シリンダー内部

車のエンジンには、1つの仕事があります。それは、燃料が燃えるときの熱をシャフトの回転に変えることです。ほとんどすべてのガソリン車とディーゼル車は、同じ仕組みをいくつかのシリンダーでくり返してこれを行います。筒の中を上下に動くピストンと、その直線運動を回転運動に変える機構です。

1つのシリンダーの主な部品を、上から下へ見ていきましょう。

• シリンダーとシリンダーヘッド。 ピストンが中を動く筒で、上部はヘッドでふさがれています。ピストンとヘッドの間の空間が燃焼室です。
• バルブ。 ヘッドにある2つ以上の小さなドアです。吸気バルブは新鮮な空気（多くのエンジンでは燃料も）を取り入れ、排気バルブは燃えた気体を外に出します。回転するカムシャフトが、正しいタイミングでバルブを押して開きます。
• スパークプラグ（ガソリンエンジン）。火花を出して、燃料と空気に火をつけます。
• ピストン。 シリンダーの中を動く部品です。周りにあるリングが、シリンダーの壁とのすき間をふさぎます。
• コネクティングロッド。 ピストンとクランクシャフトをつなぐ丈夫な棒です。動くときに揺れます。
• クランクシャフト。 ずれた部分であるクランクスローを持つシャフトです。ピストンがロッドを押すと、ロッドがクランクスローを円の中で回します。足で自転車のペダルを回すのと同じです。
• フライホイール。 クランクシャフトの端にある重い円盤で、回転のエネルギーを蓄えます。

行程とは、ピストンが最も高い位置の上死点（TDC）から最も低い位置の下死点（BDC）まで移動する距離のことです。クランクの偏心量はシャフトの中心からrの距離にあるので、半回転する間にピストンはrだけ上がり、rだけ下がります。つまり、行程 = 2rです。

ピストンの高さは、クランクとコンロッドの幾何学から求められます。クランク角θを上死点から測り、コンロッドの長さをlとすると、シャフトの中心からピストンピンまでの距離はx(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ)です。この式を使って計算する必要はありませんが、何を表しているかに注目してください。ピストンのすべての位置は、クランク角によって決まります。クランクを回すとエンジン全体が動き、どの部分もタイミングがずれることはありません。

ピストンは回転しません。まっすぐに滑って動き、コンロッドは左右に振れ、回転するのはクランクシャフトだけです。そしてピストンは、実際には上端と下端で方向を変える瞬間に、一瞬だけ止まります。ピストンが最も速く動くのは、それぞれの行程の中央付近です。

Two sizes describe an engine. The swept volume (displacement) of one cylinder is the area of the piston times the stroke: V = (π/4) × bore² × stroke. For a bore and stroke of 86 mm each, V = (π/4) × 0.086² × 0.086 ≈ 0.0005 m³ = 0.5 litre, so four of those cylinders make a 2.0-litre engine.

The compression ratio compares the biggest and smallest volumes the gas ever has: CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance, where the clearance volume is what is left above the piston at TDC. If one cylinder sweeps 500 cm³ and 50 cm³ remains at the top, CR = 550 / 50 = 11 : 1.

How fast does the piston move? Its mean speed is 2 × stroke × (revolutions per second). At 6 000 rpm (100 rev/s) with an 86 mm stroke that is 2 × 0.086 × 100 ≈ 17 m/s, about 62 km/h, going up and down hundreds of times a second. That is one reason there is a limit to how fast engines can safely spin.