4 ストロークエンジンのシミュレーターとバルブの動き

モデルが見せるもの

4 ストロークエンジンは吸気、圧縮、膨張、排気を繰り返して動力を取り出します。ピストンの動きに合わせてバルブが開閉し、燃焼ガスの力がクランクシャフトを回します。回転をゆっくりにすると、断面でそれぞれの行程を追えます。

3,000 rpm で回る自動車のエンジンは、どのシリンダーも 1 秒間に 25 回点火します。目で追うにはとても速すぎます。このモデルはエンジンを一つひとつの行程が追えるところまでゆっくり回し、そのうえで組み替えられるようにしています。シリンダーを増やす、ガソリンをディーゼルに変える、バルブタイミングを変える、スロットルを絞る、といった具合です。

1 番シリンダーは細部まで描き、中が見えるように中央で縦に半分に切ってあります。赤い面はブロック、ヘッド、オイルパンの切り口です。動く部品はすべて丸ごと見せています。ピストンとリング、コンロッド、カウンターウェイト付きのクランクシャフト、スプリング付きの 2 本のバルブ、2 本のカムシャフト、タイミングベルト、フライホイールです。そのまわりに、エンジンを生かしておく部品が並びます。ウォータージャケット、ヘッドガスケット、メインベアリング、オイルポンプ、スロットル、インジェクター、触媒コンバーターです。「部品」の一覧には名前の付いた部品が 24 個あります。

寸法は、よくある 2 リッター 4 気筒エンジンの 1 気筒分です。ボア 86 mm、ストローク 86 mm、圧縮比 10 対 1。1 気筒の行程容積は 499.6 立方センチメートルで、4 気筒で 1,998 cc になります。隅の表示には、クランク角、1 番シリンダーがいまどの行程にあるか、ピストンの上のガスの体積、モデルで計算したシリンダー内圧力が出ており、その下に圧力と体積のループとトルクのグラフがあります。

1 サイクルにクランクシャフトが 2 回転する理由

4 ストロークエンジンが 1 サイクルを終えるには、ピストンが 4 回動く必要があり、つまりクランクシャフトが 2 回転します。慣例として、サイクルはクランク角で 0° から 720° まで数え、ピストンが行程のいちばん上にある位置から始めます。この位置を上死点と呼びます。

1. 吸気（0° から 180°）。 吸気バルブが開いていて、ピストンが下がります。その上の空間が広がり、圧力が外の空気よりわずかに低くなって、空気と燃料の混合気が吸気ポートから流れ込みます。モデルでは青い点の流れです。
2. 圧縮（180° から 360°）。 両方のバルブが閉じています。ピストンが上がり、混合気を下にあったときの体積の 10 分の 1 に押し込みます。圧縮すると混合気は熱くなり圧力も上がるので、続く燃焼がずっと効果的になります。点は詰め込まれるにつれて紫に変わります。
3. 燃焼（360° から 540°）。 上死点の少し手前で点火プラグが火花を飛ばします。火炎の前面はプラグから数ミリ秒で広がり、圧力が何倍にも上がってピストンを押し下げます。ガスがピストンに仕事をするのはこの行程だけです。プラグからオレンジの半球が大きくなるのを見てください。
4. 排気（540° から 720°）。 下死点の近くで排気バルブが開き、残った圧力が一気に抜け、上がっていくピストンが残りの燃えたガスを排気ポートへ押し出します。灰色の点が右へ出ていきます。

それから吸気バルブがまた開き、サイクルが繰り返されます。1 つのシリンダーは 2 回転に 1 回燃焼行程を迎えます。3,000 rpm なら 1 秒間に 25 回の燃焼行程で、1 回はわずか 10 ミリ秒です。

部品それぞれの役目

ピストンとリング。 ピストンはアルミニウムの軽いカップで、ボアの中を 100 分の数ミリのすき間で滑ります。上のほうの溝にはめた 3 本のリングが密閉を受け持ちます。上の 2 本がガスの圧力を受け止め、いちばん下の 1 本がシリンダー壁のオイルをかき落とします。直径 21 mm の鋼のピストンピンがピストンとコンロッドをつなぎます。

コンロッドとクランクシャフト。 コンロッドはピストンピンと、クランクシャフトの軸から 43 mm 離れたクランクピンをつなぎます。クランクシャフトが回るとピンは円を描き、ピストンはクランク半径の 2 倍にあたる 86 mm を動きます。ピンの反対側の重いアームはカウンターウェイトで、回転する質量の釣り合いを取ります。クランクシャフトはメインベアリングの中で回ります。やわらかい金属を張った薄いシェルです。エンジンが回っている間、ジャーナルは油膜の上に浮いていて、決してこれに触れません。

フライホイール。 4 つの行程のうち 3 つは、エネルギーを出すのではなく使います。フライホイールは重い円盤で、燃焼行程の間にエネルギーをためてほかの行程で返し、クランクシャフトを回し続けます。

バルブ、スプリング、カムシャフト。 どのバルブもきのこ形の鋼のポペットで、スプリングが閉じた状態に保っています。カムシャフトのカムが、バケットと呼ばれるカップ形の押し棒を介してバルブを押し開きます。カムの形が、バルブがいつ、どれだけ、どのくらいの間開くかを決めます。このモデルではどのバルブも 9.2 mm 持ち上がり、カムの形はバルブを動かすのと同じリフト曲線から描きました。

タイミングベルト。 クランクシャフトは歯付きベルトでカムシャフトを回します。クランクのスプロケットは 21 歯、カムのプーリーはそれぞれ 42 歯なので、カムシャフトはクランク 2 回転でちょうど 1 回転します。どのバルブも 1 サイクルに 1 回開き、1 サイクルはクランク 2 回転なので、この比はほかにありえません。

冷却と潤滑。 「冷却水とオイル」をオンにします。冷却水（青）はボアの横のウォータージャケットを上り、燃焼室の上を通って、熱をラジエーターへ運びます。ヘッドガスケットは薄い積層鋼板で、ヘッドとブロックが合わさるところでガス、冷却水、オイルを分けています。オイル（琥珀色）はオイルポンプがストレーナーを通してオイルパンから吸い上げ、メインベアリングへ送り、そのあと下へ流れ落ちます。

スロットルとインジェクター。 ガソリンエンジンのスロットルは、吸気通路にあるバタフライ弁です。閉じると入ってくる空気の圧力が下がり、運転者はこうして出力を絞ります。ポートインジェクターは閉じた吸気バルブの裏側に燃料を吹き付けます。吸気が開く直前の短い噴射が見えます。

1 気筒か 8 気筒か

「気筒数」のスライダーを動かします。増えたシリンダーは同じクランクシャフトの上に半透明で描かれ、実際にそれぞれのクランクスローと点火順序に従って動きます。

単気筒は 2 回転に 1 回しか押さないので、クランクシャフトのトルクは大きく振れます。燃焼行程では大きなプラス、ピストンが次の混合気を圧縮している間はわずかにマイナスです。表示のトルクのグラフは 2 回転分のガストルクの合計を描き、平均の位置に破線を引いています。右上の数字は振れで、トルクの最大と最小の差を平均で割ったものです。

振れはモデルの圧力曲線から、ガスの力だけで計算しています。ピストンの慣性は入れていませんが、高回転ではこれがとても大きく効くので、技術者は点火間隔だけでなく釣り合いも気にします。たとえば直列 4 気筒は等間隔で点火しますが、それでも 1 回転に 2 回上下に揺れます。ピストンが完全な正弦波どおりには動かないからです。そのため、大きめの 4 気筒エンジンの多くはバランスシャフトを備えています。

「操作」パネルには、配置ごとの振れを並べた棒グラフがあります。棒をタップするとその配置に移ります。

ガソリンかディーゼルか

「ディーゼル」をオンにします。モデルでは 3 つのことが変わります。

1 つ目に、ピストンの頂面が 4.5 mm 上がり、上死点でのピストンの上の空間が 55.5 cc から 29.4 cc に縮みます。圧縮比は 10:1 から 18:1 になります。2 つ目に、点火プラグがありません。空気だけを強く圧縮して数百度まで上げ、軽油を噴いたとたんに火がつくほど熱くします。3 つ目に、インジェクターがヘッドの中央に移り、上死点の約 10° 前にシリンダーへ直接噴射します。燃料は入るそばから燃えるので、ガソリンの火花点火より燃焼の始まりが穏やかで、長く続きます。

ディーゼルには、ふつうの意味でのスロットル弁がありません。いつもシリンダーいっぱいの空気を吸い込み、噴く燃料の量を増減して出力を調整します。モデルでは、スロットルのスライダーはディーゼルモードでは燃料の量を、ガソリンモードでは吸気の圧力を変えます。この違いが、部分負荷でディーゼルのほうがエネルギーの無駄が少ない理由の一つです。軽く回しているガソリンエンジンは、ほとんど閉じたスロットル越しに混合気を吸わなければならず、その絞りを通して空気を送り込むのに仕事を使うからです。

効率はどこまで上がるか

ガソリンエンジンの理想サイクルはオットーサイクルです。圧縮と膨張で熱が逃げず、熱はすべて上死点で一度に加わるとします。その効率は圧縮比 r とガスの比熱比 γ だけで決まります。

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

空気（γ = 1.4）で r = 10 なら 60.2 % です。米国以外で売られるマツダの SKYACTIV-G ガソリンエンジンの圧縮比 14:1 では、65.2 % に上がります。理想ディーゼルサイクルは熱を一度にではなく行程の一部にわたって加えます。r = 18、締切比 2 で 63.2 % です。圧縮比の高さがディーゼルのいちばんの強みです。ガソリンエンジンは 10 から 14:1 をあまり超えられません。熱くなった混合気が火花より先に勝手に爆発してしまうからで、これをノッキングといいます。

表示の「理論効率」の行はこれらの式を使っています。「操作」パネルの実験コーナーでは、モデル効率も見られます。モデルの圧力ループで行われた仕事を、その中で出た熱で割ったものです。初期設定ではガソリンが約 48 %、ディーゼルが約 51 % で、スロットル 4 分の 1 ではガソリンが 36 % まで下がり、ディーゼルは 50 % 近くを保ちます。実際のエンジンはもっと失います。熱は壁に逃げ、燃焼は一瞬では終わらず、摩擦やオイルポンプ、ウォーターポンプも取り分を持っていきます。米国エネルギー省の見積もりでは、ふだんの運転で、ふつうの自動車の燃料のエネルギーのうち実際に車を道路で進めるのは約 12 から 30 % にすぎず、運転のしかたによって変わります。

ドラッグできるバルブタイミング

もしバルブがちょうど上死点と下死点で開閉したら、高回転でエンジンはうまく息ができません。ガスには質量があり、動き出すのにも止まるのにも時間がかかるからです。実際のエンジンはバルブを早めに開き、遅めに閉じます。このモデルは典型的な値から始めます。

吸気を遅く閉じると、動いている空気の柱が、ピストンが上がり始めたあともシリンダーに押し込み続けます。排気を早く開くと、ピストンが押し返さなければならなくなる前に高い圧力が抜けます。排気行程の終わりの上死点付近では、両方のバルブが 20° の間わずかに同時に開いています。このバルブオーバーラップによって、出ていく排気が新しい混合気を引き込む手助けをします。

「操作」パネルの円はバルブタイミング図です。上死点が上にあり、円 1 周がクランク 1 回転です。青い弧は吸気が開いている間、灰色の弧は排気が開いている間です。どちらかの弧を円に沿ってドラッグするか、下のボタンを使います。実際のエンジンでこれを行うのがカム位相可変装置です。カムシャフトをプーリーに対して数度回し、開いている時間はそのままで、バルブが開閉する時期を早めたり遅らせたりします。3D モデルのカムシャフトも設定に合わせて回ります。

ドラッグすると 3 つの数字が変わります。オーバーラップは上の網かけのくさび形です。実圧縮比は吸気が閉じたときの体積を最小の体積で割ったもので、吸気を遅く閉じるほど下がります。アトキンソンサイクルやミラーサイクル用のエンジンは、ノッキングを起こさずに高い膨張比を使うため、わざとそうしています。モデル効率は圧力ループに従います。排気を早く開くと、まだピストンを押せた圧力を捨てることになり、効率が下がります。

スロットル、回転数、トルク、出力

実験コーナーの 2 つ目のグラフは、トルクと出力を回転数に対して描いています。黒い線は設定したスロットルでのトルク、オレンジの線はそれに対応する出力です。灰色の破線はスロットル全開です。点線は速度とともに増える道路のような負荷で、赤い丸はエンジンのトルクと負荷が交わるところにあります。そこがエンジンが落ち着く回転数です。スロットルを絞ると丸は低い回転数へすべり下ります。運転者はこうして車を操っています。

トルクはモデルのサイクルの仕事から出てきます。1 サイクルに 625 ジュールのガスの仕事をするシリンダーは、2 回転で平均すると 625 / 4π ≈ 50 ニュートンメートルになります。吸気のしやすさは回転数で変わり（バルブタイミングとともに動く中くらいの回転数のあたりでいちばんよくなります）、摩擦は回転数とともに増えるので、トルクは中ほどで最大になり、出力は上限近くまで上がり続けます。出力はトルクと角速度の積です。P = T × 2πN / 60。これらの曲線はどれも形を見せるためのモデル値で、ダイナモメーターの測定表ではありません。

4 行程ではなく 2 行程

「2 ストロークと比較」をオンにします。同じクランクに付いた 2 ストロークのシリンダーの図がステージに現れます。バルブはありません。ピストンそのものが、行程の下のほうでシリンダー壁の排気ポートと掃気ポートを開きます。ピストンの下のクランク室ですでに少し圧縮された新しい混合気が掃気ポートから勢いよく入り、燃えたガスを排気ポートから追い出します。そのため下がる行程はすべて燃焼行程になり、エンジンは 1 回転に 1 回点火します。

トルクのグラフのオレンジの線が 2 ストロークのトルクです。点火は 2 倍の回数ですが、モデルでは 1 サイクルあたりの仕事が少なく（およそ半分）なります。ポートが行程のかなりの部分で開いたままで、新しい混合気の一部がそのまま排気へ抜けてしまうからです。この失われる燃料こそ、小さな 2 ストロークエンジンが軽くて単純なのに汚い理由であり、ほとんどの道路を走る乗り物が 4 ストロークに移った理由です。船の大きな低速 2 ストロークディーゼルは、ブロワーと排気バルブでこの問題を解決していて、これまでに造られたエンジンの中でも最も効率の高い部類に入ります。

実在のエンジン

「エンジン図鑑」で選ぶと、モデルの配置、燃料、シリンダーの大きさが実在のエンジンに合わせて変わります。シリンダーはそれぞれ正しい大きさで描かれますが、最大級のものは縮小し、そのことを表示します。圧縮比と圧力はモデル値のままです。

出力は、挙げた仕様の定格が 1 つに確かめられたものだけ載せています。このうちいくつかのエンジンは、複数の出力で売られていました。

数字を計算する

圧力と体積のループを読む

表示の小さなグラフは、クランクが回る間のシリンダー内圧力を体積に対して描いています。縦軸は対数目盛りで、低い吸気圧力と高い燃焼のピークが 1 つのグラフに収まるようにしています。ループに囲まれた面積は、1 サイクルでガスがピストンにする仕事に比例します。スロットルを絞ると、ループが縮み、下の線が大気圧より下がるのが見えます。下にある小さな逆向きのループがポンプ損失です。

ここでの圧力は簡単にしたモデルで、測定値ではありません。圧縮と膨張はポリトロープの関係 pVⁿ = 一定（n = 1.32）に従い、熱の出かたは点火から始まってクランク角 55 度続く、なめらかな S 字形の燃焼曲線に従います。これでスロットル全開のとき、上死点の 20° 後に約 51 bar のピークが来ます。

排気をきれいにする

ガソリンを空気中で燃やすと、主な汚染物質が 3 つ残ります。一酸化炭素、燃え残った炭化水素、窒素酸化物です。排気管の触媒コンバーターは、白金、パラジウム、ロジウムを塗ったセラミックのハニカムです。ガソリン車では三元触媒で、一酸化炭素と炭化水素を酸化して二酸化炭素と水にし、窒素酸化物を還元して窒素にします。3 つを同時にこなせるのはエンジンが化学的にちょうどよい混合比のごく近くで動いているときだけで、そのためガソリンエンジンは排気に酸素センサーを備えています。ディーゼルは空気を余分に入れて動くので、酸化触媒、すすを捕まえる粒子フィルター、窒素酸化物のための別の装置を使います。

4 ストロークエンジンの始まり

混合気を吸い込み、先に圧縮せずに点火する内燃機関は、1860 年代にはすでに造られていましたが、効率の悪いものでした。1876 年、ドイツのニコラウス・オットーが、点火の前に混合気を圧縮する初めての実用的なエンジンを、ここで見せている 4 ストロークのサイクルで造りました。理想的な 4 ストロークのガソリンサイクルが今もオットーサイクルと呼ばれるのはそのためです。1890 年代には、ルドルフ・ディーゼルが圧縮だけで燃料に火をつけるエンジンを開発しました。

ガスの仕事からキロワットまで：計算例

モデルは全負荷で、各シリンダーが1サイクルに約625ジュールのガスの仕事をするとしています。以下はすべてこの数字から出てきます。仕様表が読めるエンジンなら、同じ手順で計算できます。

1. 4気筒の1サイクルの仕事。 4 × 625 J = 2500 J。
2. 平均トルク。 1サイクルは2回転、つまり4πラジアンなので、T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m です。サイクル全体の平均で、計器のトルクグラフはこの値の上下に揺れます。
3. 3000 rpm の出力。 P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62.5 kW です。近道でも同じになります。1サイクル2500 J × 毎秒25サイクル = 62,500 W。
4. 平均有効圧力。 1サイクルの仕事を行程容積で割ります。2500 J ÷ 1.998 リットル = 1.25 メガパスカル、約12.5 bar です。膨張行程の間ずっとピストンに一定で働いて同じ仕事をする圧力にあたります。排気量に左右されないので、大きさの違うエンジンを比べられます。
5. 1リットルあたりの出力。 62.5 kW ÷ 1.998 L ≈ 31 kW/L。

ここでは簡単にするためトルクを一定にしています。実際のエンジンではトルクが回転数で変わるので、6000 rpm の出力がちょうど2倍にはなりません。この例で見てほしいのは単位のつながりです。1サイクルあたりのジュールがニュートンメートルになり、ニュートンメートルにラジアン毎秒を掛けるとワットになります。

「エンジン図鑑」では、1リットルあたりの出力がどれだけ違うかが分かります。上の表の定格出力で計算すると、トヨタ 1GD-FTV ディーゼルは2755 cc で130 kW、約47 kW/L です。フォルクスワーゲン EA888 2.0 TSI は1984 cc で162 kW、約82 kW/L、ホンダ K20C1 は1996 cc で228 kW、約114 kW/L になります。いずれも特定の版の1つの回転数での定格で、ターボ付きのエンジンは、ボアを広げたりストロークを延ばしたりせず、同じシリンダーにより多くの空気を押し込んでこの値に届きます。

圧縮比、ノッキング、燃料

効率の式 η = 1 − 1/r^(γ−1) は圧縮比が高いほど有利ですが、伸びは小さくなっていきます。γ = 1.4 のとき：

8から10に上げると3.7ポイント増えます。12から14では2.2ポイントしか増えません。曲線は寝てくるので、圧縮を1つ上げるごとに得られるものが減ります。

実際のエンジンはこれらの数字よりかなり下です。エンジン内のガスは γ = 1.4 の空気ではなく、燃えた混合気は比熱比が小さく、γ = 1.3 なら同じ式で10:1 のとき49.9 % しか出ません。モデルの初期設定の値は約48 % で、同じ範囲です。壁への熱の逃げと摩擦で実際の値はさらに下がり、量産エンジンで良くて30から40 % 程度です。

ガソリンエンジンが圧縮比を単純に上げられない理由はノッキングです。オクタン価は、炎が届く前に圧縮された混合気の一部が自分で着火するノッキングに、燃料がどれだけ耐えるかを表します。圧縮比が高いと最後に残るガスがより熱く密になるので、自己着火に強い燃料が要ります。取扱説明書がどのオクタン価を入れるか指定するのは、エンジンがそれを前提に設計されているからです。新しいエンジンはノッキングを検知すると点火を遅らせて身を守れますが、出力と燃費を失います。モデルのディーゼルは空気だけを圧縮し、燃料を後から噴くので、この問題を避けています。

よくある誤解

「エンジンは行程ごとに爆発する。」 4つの行程のうちピストンに仕事をするのは1つだけです。単気筒では残りの3つがフライホイールのエネルギーを使います。「気筒数」のスライダーを上げて点火順序を見てください。8気筒では膨張行程が90°ごとに続くので、途切れなく見えるのです。

「トルクと出力は同じもの。」 トルクはクランク軸をひねる力で、出力はトルクに回る速さを掛けたものです。エンジンは中間の回転数で最大トルクが出て、ずっと高い回転数で最大出力が出ることがあります。回転数グラフの2本の曲線がそのとおりになっています。

「気筒が多いほど必ず出力が大きい。」 出力はエンジンが毎秒燃やせる空気の量で決まります。排気量、回転数、各シリンダーにどれだけ空気を詰めるかです。一覧にある小さなターボ3気筒は、ターボなしの大きなエンジンを上回れます。気筒を増やすのは主にトルクをなめらかにし、1気筒を小さくできるようにするためで、「揺れ」の列がそれを示しています。

「スロットルを閉じれば、同じ仕事をより少ない燃料でできる。」 シリンダーに入る空気が減り、燃料もそれに合わせて計量されるだけです。代わりにポンプ損失が出ます。ピストンはほぼ閉じた弁の横から空気を吸い込まなければなりません。圧力と体積のグラフにある小さな逆向きの輪が、この損失です。

「オクタン価が高いほど出力が高い。」 オクタン価はノッキングへの強さで、燃料の持つエネルギーではありません。低いほうの等級でノッキングしないエンジンは、高いほうでも何も得られません。メーカーの推奨に従ってください。

画面で試す

• 計算例を確かめる。 4気筒、ガソリン、全負荷にします。トルクグラフの破線が平均トルクで、実験室の回転数グラフに対応する出力が描かれます。形を上の手順と見比べてください。
• 輪を比べる。 「ディーゼル」を入り切りして、圧力と体積の輪、圧縮比、「理論効率」の行を比べます。圧縮比は10:1から18:1に変わります。
• 実圧縮比を見る。 バルブタイミングの円で吸気の弧を遅いほうへ引き、「実圧縮比」とモデルの効率が変わるのを読みます。
• ポンプ損失を見る。 ガソリンでスロットルを絞り、圧力と体積のグラフの下にある小さな逆向きの輪と、4分の1スロットルで約36 % まで下がるモデルの効率を見ます。
• 大きさの違うエンジンを比べる。 「エンジン図鑑」から、たとえばホンダ GX160 と GM LS3 の2つを選び、シリンダーの絵と一覧の下の注にある1気筒あたりの cc を比べます。

1876年からコンテナ船まで、30基のエンジン

「操作」タブの図鑑には30基のエンジンがあります。名前で検索するほか、1950年より前、乗用車、オートバイ、小型エンジン、トラック、レース、船舶や、火花点火とディーゼルで絞れます。選ぶとモデルの配置、燃料、シリンダーの大きさが変わり、芝刈り機から船のシリンダーまで大きさの違いが見えます。

2基には補足が必要です。モデルは60° V6を描きますが、フォーミュラ1のエンジンは90° V6なので、配置は近似であり正確ではありません。船のエンジンのシリンダー直径は960 mmで、モデルのボアの11倍以上です。そのため画面ではモデルの2倍の大きさに縮小し、そのことを表示します。数値表示には実寸を使います。Wärtsiläの資料には効率が百分率で記載されていません。燃料消費量から計算します。1キロワット時あたり171グラム、燃料の発熱量を1キログラムあたり42.7 MJとすると、3,600 ÷ (0.171 × 42,700) = 49.3 %です。船のエンジンは2ストロークなので、選ぶと2ストローク比較も開きます。

大きなシリンダーは同じ速さでは回せません。制約になるのはピストンの移動速度なので、モデルはシリンダーを拡大するとき平均ピストン速度を一定にします。モデルの大きさでは、ストローク86 mm、7,000 rpmで平均20.1 m/sです。船のようにシリンダーを15倍にすると、同じピストン速度で回せるのは約300 rpmになります。実物はストロークがボアの2.6倍あるため102 rpmで回り、平均ピストン速度はWärtsiläの表にある8.5 m/sになります。

実際の速さからスローモーションへ

「3,000 rpm で回す」ボタンは、ふだんのモデルが隠している速さを見せます。3,000 rpmではクランクシャフトが1秒間に50回転し、各シリンダーは1秒間に25回点火し、1行程は1000分の10秒です。60 Hzの画面では2フレーム間にクランクが300度進むため、部品がぎくしゃくしたり逆回転したりして見えます。映画の車輪が逆に回るのと同じストロボ効果です。3秒後に減速を始め、3.5秒かけて6 rpmになり、各行程を再び追えるようになります。帯には1番シリンダーの行程名が出ます。音をオンにすると、高速では連続したうなりになり、減速すると一つずつの音に分かれます。

圧縮比、ノッキング、吸気バルブの遅閉じ

圧縮スライダーはガソリンの圧縮比を6:1から15:1に変えます。圧縮比を上げると燃焼後の膨張が大きくなり、モデル効率（10:1で47.6 %）が上がります。同時に未燃混合気も強く圧縮されます。混合気の末端が十分に高温、高密度になると、プラグからの火炎が届く前に自然発火し、2つの圧力波がぶつかります。これがノッキングです。金属的な音と高い最大圧力が生じ、実機ではピストンを傷めます。

ノッキングは燃料、温度、燃焼室の形、点火時期で変わります。モデルは簡単な規則を1つ使い、画面にも明記します。圧縮終了時の圧力が20.5 barを超えるとノッキングします。初期のバルブタイミングでは、11:1付近で20.2 barとなり、まだ発生しません。12:1では22.7 barに達し、発生します。

回避する方法があります。吸気バルブを遅く閉じると、閉じる前に混合気の一部が吸気側へ押し戻され、実際の圧縮は幾何学的な圧縮比より小さくなります。吸気を40°遅らせると、13.5:1でも圧縮終了時は17.9 barで限界以下となり、モデル効率は50.9 %に上がります。膨張には13.5:1を全部使います。短い圧縮と長い膨張がアトキンソン、ミラーサイクルの考え方です。プリウスのToyota 2ZR-FXEもこれを使い、マツダとトヨタは新しいガソリンエンジンで13対1、14対1という圧縮比を公表しています。

ターボ過給でノッキングが戻る理由

ターボを取り付けると排気管の隣に現れます。排気ガスがタービンの羽根車を回し、同じ軸のコンプレッサーが吸気側へ空気を押し込みます。空気が増えると燃料も多く燃やせるため、同じ排気量から大きな出力を得られます。米国エネルギー省は、ターボをシリンダーへ追加の空気を送り、より多くの燃料を噴射できるコンプレッサーと説明し、小排気量化との組み合わせで最大8 %の燃費改善を挙げています。

過給圧スライダーは外気圧に圧力を上乗せします。モデルの単気筒では、0.9 barの過給で最高出力が19.1 kWから29.4 kWに上がります。代わりにノッキングしやすくなります。過給とともに圧縮終了時の圧力が上がり、10:1では0.6 barでも29.1 barに達します。実際のガソリンターボは、圧縮比を下げ、吸気を遅く閉じ、吸気を冷却し、直接噴射を使って対処します。モデルでは8:1で吸気を40°遅く閉じると、0.9 barでも18.1 barとなり、ノッキングしません。ディーゼルは燃やす時点で初めて燃料を噴射するので、この制約はありません。

画面上の課題

「操作」タブの「課題」は、操作に合わせてモデルで達成を確認します。画面上のバッジからも開けます。全部で11問です。カムタイミングで最高出力を5 %以上上げる（確認した最良設定は吸気15°早め、排気30°遅めで10.7 %向上）、ノッキングせずに13:1にする、V8の点火順序を答える、部分負荷でディーゼルの優位を見る（半開で50.7 %対43.6 %）、最も滑らかな配置を探す、実際の速さで回す、2ストロークと4ストロークを比べる、図鑑で最も効率の良いエンジンと最も古いエンジンを探す、ノッキングせずに0.8 barまで過給する、すべての拡大表示を開く、という内容です。達成の印は次に戻ったときも残ります。

数値表示の「瞬間」と「平均」

表示には2種類の数値があり、それぞれにラベルが付きます。「瞬間」のガストルクは、そのクランク角でガスがクランクシャフトに与える回転力です。圧縮中の負の値から、点火直後の数百ニュートンメートルまで変動するので、そのまま回転数を掛けても意味のある出力にはなりません。「平均」のトルク、回転数、出力は対応する値です。摩擦と吸排気を差し引き、負荷と釣り合った回転数で1サイクルを平均しています。このトルクにラジアン毎秒で表した回転速度を掛けると、同じ行の出力になります。

拡大表示

拡大表示のボタンは部品に近づき、その部品が働く位置でクランクを止めます。90°のクランクピン、最大リフトの吸気カム、上死点付近で同時に開く両バルブ、圧縮行程のピストン、上死点直前の火花、噴射開始時のディーゼル噴射装置、ターボが見られます。「分解」は鋳物を可動部から離し、ピストン、コンロッド、クランクシャフトだけが動く様子を見せます。