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4ストローク機関(フォーストロークきかん、Four-stroke cycle engine)は、レシプロ型内燃機関の一種である。

略して4ストともいい、エンジンの動作周期の間に4つのステージを経ることからこのように呼ばれる。また、発明者の名前(ニコラス・オットー)を採ってオットーサイクルと呼ばれることもある。4サイクル機関や4工程機関とも呼ばれる。

◆ 概要

現行の二輪車や四輪車はほとんどこの方式である。一般に4サイクルエンジンの性能向上は高回転化で達成されることが多く、多気筒化やバルブ数を増やすことは、その手段の一つである。

それは、多気筒化やバルブ数を増やすことによって、各可動部品を小さくして、質量を少なくすることが可能なため、高速回転エンジンを設計することが出来るからである。

しかしながら、バルブ数は増やせばよいというものでもなく、現実的には5バルブ以上に増やしても吸気効率も上がらず、却って部品点数が増えるために構造が複雑になり、コストが上がるなどの弊害が多くなる。また、回転数を高くすると騒音や振動が増えて寿命が短くなるために、市販車の場合では、車種にもよるが、2輪車では最高でも18000rpm程度、4輪車では最高でも7000〜8000rpm程度の回転数である。

◆行程

一般的なガソリンエンジンの4つのステージは以下の通り。 この間に動力伝達軸であるクランクシャフトは2回転する。

# 吸収行程: ピストンが下がり混合気(燃料を含んだ空気)をシリンダ内に吸い込む行程。

# 圧縮行程: ピストンが上死点まで上がり混合気を圧縮する行程。

# 爆発行程: 着火された混合気の燃焼、膨張によりピストンが下死点まで押し下げられる行程。

# 排気行程: 慣性によりピストンが上がり燃焼ガスをシリンダ外に押し出す行程。

(左から)初期状態・吸入行程・圧縮行程

(左から)燃料へ点火・爆発行程・排気行程

ディーゼルエンジンの場合は内容が異なる。

# 吸入行程: ピストンが下がり、空気のみをシリンダ内に吸い込む行程。

# 圧縮行程: ピストンが上死点まで上がり空気のみを圧縮する行程。

# 爆発行程: 空気が高温になったところで、副室式では予燃焼室または過流室内に、直噴式ではピストン頂部の燃焼室内に燃料が噴射され燃焼が始まり、空気の膨張力によりピストンを下死点まで押し下げる行程。

# 排気行程: 慣性によりピストンが上がり、燃焼ガスをシリンダ外に押し出す行程。

ガソリンエンジンは点火プラグのスパークにより、ピストンが押し下げられるより早く燃焼が終了するため、燃焼前後で見るとシリンダー内の空気は等積変化(等容変化)で圧力が上昇するが、コモンレール式などのマルチ噴射ディーゼルエンジンでは3-5回程度に分散して燃料を噴射するためにシリンダー内の空気はほぼ等圧変化をする。

◆ 工夫

本田技研工業(ホンダ)は、より高い出力を出すために点火プラグをシリンダーあたり2本、バルブをシリンダーあたり8本搭載した楕円ピストンエンジン(オーバルピストンエンジン)を2輪車に用いた(NRシリーズ)。これは8気筒の隣接する機構を一体化したような4気筒エンジンであり、4気筒で8気筒並みの性能を求める、多気筒化の一手法と考えることができる。

二輪自動車の一部や航空機用のエンジンの多くは点火プラグをシリンダーあたり2本持つ。航空機用エンジンの場合は出力を高めるという目的より、「トラブルにより片方の点火プラグが使えなくなっても、もう片方の点火プラグでエンジンを回して飛行し続けられるように」という安全面の目的のためである。

◆ 2ストローク機関との比較

◇長所

・未燃焼ガスなどの有害物質が少なく、触媒もつけられる。要するに臭さは低い。

・小排気量ガソリンエンジンでは2ストローク機関よりも燃費が良い。

◇欠点

・同排気量で比較すると出力が低い(同消費燃料での比較ではない)。

・バルブなどの部品点数が増えるために重くなり、コストもかかる。

◇誤解

・爆発行程がクランク2回転に対し1回であることから、単気筒では使用できない、または実用的ではないという誤解が生じ、一時期、教育向けの図鑑にもそう記載されていた事があった。

・日本市場においてはマルチバルブ=高性能および高効率と認識が強い。1980年代当時トヨタ自動車がツインカム(DOHC)エンジンの市場展開に積極的であり、日産自動車のターボエンジン展開に対して明暗が分かれた。しかしエンジンの性能は、バルブ形式や弁機構で決まるほど単純ではない。日本では旧式扱いされているOHV形式は現在でもアメリカでは主流であり、性能も決定的な差は無い。現在の(最新の)技術でOHVエンジンやSOHCエンジンを設計してもDOHCエンジンと同等のスペックは実現可能である。

◆関連用語

・ガソリンエンジン

・ディーゼルエンジン

・2ストローク機関

・6ストローク機関

・ロータリーエンジン

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