an oil cooler is also installed. The cooling system ensures that the engine can continue to operate normally, and in water-cooled systems it consists of a water circulation pump, radiator, and temperature regulator, while in air-cooled systems it consists of a directly driven cooling fan with fins attached to the cylinder, etc. Both systems are designed to prevent overcooling.

[Masatake Yoshida]

"The History of Power: The Story of the Men Who Devoted Their Lives to Power (New Edition)" by Kiyoshi Tomizuka (2008, Miki Shobo)" ▽ "John Robert Day Engines; The Search for Power (1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)"

Gasoline engine structure
©Shogakukan Library ">

Gasoline engine structure

How a gasoline engine works
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How a gasoline engine works

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

燃料として常温・常圧で液体であるガソリンを用いる火花点火の往復動内燃機関。作動方式により4行程機関と2行程機関がある。

［吉田正武］

歴史

4行程機関は2回転に1回爆発しサイクルを完結するもので、1862年にフランスのボー・ド・ロシャBeau de Rochas（1815―1893）が原理を提案し、1876年ドイツのニコラウス・アウグスト・オットーがガス燃料を用いて実用化に成功した。2行程機関は1回転に1回爆発してサイクルを完結するもので、1881年にイギリスのデュガルド・クラークDugald Clerk（1854―1932）が空気、ガス燃料用の掃気ポンプを別にもつ形のものを実用化した。現在ガソリンエンジンで用いられる2行程機関は、クランク室に吸入した混合気をピストンの下降行程で圧縮し圧縮された混合気でシリンダーを掃気するもので、1891年イギリスのジョセフ・デイJoseph Day（1855―1946）によって実用化されたガスエンジンの子孫である。

　液体燃料で気化性の強いガソリンを燃料にする試みは、実用のガス機関をつくったフランスのジャン・ジョゼフ・エティエンヌ・ルノアールが最初で、燃料の自然蒸発で気化する表面気化器を用い、ガス機関をガソリンで運転した。その後いくつか試みられたが、ガス燃料の供給が困難な場合の代替燃料として使用され、機関も据付け型機関であった。

　1883年ドイツのゴットリープ・ダイムラーは小型・軽量の実用4行程ガソリンエンジンを開発した。吸入弁は自動弁で、排気弁は直接カム駆動の茸(きのこ)弁であった。点火は熱管型で、気化器は初め表面気化器であったが、すぐ霧吹き型になった。ダイムラーの機関は小型・軽量で、単位重量当りの出力も大きく車両用に適していたので、ダイムラーは1886年自動二輪車を開発し、さらに自動車にも用いた。また同じころドイツのカール・ベンツは電気火花点火の4行程ガソリンエンジンを開発し、初めから自動三輪車に用いた。その後ガソリンエンジンはフランスで発展し、高圧電気火花点火方式を採用し、小型・軽量・高速の自動車用機関として発達した。19世紀末から20世紀の初めにかけて、機関の多気筒化、カム軸駆動の吸排気弁にそれぞれカム軸をもつ頭上カム軸方式、一つのシリンダーに吸排気弁を二つずつもつ四弁式などがつくられ、1930年代には現在のガソリンエンジンの機構はほとんどすべて開発された。その後、細部の研究による改良と新しい材料の開発、制御方法の進歩によって熱効率向上・小型軽量化を続けており、1970年ごろから排気清浄化の研究が進められて、20世紀末ごろにはほぼ達成された。さらに温暖化対策のCO₂排出量低減に向かって研究開発が進められている。2行程機関では吸排気管内の気体の振動が出力に大きな影響を与え、掃気流の研究とともに大幅な出力向上をみたのは1950年代以降である。しかし、排気浄化が困難であり、1970年以降小型のエンジンを除き使用されなくなった。

［吉田正武］

構造

機関本体はシリンダー、シリンダーヘッド、ピストン、コネクティングロッド（コンロッドともいう）、クランク軸、はずみ車、カム軸、吸排気弁機構、カム軸駆動機構などからなる。潤滑油圧送ポンプ、点火装置、水冷の場合の冷却水循環ポンプをカム軸駆動機構かクランク軸により駆動している。

　燃料供給系は気化器式と燃料噴射式に分かれる。気化器式では燃料ポンプで送られた燃料が燃料フィルターを通ってフロート室に供給され、霧吹きの原理で微細な粒にされ、気化混合する。ガソリンは燃焼可能な空気との混合割合の範囲が狭いので、気化器には絞り弁があり、空気量を調整して出力を制御する。広い出力範囲で空気と燃料の混合割合が一定になるように、可変ベンチュリー型、多段固定ベンチュリー型がある。しかし、とくに自動車用では排気清浄化を達成するには精密な燃料供給制御が必要になり、気化器は使用されなくなった。燃料噴射式の大部分は、吸気弁直前に計量された燃料を定時に噴射するもので、2気圧程度に燃料を圧縮するポンプ、調圧器がある。噴射ノズルは、噴射時間を電気的に調整するもので、燃料量は空気流量、空気温度、圧力、冷却水温度などを用いてコンピュータ制御で最適な状態に制御される。この場合は空気流量計測部分の後ろに一つの絞り弁をもつのが普通である。多気筒機関では吸気多岐管で混合気か空気を分配する。21世紀に入ったころより、さらに厳しくなった排気清浄化とCO₂排出量低減のために、計量された燃料を毎サイクル確実に供給するためと成層燃焼を行うためにシリンダー内に直接噴射する方法が広まっている。点火装置は、シリンダーに吸入された混合気を点火させるもので、通常は高圧の火花放電を用いる。蓄電池、感応コイル、断続器、配電器、点火栓からなり、小型機関では蓄電池のかわりに発電機を使用するものもある。1970年代ごろから排気清浄化などのため、点火時期も運転状態に合わせて制御されている。

　潤滑装置はピストンとシリンダーの間、各ベアリングなどに潤滑油を送る部分で、油ポンプ、油フィルター、油溜(あぶらだめ)からなり、油冷却器をつける場合もある。冷却装置は、機関が正常な運転を継続できるようにするもので、水冷式では水循環ポンプ、ラジエーター、温度調整器からなり、空冷式では直接駆動の冷却ファンからなり、シリンダーなどにフィンをつける。どちらも過冷却を防止するくふうがなされている。

［吉田正武］

『富塚清著『動力の歴史――動力にかけた男たちの物語（新装版）』（2008・三樹書房）』▽『John Robert DayEngines ; The Search for Power(1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)』

ガソリンエンジンの構造

ガソリンエンジンの作動方式

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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