複合エンジン

複合エンジンとは、同じ作動流体からエネルギーを回収する複数のステージを持つエンジンであり、第 1 ステージからの排気は第 2 ステージを通過し、場合によってはさらに別の後続のステージに送られます。元々は蒸気エンジンの効率を高める手段として発明されましたが、複数のステージを使用するエンジンの複合化は、内燃機関にも使用されており、ニッチな市場を続けています。

複合エンジンの各ステージは、異なる技術または類似の技術で構成されます。たとえば、次のようになります。

• ターボ複合エンジンでは、シリンダーからの排気ガスがタービンを通過しますが、2 つの段階は異なります。
• 複合蒸気機関車では、蒸気は高圧シリンダーから低圧シリンダーへと流れ、2 つの段階は似ています。
• 三段膨張式蒸気エンジンでは、蒸気は、サイズが大きくなり圧力が下がる 3 つの連続したシリンダーを通過します。このようなエンジンは、蒸気の黄金時代に最も一般的な船舶エンジンでした。

これらの例と複合タービンは、エンジンにおける複合の主な用途ですが、唯一の用途ではありません。以下を参照してください。

複合エンジンは、出力を生成するために複数の段階を使用します。

複数のステージを使用するすべてのエンジンが複合エンジンと呼ばれるわけではありません。特に、エンジンが後段のステージを他の目的、特にターボチャージのために排気からエネルギーを抽出するためだけに使用している場合、それは複合エンジンとは呼ばれません。同様に、タービンを駆動するためにフリーピストンエンジンを使用する提案されたエンジンは、第2ステージのみが出力を生成するため、複合エンジンとは呼ばれません。

ただし、一部の航空機エンジンのように、シャフト動力の一部をスーパーチャージャーにフィードバックすることでターボ複合エンジンが過給される場合は、やはり複合エンジンです。スーパーチャージャーとターボスーパーチャージャーという用語の使用法は時代とともに変化しており、たとえばライト R-3350 デュプレックスサイクロン複合エンジンのメーカーは当時、これをターボスーパーチャージャーと表現していました。しかし、これは複合エンジンであり、今日製造されている同様のエンジンはターボチャージャーではなくスーパーチャージャーと表現されるでしょう。

複合化という 用語は、複合エンジンよりも少し制限が緩やかです。大型の複合タービンは、多くのガスタービンで使用される複数列のブレードと同様に、複合化の応用ですが、どちらも通常は複合エンジンとは呼ばれません。単一のタービン内の複数のブレードセットは、複合化よりもユニフロー蒸気エンジンに原理的に似ていると考える方がよいでしょう。ニッチな用途しか見つかっていないユニフロー蒸気エンジンとは異なり、複数列のタービンは、非常に多くの実用的用途が見つかっています。

複動を使用しないエンジンは、特に蒸気機関車の場合には単純エンジンと呼ばれ、より正確には、特に船舶用蒸気エンジンの場合には単純膨張エンジンと呼ばれます。

ただし、蒸気エンジンの場合、単純エンジンとは、負圧を発生させて効率を向上させるために凝縮器を使用しないエンジンを指す場合もあります。この目的で独立した凝縮器を使用することは、 1765 年のワット蒸気エンジンと 1712 年のニューコメン蒸気エンジンを区別する重要な特徴の 1 つです。

蒸気機関車の場合、曖昧さは生じません。凝縮式蒸気機関車では、凝縮器は効率を上げるためにあるわけではなく、節水と排出ガス削減のために効率を下げることさえあるからです。そのため、たとえばメトロポリタン鉄道 A クラスは、凝縮器があるにもかかわらず、あらゆる意味で単純な機関車であり、蒸気機関車に適用される単純なエンジンという用語は、実際には常に、凝縮器の使用に関係なく、複式化を使用しない機関車を意味します。単純な膨張機関車や単純な膨張エンジンという用語は、混乱を避けるために機関車に適用されることがあります。

複合エンジンの最も古い例は、複合蒸気エンジンです。1805 年にアーサー・ウルフは、この原理を使用したウルフ高圧複合エンジンの特許を取得しました。

複合潤滑は、1850年代以降、主にヨーロッパ大陸で、定置式蒸気機関、船舶用蒸気機関、一部の蒸気機関車で特に使用されました。 ^[1]

直列に並んだ3つのシリンダーから徐々に内径が大きくなる3段式または三重膨張式往復蒸気機関は、蒸気船の推進用として非常に人気がありました。「ドクター」アレクサンダー・カーネギー・カークは、1874年にプロポンティスと呼ばれる船に最初の三重膨張機関を試験的に取り付けました。1881年にカークは、スコットランドのクライドサイドにあるSSアバディーンに彼のエンジンの改良版を搭載しました。[ 2 ]この船は^、英国と極東の間の商用運航において、新しいエンジンのパワーと経済性の利点を証明しました。^[3]この装備を備えた最初の軍艦は、同じくクライドサイドで建造されたスペインの軍艦デストラクターであり、イギリス海軍の船に使用されたこのタイプの最初のエンジンは、リード水管ボイラーも作成したJ.W.リードによって設計されました。^{[4] [5]}他の海軍や商船主もすぐに追随しました。4段式、または四重膨張エンジンも使用されました。

蒸気機関車には、単純形式と複式形式の両方でいくつかのクラスが存在したが、最も一般的には、元々複式として製造された機関車が、効率を犠牲にして出力を得るために単純形式に改造されたものであり、たとえばNZR X クラスの大部分がそうである。その他の改造では、複式の細部を再設計する必要があり、たとえば、アルフレッド・ド・グレーンが設計し当時の最先端技術であった多くの複式機関車は、アンドレ・シャプロンによって改造され、彼の後の方式が採用された。

いくつかの複合内燃機関は特許を取得していますが、商業的にはあまり成功していません。これらのエンジンは、交互に配置された高圧シリンダーから中央の低圧シリンダーに排気する 3 シリンダー配置を採用しています。

例としては、Deutz 1879、Forest-Gallice 1888、Connelly 1888、Diesel 1897、Bales 1897、Babled 1903、Butler 1904、Eisenhuth 1904–7、Abbot 1910 などがあります。^[6]このコンセプトは「再発明」され、 2000 年に Gerhard Schmitz によって5 ストローク エンジンとして特許を取得し、Ilmor によって実験されました。

ターボコンパウンドは内燃機関にも応用されており、第二次世界大戦直後には航空機エンジンとして広く使用されていました。^{[7] [8]}

ディーゼルターボ複合エンジンはトラックや農業機械に引き続き使用されています。^[9]

• ターボコンパウンドエンジン
  • トラックおよび機械のエンジン
  • 航空機エンジン
    • ネイピア ノマド
    • ライトR-3350デュプレックスサイクロンは、単純型と複合型の両方が生産され、複合型ではロッキードコンステレーションを含む多くの第二次世界大戦後の航空機に搭載された^{[7] [8]。}
    • ドブリニン VD-4K航空機エンジン
• 複合蒸気機関
  • 複合機関車（カテゴリ:複合機関車も参照）
    • LMS コンパウンド 4-4-0
    • NZR Aクラス（1906）
    • LMS 6399 フューリー
    • ヴュルテンベルク州
    • バイエルンS 3/6
    • いくつかのマレット機関車、特にオリジナルの設計
    • ニルギリ山岳鉄道Xクラス
  • クロスコンパウンド蒸気駆動空気圧縮機、例：ウェスティングハウス8 1/2" 150-D ^[10] 、多くの大型のアメリカの機関車に使用されている
  • 多くの牽引エンジン
  • 往復動型船舶用蒸気エンジンのほとんど
    • RMSタイタニック号(1912 年)を含む3 隻のオリンピック級定期船には、それぞれ2 基の 3 段膨張式蒸気エンジンが搭載され、翼のプロペラを駆動していました。これらのエンジンは、当時の典型的なものでした。オリンピック級では、これらのエンジンからの排気蒸気を使用して低圧蒸気タービンを駆動し、より小さな中央プロペラを駆動することで、さらに複合化が実現しました。この方式は、 SSローレンティック号(1908 年)によって初めて採用されました。

• ロールスロイスR6複合ヴァンケルエンジン^[11]

• 蒸気機関 § エンジンサイクル
• 船舶用蒸気エンジン § シリンダー技術によるエンジンの分類

• アーサー・ウルフ
• アナトール・マレット
• アルフレッド・デ・グレン
• ジョセフ・アントン・マッフェイ
• ガストン・デュ・ブスケ
• アンドレ・シャペロン

• 複合タービン
• 蒸気タービンの複合化
• タービンの圧力複合