ピストンとは？実物写真でわかる形・部品名・4行程の仕組み

車のエンジンには「ピストン」という部品があります。名前を聞いて、何となく動きが想像できた方もいるでしょう。

ええ、だいたいその動きで合っています。

ただ、ピストンが行ったり来たりするだけで、どうして車を走らせられるのでしょうか？今回は実物の写真を見ながら、ピストンの形と働きを見ていきましょう。

ピストンは、筒の中を行ったり来たりする部品

写真にあるこの金属の物体をピストンといいます。

エンジンの中には「シリンダー」という筒状の部分があり、ピストンはその中に収まっています。

シリンダーの中で燃料が燃えると、ガスの温度と圧力が上がります。この圧力を受け止めて、押し下げられるのがピストンの仕事です。

その力を、下につながる棒や軸へ伝えることで、最終的にタイヤを回す力を生み出します。

ただし、燃えるたびに下がって、そのまま放置されるわけではありません。回っている軸に動かされて上がり、また下がる。エンジンが動いている間、ひたすらこれを繰り返しています。

この行ったり来たりする動きが「往復運動」です。文字どおり、往復する運動ですね。[1]

エンジンのどこに入っている？

一般的な車のエンジンでは、一つのシリンダーにピストンが一つ入っています。

よく聞く「4気筒(きとう)」の気筒は、このシリンダーのこと。つまり4気筒エンジンなら、普通は4個のピストンが働いているわけです。

ちなみに、ボンネットを開けてもピストンは見えません。エンジンの奥に入っていて、その上を「シリンダーヘッド」という部品がふさいでいるからです。

上の写真は組み立て途中なので、中に収まっているピストンを見ることができます。

そして、ピストンは必ず縦向きに動くわけでもありません。写真のスバルEJ20のような水平対向エンジンでは、横向きに往復します。

図では上下に動くものとして説明することが多いですが、実際はシリンダーの向きに合わせて動いているんですね。

ここで覚える役割は三つです。燃焼ガスの圧力を受けるのがピストン、その外周でガス漏れやオイルの量に関わるのがリング、受けた力をクランクシャフトへ渡すのがコンロッド。隣り合った部品でも、担当する仕事は違います。

関連する仕組みは、ピストンまわりを通り抜けるブローバイガスでも解説しています。

ピストンの各部には、それぞれ役割がある

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では、ピストンをもう少し細かく見てみましょう。写真の番号と見比べながら読むと、どこの話をしているのか分かりやすいと思います。

1．頂部（ちょうぶ・クラウン）

燃料が燃える部屋に向いた、一番上の面です。「クラウン」とも呼ばれます。燃えたガスの圧力を、ここで受け止めます。写真では、上端の黒くなっている部分です。

2．ピストンリング

ピストンの周りに付いている、細い金属の輪です。本体に刻まれた溝に収まっています。ガスが逃げるのを抑えたり、オイルの量を整えたりします。詳しい仕事は、このあと見ていきましょう。

3．スカート

リングより下にある、ピストンの側面です。シリンダーの内面に沿って動き、ピストンの姿勢を支えます。写真では、側面の一部が切り欠かれています。

4．ピストンピンを通す穴

横からピンを通すための穴です。このピンを使って、ピストンとコンロッドをつなぎます。

ちなみに、ピストンの一番上は、全部が平らになっているわけではありません。へこんでいるものもあれば、盛り上がっているものもあります。

燃料が燃える部屋の形や広さを調整したり、バルブとぶつからないようにしたりと、その形にも理由があるんです。ディーゼルでは、このへこみが燃料を燃やすうえで重要な役割を持つものもあります。[3]

ピストンピンは、コンロッドとのつなぎ目

こちらは、ピストンを裏返した写真です。中を横切っている、太い金属の部品が見えるでしょうか？

これが「ピストンピン」。ピストンと、その下に伸びる「コンロッド」という棒をつなぐ部品です。

コンロッドのもう一方は、「クランクシャフト」という回る軸につながっています。

この軸が回ると、コンロッドは斜めになったり、まっすぐになったりします。その動きに合わせて、ピストンとのつなぎ目も動けなければなりません。そこで働くのが、ピストンピンなんです。

なお、ピンをどこで固定し、どこを動けるようにするかは、設計によって違います。[1][5]

上の写真だと、ピストンとコンロッドのつながりが分かりやすいですね。一番下の大きな輪の部分に、クランクシャフトがつながります。

ピストンが押され、その力をコンロッドが伝え、クランクシャフトが回る。自転車で足の動きをペダルの回転につなげるのと似ています。

ピストンは四つの行程で仕事が変わる

では、そのピストンが実際にどう動くのかを見てみましょう。

一般的な4ストロークエンジンでは、「吸気・圧縮・燃焼と膨張・排気」の四つを繰り返します。「ストローク」はピストンが片道を動くこと。下がって1回、上がって1回です。

ここでは、ガソリンエンジンの図を使って説明します。

図の右にある青い通路が空気の入口、左の赤い通路が燃えた後のガスの出口です。黄色がピストン、オレンジ色の棒がコンロッド、その下にある紫色の部分がクランクシャフト。太い赤い矢印は、ピストンが動く向きを示しています。

① 吸気：下がって、空気を取り込む

まずは「吸気」。燃料を燃やすには酸素が必要なので、その酸素を含んだ空気を取り込みます。

空気の入口にある吸気バルブを開き、ピストンが下がると、上側の空間が広がります。すると外との圧力差で、シリンダーの中へ空気が入ってくるわけです。

ガソリンは、空気の通り道で噴射する方式もあれば、シリンダーの中へ直接噴射する方式もあります。どちらの場合も、最終的に空気と燃料を混ぜて燃やします。

② 圧縮：上がって、気体を押し縮める

空気を取り込んだら、今度は入口と出口のバルブを閉じて、ピストンを上げます。

中の気体は逃げ場がなくなるので、ギュッと押し縮められます。これが「圧縮」です。このとき、気体の圧力と温度も上がります。

もちろん、押し縮めるにも力が要ります。自転車の空気入れも、タイヤに空気がたまってくると、押すのが重くなりますよね。

この工程では、ピストンが軸を回しているのではなく、回っているクランクシャフトに動かされています。

③ 燃焼・膨張：燃えたガスに押される

そして、いよいよ燃やします。

ガソリンエンジンでは、点火プラグが火花を飛ばし、空気と燃料が混ざったものに火を付けます。するとガスの温度と圧力が上がり、ピストンが押し下げられます。

その力がコンロッドを通ってクランクシャフトへ伝わり、軸を回します。四つの工程のうち、大きく動力を取り出しているのは、この場面です。

ディーゼルでは火花を使わず、強く圧縮して熱くなった空気へ燃料を噴射して燃やします。火の付け方は違いますが、燃えたガスの圧力でピストンを押す点は同じです。

④ 排気：燃えた後のガスを押し出す

燃やして力を取り出したら、残ったガスには出ていってもらいます。

排気バルブを開くと、まずシリンダーの中に残っている圧力でガスが外へ流れます。さらにピストンが上がり、残りのガスを押し出します。

これで、また新しい空気を取り込めるようになりました。[4]

下がって、上がって、下がって、上がる。

この四つの動きでピストンは2往復し、その間にクランクシャフトは2回転します。燃料に火を付けるだけでなく、その前の準備と後片付けまで、ピストンが動いてこなしているんですね。

なお、図は基本の動きを分かりやすく表したものです。実際には、バルブの開閉や火花を飛ばすタイミングを、動きの境目より前後にずらします。このあたりは「バルブタイミング」の記事で詳しく解説しています。

ピストンリングの役割

ところで、ピストンをシリンダーに隙間なく押し込んだら、どうなるでしょうか？

そりゃ動きにくくなりますよね。しかも金属は熱くなると膨らむので、運転中にきつくなってしまいます。だから、ピストンとシリンダーの間には適切な隙間が必要です。

ただ、その隙間から燃えたガスがどんどん逃げてしまったら、ピストンを押す力をうまく使えません。

そこで登場するのが「ピストンリング」。ピストンの周りに取り付ける、細い金属の輪です。

こんな細い輪っかに何ができるんだ、と思うかもしれませんが、主に三つの仕事をしています。[2][8]

1. 燃焼した気体の漏れを抑える一つ目は、シリンダーの中のガスが、ピストンの下側へ逃げるのを抑えることです。主に上側の圧縮リングが働きます。

   圧縮した気体や燃えた後のガスを逃がしにくくして、その圧力を使えるようにするわけです。ただし、漏れを完全にゼロにできるわけではありません。

2. シリンダーの油を適量にする二つ目は、シリンダーの壁に付くオイルの量を整えることです。ここでは主に、オイルリングが働きます。

   余分なオイルはかき取りますが、全部をきれいに拭き取るわけではありません。金属同士が直接こすれるのを減らすため、薄い油の膜は残します。

3. ピストンの熱をシリンダーへ逃がす三つ目は熱くなったピストンの熱を、シリンダーの壁へ逃がすことです。

   ピストンが受け取った熱は、リングを通ってシリンダー側へも伝わります。ガス漏れを抑えて、オイルの量を整えて、熱まで逃がす。輪っかのくせに仕事が多いんです。

よくあるのは、上側に圧縮リングが2本、その下にオイルリングが1組という組み合わせです。

本数や形はエンジンによって違いますし、オイルリング1組が、複数の薄い部品でできているものもあります。

ちなみに、リングには普通、切れ目があります。これも不良品だからではなく、熱くなって膨らむことを考えた作りです。

切れ目の隙間が狭すぎると、熱くなったときに端同士がぶつかってしまいます。「隙間をなくせばよくなる」とは、簡単にいかないんですね。

ピストンに求められるもの

ピストンは、ただ同じ速さで移動しているわけではありません。速くなったり遅くなったりしながら、両端で向きを変えています。

重いものほど、動かしたり止めたりするのに大きな力が要ります。これをものすごい速さで繰り返すのですから、できるだけ軽くしたいわけです。

かといって、適当に削ってペラペラにするわけにもいきません。熱いガスの圧力を受け、リングやピンも支えなければならないからです。

裏側の写真を見ると、中には空間があり、ピンを支える部分などは厚くなっています。軽くしたい。でも壊れては困る。その両方を考えて、この形になっているんですね。

乗用車では、アルミ合金のピストンがよく使われています。一方、強い圧力を受けるディーゼルなどには、鋼製のものもあります。

どの金属でもいいわけではなく、重さや強さ、熱への対応などを考えて選ばれています。[3]

チューニングの話では、「鍛造ピストン」という言葉を聞くこともあります。

溶かした金属を型に入れて作るのが「鋳造」。金属を強い力で押して形にするのが「鍛造」です。鍛造は、高い強度が必要なピストンにも使われています。

ただ、鍛造ピストンを入れれば、それだけで馬力が増えるという話ではありません。圧縮比や重さ、シリンダーとの隙間なども関わるので、エンジンに合った設計が必要です。

さらに面倒なのが、熱です。ピストンは運転中に熱くなって膨らみます。しかも、燃料が燃える側と下側で、温度も同じではありません。

そのため、冷えているときの形や寸法は、熱くなって動いている状態を見越して決められています。止まっているときにぴったりなら正解、というわけでもないんです。

このピストンとシリンダーの隙間を「クリアランス」といいます。

狭すぎれば、熱くなったときに強くこすれて傷む原因になります。反対に広すぎれば、冷えているときにピストンが首を振って、打つような音が出ることもあります。

必要な隙間と、どこで寸法を測るかは、そのエンジンやピストンの指定に合わせます。目分量で「まあ、これぐらいだろ」は通用しない世界です。[5][7]

ピストンが傷むと、どんな症状が出る？

さて、そんな環境で働くピストンですが、もちろん傷むこともあります。

ピストンやリング、シリンダーの内側が傷むと、ガスが漏れやすくなったり、オイルの量をうまく整えられなくなったりします。その結果、パワーが落ちる、オイルが減る、変な音がする、といった症状が出ることがあります。

ただし、そこで「犯人はピストンだ！」と決めるのは早いです。

例えばオイルが減る原因は、バルブ側やターボ側にある場合もあります。煙が出たというだけでは、どの部品が原因なのかまでは分かりません。

整備では、シリンダーの圧縮を測ったり、空気を入れて漏れる場所を調べたり、小さなカメラで中をのぞいたりして、原因を探します。

状態によっては、エンジンを分解して、傷や寸法を確かめる必要もあります。

そして、壊れた部品を交換すれば、それで一件落着とも限りません。

オイルが足りなかったのか、燃え方に問題があったのか、シリンダーの状態が悪かったのか。そもそも傷んだ理由を残したままでは、新品のピストンも同じ目に遭ってしまいます。

何が壊れたかと、なぜ壊れたか。修理では、両方を調べる必要があるんですね。[6]

よくある疑問

上死点・下死点とは、どこのこと？

ピストンがシリンダーヘッドに一番近づく位置が「上死点」、一番離れる位置が「下死点」です。

名前は物騒ですが、ピストンが往復する範囲の両端を指しています。水平対向エンジンのように横向きに動く場合でも、同じ名前を使います。

ピストンの直径だけで、排気量が決まる？

直径だけでは決まりません。ピストンが片道を動く距離と、気筒の数も関係します。

例えば、同じ太さの筒でも、ピストンが長い距離を動けば、それだけ大きな空間を押しのけます。この空間を全気筒ぶん合計したものが、排気量です。

詳しい計算は「排気量の計算」の記事で解説しています。

ピストンは、シリンダーの壁に触れない？

シリンダーの真ん中に、ふわっと浮いているわけではありません。

リングやスカートは、薄い油の膜を使いながら、シリンダーの内面に沿って動きます。コンロッドが斜めになると、ピストンを横へ押す力も生まれます。だから、オイルや隙間の管理が大切なんです。[1]

どの車にもピストンがある？

一般的なガソリン車やディーゼル車には、エンジンの中にピストンがあります。そうしたエンジンを積むハイブリッド車にもあります。

一方、モーターだけで走るEVには、そもそも走行用エンジンがありません。また、「ロータリーエンジン」は、往復するピストンとは別の仕組みで動いています。

関連記事

• コンロッドの仕組みピストンと回転する軸をつなぐ棒。
• クランクシャフトの仕組み往復する動きを回転へ変える軸。
• シリンダーライナーとは？ピストンが動く筒の内側。
• 圧縮比とは？ピストン上側の空間の大きさと圧縮の関係。

参考資料・画像の出典

仕組みや構造をさらに詳しく知りたい方は、次の資料も参考にしてみてください。

1. Motorservice：How the piston works力の伝わり方、往復運動、横方向の力。
2. Kolbenschmidt：Piston rings — sealing under extreme conditions（PDF）気密、油膜、熱の伝達、リングの切れ目。
3. MAHLE：乗用車のピストンシステムガソリン・ディーゼル用の設計、材料、鍛造。
4. NASA Glenn：Four Stroke Internal Combustion Engine4ストロークの基本動作と、クランクシャフトの回転。
5. Motorservice：Installation of Pistons（PDF）ピストンとシリンダーの寸法、取り付け時の確認。
6. Motorservice：Piston damage — increased oil consumption潤滑、摩耗、シリンダーの状態と油の消費。
7. Motorservice：Piston damage — recognising and rectifying（PDF）熱による変化、取り付け時のすき間、損傷の調査。
8. リケンNPR：ピストンリングガス漏れの抑制、オイルの調整、熱を逃がす働き。

写真・図の作者、出典、ライセンスは、それぞれの画像の下に記載しています。