4ストロークサイクル

空気、燃料、火花、そして力

内燃機関は、燃料に含まれる化学エネルギーを機械的な動きに変換します。ガソリンエンジンの大部分は、1876年にニコラウス・オットーが発明した4ストロークサイクルを採用しています。各シリンダーは4つの行程(上向き2回、下向き2回)を繰り返し、そのたびに1回の燃焼(パワー)を生み出します。

第1行程:吸気:ピストンが下がり、吸気バルブが開いて、精密に計量された空気と燃料の混合気がシリンダー内に吸い込まれます。現代のエンジンは燃料噴射を使います。コンピューター制御のインジェクターが、霧状にした燃料を吸気ポートまたはシリンダー内に直接噴射します。

第2行程:圧縮:両方のバルブが閉じ、ピストンが上がって、空気と燃料の混合気をシリンダー上部の小さな空間に圧縮します。一般的なガソリンエンジンの圧縮比は約10:1で、混合気は元の体積の10分の1まで圧縮されます。圧縮によって混合気の温度と圧力が上がり、燃焼がより効率的になります。

ストローク3:パワー(燃焼):圧縮ストロークの頂点で、スパークプラグが点火します。火花が圧縮された空気と燃料の混合気に火をつけると、混合気は急速に燃えて膨張し、強大な力でピストンを押し下げます。これがパワーを生み出す唯一のストロークです。残りの3つは準備と後片付けにあたります。

ストローク4:排気:排気バルブが開き、ピストンが上昇して、燃焼後のガスをシリンダーから排気系へ押し出します。その後、サイクルが再び始まります。

排気量とは、1サイクルですべてのピストンが掃く容積の合計です。2.0リットルのエンジンは、シリンダー全体で2リットル分の容積を押しのけます。一般に、排気量が大きいほどパワーも増しますが、燃料消費も増えます。

圧縮比とは、ストローク下端でのシリンダー容積と、上端での容積の比です。圧縮比が高いほど燃料から多くのエネルギーを取り出せますが、ノッキング(エンジンを傷めかねない制御不能な異常燃焼)を防ぐために、より高オクタン価のガソリンが必要になります。

失火を診断する

お客様が4気筒の車を持ち込みました。エンジンはアイドリング中に荒く回り、振動しています。エンジンチェックランプが点灯し、診断スキャナーは3番シリンダーの失火コードを表示しています。エンジンは4気筒ではなく3気筒で回っています。

トランスミッション、デファレンシャル、駆動方式

動力をホイールへ伝える

エンジンはクランクシャフトで回転する力(トルク)を生み出します。しかし、この力をそのままホイールへ送ることはできません。速度、方向、トラクションに合わせて調整する必要があります。この役割を担うのが駆動系です。

トランスミッション:トランスミッションは、エンジンとホイールの間のギア比を変えます。低いギアでは、ホイールに対してエンジンが速く回転します。加速や坂道の登坂に向いた、高トルクの状態です。高いギアでは、ホイールに対してエンジンがゆっくり回転します。高速道路での効率的な巡航に向いています。マニュアルトランスミッションは、クラッチと、ドライバーが選ぶギアを使います。オートマチックトランスミッションは、トルクコンバーターと遊星ギアセットを使い、トランスミッション制御モジュール(TCM)が制御します。

ディファレンシャル: 車がカーブを曲がるとき、外側の車輪は内側の車輪より長い距離を走ります。ディファレンシャルはアクスルハウジング内にある歯車の組み合わせで、2つの駆動輪が異なる速度で回転しながらも、動力を受け取り続けられるようにします。ディファレンシャルがなければ、タイヤはカーブのたびに引きずられ、滑ってしまいます。

駆動方式:

- FWD(前輪駆動): エンジンとトランスミッションが前方にあり、前輪を駆動します。コンパクトで軽く、エンジンの重量が駆動輪の上にかかるため、雨や軽い雪でも良好なトラクションを得られます。そのため、ほとんどの乗用車がFWDを採用しています。

- RWD(後輪駆動): エンジンは前方にあり、動力はドライブシャフトを通じて後車軸へ送られます。重量配分がよく、より大きな馬力に対応できるため、トラック、スポーツカー、牽引に向いています。滑りやすい路面ではオーバーステアになりやすい傾向があります。

- AWD(全輪駆動): 通常はセンターディファレンシャルまたはトランスファーケースを通じて、4つすべての車輪に動力を伝えます。コンピューターがトラクションに応じて、前後車軸のトルク配分を変えることもあります。クロスオーバーやSUVでよく使われます。

- 4WD(四輪駆動): トランスファーケースを備えたパートタイム式または選択式のシステムで、前後の車軸を直結します。オフロードや低トラクションの路面向けに設計されています。ロック状態で乾いた舗装路を走ると、カーブでドライブトレインに無理がかかるため、使用してはいけません。

駆動方式の選び方

あるお客様が新しい車を探しています。住んでいるミネソタ州では、冬に大雪と凍結路面が続きます。さらに毎年夏には、約2,270kg(5,000ポンド)のボートを湖まで牽引します。冬でもよく走り、安心して牽引できる車を求めています。

12ボルト系統、CANバス、OBD-II

車の神経系

現代の車は、鉛蓄電池を電源とする12ボルト直流の電気システムで動きます。バッテリーは、エンジンのサーペンタインベルトで駆動するオルタネーターで充電されます。

バッテリーは、始動時にエンジンを回すために必要な蓄電エネルギーを供給します。一般的な車のバッテリーは、400〜800コールドクランキングアンペア(CCA)を出力してスターターモーターを回します。スターターモーターはエンジンのクランクシャフトを回し、燃焼が引き継ぐまで続けます。

オルタネーターは、ベルトで駆動する発電機で、エンジンの機械的エネルギーを電気エネルギーに変換します。エンジンがかかると、オルタネーターがすべての電装系に電力を供給し、バッテリーも充電します。オルタネーターが故障すると、走行中にバッテリーが少しずつ消耗し、やがて車は止まります。

スターターモーターは、エンジンのフライホイールのリングギアとかみ合ってエンジンを回す、高トルクの電動モーターです。車の部品の中で最も大きな電流を使い、数秒間に150〜300アンペアを流します。

CANバス(Controller Area Network):現代の車には、30〜100個の電子制御モジュール(ECU)があり、互いに通信する必要があります。CANバスは、そのすべてをつなぐ2本線の通信ネットワークです。エンジンコントロールモジュール(ECM)、トランスミッションコントロールモジュール(TCM)、アンチロックブレーキモジュール(ABS)、ボディコントロールモジュール(BCM)など、数十のモジュールがCAN上でデータを共有します。ECMが車輪速度を知りたいときは、CANバス上のABSモジュールのデータを読み取ります。

OBD-II(車載式故障診断システムII):1996年以降、アメリカで販売されるすべての車に、ダッシュボードの下に標準化された16ピンの診断ポートがあります。スキャンツールを差し込むと、ネットワーク上のあらゆる制御モジュールが設定した故障診断コード(DTC)を読み取れます。P0301というコードは、1番シリンダーで失火を検出したことを示します。P0420は、触媒コンバーターの効率がしきい値を下回ったことを示します。OBD-IIは、自動車診断の共通言語です。

電気系統の診断

お客様の車が始動しません。キーを回すと、カチカチカチと速い音が聞こえますが、エンジンは回りません。ヘッドライトは暗く、始動しようとするとさらに暗くなります。バッテリーは3年前のものです。

止まる力と操縦性

ディスクブレーキ、ABS、サスペンションの幾何学

ブレーキシステムは、摩擦を使って運動エネルギー(動き)を熱エネルギー(熱)に変換します。ブレーキペダルを踏むと、作動油がブレーキラインを通って各車輪のキャリパーに送られます。

ディスクブレーキ:鋳鉄または複合素材のローターが車輪とともに回転します。キャリパーがローターをまたぐように取り付けられ、油圧がかかるとブレーキパッドをローターに押しつけます。この摩擦でローターと車輪が減速します。ディスクブレーキは熱に強く、フェード現象に耐え、自己清浄性があります。現代の自動車の多くは、4輪すべてにディスクブレーキを使っています。

ドラムブレーキ:ブレーキシューが、回転するドラムの内側に向かって外側へ押しつけられます。製造コストが安く、一部の経済的な乗用車やトラックの後輪車軸で今も使われています。ドラムは熱と水分を保持しやすいため、強いブレーキをかけるとフェードが起きやすく、濡れた状態では効きが落ちます。

ABS(アンチロック・ブレーキ・システム):各車輪のホイール速度センサーが ABS モジュールに情報を送ります。強くブレーキをかけたときに車輪がロックすると、ABS モジュールはその車輪への油圧を素早く脈動させ、1秒間に何十回もブレーキを緩めては再び効かせます。これによってタイヤがスキッドするのを防ぎ、緊急停止中でも運転者がステアリング操作を保てます。ABS は乾いた路面での制動距離を短くしません。守るのは、ステアリング操作の能力です。

マクファーソンストラット:乗用車のフロントサスペンションで最も一般的な設計です。ショックアブソーバー、コイルスプリング、ステアリングナックルを、1つのコンパクトなユニットにまとめています。ストラットの上部は車体のストラットタワーにボルトで固定され、下部はステアリングナックルとロワコントロールアームに接続します。

ホイールアライメント:アライメントとは、車体と路面に対する車輪の角度を指します。主な角度は3つあります。キャンバー(正面から見たときの内側または外側への傾き)、キャスター(側面から見たときのステアリング軸の傾き)、トー(上から見たときにタイヤの前側が内向きか外向きか)です。アライメントが正しくないと、タイヤの偏摩耗、片側へのふらつき、ハンドリングの悪化を招きます。

ブレーキの診断

お客様から、強くブレーキをかけるとステアリングホイールが震え、ブレーキペダルが足の下で脈動するという相談がありました。ゆるやかに通常のブレーキをかけているときは、振動が消えます。この車は4輪すべてにディスクブレーキを備え、使用開始から5年、走行距離は6万マイルです。

自動車業界のキャリアの全体像

自動車の知識が拓く道

自動車産業は、アメリカ合衆国だけで400万人以上を雇用しています。資格を持つ整備士への需要は常に供給を上回り、ディーラーも独立系の整備工場も人材の確保に苦労しています。

ASE認定(Automotive Service Excellence):業界標準の資格です。ASEは分野ごとに認定を用意しています。エンジン整備(A1)、オートマチックトランスミッション(A2)、マニュアルドライブトレイン(A3)、サスペンション&ステアリング(A4)、ブレーキ(A5)、電気システム(A6)、空調(A7)、エンジン性能(A8)です。8つすべてに合格すると、ASEマスターテクニシャンの称号を得ます。各認定の取得には、筆記試験への合格と、関連分野で2年間の実務経験の証明が必要です。

ディーラーの整備士:特定のブランド(フォード、トヨタ、BMWなど)の車を担当し、その車種についてメーカーの研修を受けます。ディーラーはフラットレート制で報酬を支払います。作業ごとに割り当て時間が決まっていて、実際にかかった時間に関係なく、整備士は割り当て時間分の報酬を受け取ります。速くて腕の良い整備士は、大幅に多く稼げます。ディーラーには、ルブ担当からマスターテクニシャンまで、段階的に昇進できる仕組みがあります。

独立系整備士:あらゆるメーカー・車種を扱います。あらゆる車を見るため、幅広い知識と高い診断力が必要です。独立系の整備工場では、時給制の場合も、フラットレート制(作業内容ごとに定められた標準時間で報酬を計算する方式)の場合もあります。自主性は高まりますが、ブランド固有の研修は少なくなります。

EVの専門分野:電気自動車は最も急速に成長している分野です。EV整備士は、高電圧バッテリーパック(400〜800ボルト)、電動駆動モーター、回生ブレーキシステム、熱管理システムを扱います。高電圧安全資格は必須です。EVのバッテリーパックの電圧は命に関わります。テスラ、リヴィアン、ルーシッドなどのメーカーは独自のサービスネットワークを構築し、EV専門の研修を受けた整備士を採用しています。

ディーゼル整備士:商用トラック、バス、重機、船舶用エンジンを扱います。ディーゼルエンジンは圧縮着火(点火プラグなし)方式で、ガソリンエンジンよりはるかに高い圧力と温度で動きます。ディーゼル整備士は、運送、建設、農業の分野で需要が高く、年収7万ドルを超える人も多くいます。重機専門の整備士なら、さらに高い収入を得られます。

はじめの一歩:主な入り口は、コミュニティカレッジの自動車プログラム(1〜2年)、メーカー支援の研修プログラム(UTI、Lincoln Tech、またはToyota T-TENやFord ASSETなどのOEMプログラム)、そしてディーラーや整備工場での見習い制度です。

自分の進路を考えよう

自動車の知識を将来につなげよう

内燃機関、駆動系、電装の診断、ブレーキとサスペンションの基礎を学びました。どれも、すべての自動車整備士が身につけるべき中核のシステムです。