ピストンとは、エンジンの部品の中で非常に重要な役割を果たす部品で、設計技術者としては必ず知っておきたい部品になります。そんなエンジンの心臓部とも言えるピストンの仕組みや構造についてわかりやすく解説します。
ピストンの仕組み
シリンダーの混合気の燃焼(火炎)によって、シリンダー内では熱エネルギーが生み出されます。この火炎や熱エネルギーを直接受け持つ部品がピストンです。ピストンは熱エネルギーを受け、反対方向(図では下方向)に押され、移動します。この運動力から動力が生み出されています。下方向に動いて、下死点まで達した後は、クランクシャフトによって上方向に押し返されます。このように、ピストンは熱エネルギーを受けて上下に往復運動を行っている部品になります。
ピストンの構造
ピストンは主に、ピストンヘッドとピストンスカートが組み立てられて構成されています。さらに、ピストンヘッドの側面にピストンリングという部品がはめこまれています。次項でそれぞれの部品の役割を詳しく解説します。
ピストンヘッドの役割と材質
ピストンヘッドは燃焼ガスの高温・高圧に耐えるため、強度や耐熱性が必要になります。自動車用エンジンなどでは、軽量で熱伝導性に優れているアルミニウム合金が素材として使われることが多いです。また、船舶用や発電用などの大型のディーゼルエンジンでは、強度が高い鍛造品を使うことが多いです。
ピストンヘッドの頂面は、混合気の流動や部材温度を最適化するために、凹凸を設けるなど形状が工夫されています。また、ピストンヘッドの裏側はエンジンオイルによって冷却されています。
ピストンスカートの役割と材質
ピストンスカートは、ピストンヘッドの下に組み付けられていて、シリンダー内壁との激しい摩擦に耐える必要があります。そのため、自動車用ではアルミニウム合金、大型ディーゼルエンジンでは耐摩耗性が良い鋳鉄が使われることが多いです。ピストンスカートの内部は軽量化のため空洞になっています。
ピストンリングの役割
ピストンの周囲には溝が切られていて、「ピストンリング」という細い輪を挟むようにできています。ピストンリングは、燃焼したガスがピストンとシリンダー内壁の間を通り抜けないようにシールする役割があります。ピストンリングとシリンダー内壁との間にはオイルが入り込んでおり、ピストンが滑らかに上下できるようになっています。ピストンリングはエンジンの種類によって異なりますが、1つのピストンで2～4本程度使われることが多いです。
まとめ
ピストンはエンジン部品の中で、最も重要な部品の一つで非常に奥が深いです。ピストンヘッドの形状は燃焼効率にも直結しますし、また、部品の強度と軽量化を同時に実現する必要もあります。ピストンの仕組みを知ることで、エンジンの基本動作や基本構造への理解が深まれば幸いです。
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