オットーエンジン

オットーエンジンは、ドイツのニコラウス・オットーが設計した、大型の固定式単気筒内燃 4ストロークエンジンです。これは低回転の機械で、同じくオットーが設計したオットーサイクルにより、1ストロークおきに点火します。

ドイツの発明家ニコラウス・オットーとそのパートナーであるオイゲン・ランゲンは、3種類の内燃機関を設計した。そのモデルは、失敗した1862年の圧縮エンジン、1864年の大気圧エンジン、そして今日ではガソリンエンジンとして知られる1876年のオットーサイクルエンジンである。オットーは輸送には興味がなかったため、エンジンは当初は固定設備に使用されていた。ダイムラーなどの他のメーカーは、輸送用途向けにオットーエンジンを完成させた。^{[1] [全文引用が必要] [2] [全文引用が必要] [3] [全文引用が必要]}

ニコラウス・オーガスト・オットーは若い頃、食料品店の巡回セールスマンでした。旅行中、彼はパリでベルギー人移民ジャン・ジョセフ・エティエンヌ・ルノアが製造した内燃機関に出会いました。1860年、ルノアは照明ガスで効率4%で作動する複動エンジンの開発に成功しました。18リットルのルノアエンジンはわずか2馬力しか出力できませんでした。

1861年にレノアエンジンのレプリカをテストした際、オットーは圧縮が燃料充填量に与える影響に気付いた。1862年、オットーはレノアエンジンの効率と信頼性の低さを改善するエンジンを作ろうとした。点火前に燃料混合物を圧縮するエンジンを作ろうとしたが、そのエンジンは数分も動かずに壊れてしまったため失敗した。多くのエンジニアもこの問題を解決しようとしたが、成功しなかった。^[4]

1864年、オットーとオイゲン・ランゲンは世界初の内燃機関製造会社であるNAオットー・アンド・シー（NAオットー・アンド・カンパニー）を設立した。オットー・アンド・シーは同年、大気圧エンジンの開発に成功した。^[4]

工場はスペースが不足したため、 1869年にドイツのドゥーツに移転し、そこで会社名をガスモトレン・ファブリク・ドゥーツ（ガスエンジン製造会社ドゥーツ）に変更しました。^[4]

ゴットリープ・ダイムラーが技術ディレクターを務め、ヴィルヘルム・マイバッハがエンジン設計責任者を務めた。ダイムラーは銃器職人で、以前にもレノアエンジンの開発に携わっていた。^[5]

1876 年までに、オットーとランゲンは、燃焼前に燃料混合物を圧縮し、それまでに作られたどのエンジンよりもはるかに高い効率を実現する初の内燃エンジンの開発に成功しました。

大気圧エンジンの最初のバージョンは、オイゲン・ランゲンの設計による縦溝のある柱型設計を採用していました。大気圧エンジンは、ラックとピニオンを使用してピストンの直線運動を回転運動に変換し、そのパワーストロークを上方に伝達します。このエンジンの膨張比は、1860 年のレノア エンジンよりもはるかに効果的で、エンジンに優れた効率をもたらしました。

ルノア エンジンは、燃料/混合物を圧縮せずに燃料を燃焼させるエンジンでした。オットー/ランゲン大気圧エンジンは 12% の効率で稼働し、80 RPM で 0.5  hp (0.37  kW ; 0.51  PS ) を出力しました。1867年のパリ万国博覧会での競争で、このエンジンはルノア エンジンの効率を楽々と上回り、金メダルを獲得しました。これにより、生産と販売への道が開かれ、さらなる研究資金が投入されました。

最初のバージョンでは、ラックを安定させるためにフレームが使用されていました。設計が簡素化されたため、このフレームはすぐに廃止されました。後のエンジンでは、溝付きシリンダーも廃止されました。大気圧エンジンはガス炎点火システムを使用し、出力サイズは 0.25 ～ 3  hp (0.19 ～ 2.24  kW、0.25 ～ 3.04  PS ) でした。

1872年にNAオットー&シーがガスモトレン・ファブリック・ドイツに再編されたとき、経営陣はオットーさえも無視してダイムラーを工場長に選び、8月にダイムラーはマイバッハを主任設計者として引き連れて同社に加わった。^[6]ダイムラーは生産性を向上させることができたが、オットーの垂直ピストン設計の弱点と、大気圧エンジンへのダイムラーの頑固なこだわりが相まって、同社は行き詰まりに陥った。^[7]

商業的には成功し、1875年までに年間634台のエンジンを生産していたが^[7] 、オットーとランゲンのエンジンは技術的に行き詰まりに陥っていた。出力はわずか3 馬力（2.2kW  、 3.0PS  ）で、作動には10～13フィート（3.0～4.0メートル）のヘッドルームが必要だった。^[7] 1882年、2,649台のエンジンを生産した後、大気圧エンジンの生産は中止された。この年、ゴットリープ・ダイムラーとヴィルヘルム・マイバッハが同社を去った。^[4]

14 年間の研究開発を経て、オットーは 1876 年 5 月 9 日に圧縮チャージ内燃エンジンの開発に成功しました。オットーは、燃料混合物をシリンダー内に層状に充填して、燃料を爆発的ではなく漸進的に燃焼させる方法を発見しました。彼はこれを層状チャージまたは成層チャージと呼びました。これにより、燃焼が制御され、シリンダー内でピストンが長時間押されるようになり、それまでに試みられたすべてのエンジンを破壊した爆発は起こりませんでした。燃料は、レノアや彼自身の大気圧エンジンが使用していたのと同じように、 依然として照明ガスでした。

このエンジンは、動力を生み出すために 4 つのサイクルを使用しました。現在ではオットー サイクル エンジンとして知られています。これは、1862 年に初めて試みられたエンジンと同じものです。

オットーが4ストロークサイクルに注目したのは、ゴットリープ・ダイムラーが会社に招いたフランツ・リングスとヘルマン・シュムの尽力によるところが大きい。^[7]オットーサイクルとは、オットー＆ランゲンエンジンではなく、このエンジン（オットーサイレントエンジン）のことである。これは、シリンダー内圧縮を使用する最初の商業的に成功したエンジンであった（ 1838年にウィリアム・バーネットが特許を取得）。リングス・シュムエンジンは1876年秋に登場し、すぐに成功を収めた。^[7]

圧縮エンジンのシリンダー配置は水平でした。スライダーバルブ制御とガス炎点火が特徴で、当時信頼性が低かった電気点火ではレノアが克服できなかった問題を克服しました。オットーエンジンが開発される前の15年間、出力は3馬力を超えることはありませんでした。オットーエンジンが開発されてから数年後、エンジン出力は1000馬力に達するまで上昇しました。^[4]

オットーサイクルエンジンは、最終的にリグロイン、そしてガソリン、そして多くのガスで稼働するように採用されました。第二次世界大戦中、オットーエンジンは、木材ガス、石炭ガス、プロパン、水素、ベンゼンなど、62 種類以上の燃料で稼働していました。エンジンは軽質燃料に限定されています。このエンジンの後の発展型であるディーゼルエンジンは、重質燃料と油を燃焼できます。

1884年、ドゥーツはキャブレターと信頼性の高い低電圧点火システムも開発しました。これにより、初めて液体石油燃料の使用が可能になり、輸送機関でのエンジンの使用が可能になりました。この作業は、ダイムラー・ライトヴァーゲンの元のホットチューブ点火装置に代わるキャブレターと、ロバート・ボッシュ社のマグネトーの基礎となったマグネトー点火システムを開発したゴットリープ・ダイムラーとヴィルヘルム・マイバッハの研究と並行して行われました。ダイムラーはオットーの輸送機関用エンジンの開発を継続し、ドゥーツはディーゼルエンジンに切り替えました。

1886年、ドイツ特許庁は、フランス人アルフォンス・ボー・ド・ロシャスによる4サイクルエンジンの先行特許が発見されたため、1891年ま​​で有効だったドゥーツの特許を無効にした。ドゥーツは、彼の層状吸気システムがロシャスの特許に記載されているものと異なることを証明できず、独占権と25の特許のうち1つを失った。1889年までに、50社を超える企業がオットー設計のエンジンを製造していた。^[8]

オットーエンジンには、火花を発するためのさまざまなメカニズム設計が装備されていました。オットーは、燃料を点火するために小さな電気火花を発生させる装置であるスパークプラグを使用した最初のエンジンの1つです。これは通常、電源スイッチレバーをつかんで素早く引っ張る旋回トリップアームで構成されていました。スイッチレバーは次に放され、次のサイクルに備えて元の位置に戻ります。このシステムには、現代の自動車エンジンに似た外部電気バッテリー、点火コイル、および充電システムが必要です。

その後のオットーエンジンでは、エンジンに直接小さなマグネトーを採用しました。スイッチをトリップさせる代わりに、スパークプラグ点火アームがマグネトーローターを素早く回転させ、その後、スプリングの張力で元の位置に戻ります。マグネトーコイルのこの素早い回転により、非常に短い電流が流れ、スパークプラグが点火して燃料に火が付きます。この設計には、外部バッテリーが不要という利点があり、現代のポータブルガスエンジンは、マグネトーの磁石部分をフライホイールに組み込んで動作しています。現代のポータブルエンジンは、フライホイールが回転するたびにマグネトーを励起するため、カム操作の電気スイッチを使用して、エンジンのパワーストローク以外でのプラグ点火を防止しています（無駄なスパークを参照）。

これは、オットーエンジンの速度調整の仕組みを示すデモンストレーションです。回転するボールは遠心調速機で、機械の回転速度が遅くなると、小さなホイールが左に移動し、ロッドを近くのローラーに挿入して押し上げ、燃料の吸入を開始してエンジンを 1 回転させます。

機械に負荷がかかっていて、それでも速度が遅すぎる場合、カムは挿入されたままになり、点火サイクルごとにエンジンが繰り返し点火します。エンジン速度が上昇すると、調速機が小さなホイールを右に引っ張り、シリンダー内に燃料がない状態でスパークプラグが点火し続けても、機械は燃料を噴射せずに惰性で走行します。

この速度制御方法は、ヒット・オア・ミス方式と呼ばれることがよくあります。これは、エンジンが制御速度よりも速く回転しているパワーストロークでは、エンジンが失火（燃料混合不足のため）しますが、速度が低すぎるパワーストロークではヒット（発火）するためです。失火ストロークでは燃料は使用されません。

オットー エンジンは、現代のエンジン冷却システムと同様に、シリンダー壁の周りに流水ジャケットを使用します。Western Minnesota Steam Threshers Reunionで展示されている固定式オットー エンジンはすべて、建物の外にある 1 つの大きな放熱器を共有しています。この集中化された遠隔放熱システムは、エンジン ビルディングを涼しく保つのにも役立ちます。

オットーとマネージャーのゴットリープ・ダイムラーは、オットーエンジンの将来の方向性について意見が合わなかった。オットーは定置用の大型エンジンを生産したいと考えていたが、ダイムラーは輸送に使用できるほど小型のエンジンを生産したいと考えていた。意見の不一致が続いた後、ダイムラーは1882年にオットーを離れ、ヴィルヘルム・マイバッハを連れて行った。1883年、ダイムラーとマイバッハは小型で効率的な0.5馬力のエンジンを開発した。^[9]

1885年、ダイムラーとマイバッハはオットーのアイデアに一部触発されて「グランドファーザークロック」エンジンを開発し、その周りに2輪のフレームを構築しました。^[10]これは最初の高速ガソリンエンジンでした。^[11]ダイムラーの息子ポールは、このモーター付き自転車、ダイムラーライトワーゲンに乗った最初の人物であり、これは最初の内燃機関自動車です。^[12]

ドイツは大型の定置型エンジンの生産を続け、一方ダイムラーはボート、飛行船、機関車、自動車、トラック、その他の輸送用途へと事業を拡大した。ドイツは世界最古のエンジン製造会社である。^[1]ダイムラーとマイバッハの会社であるダイムラー・モトーレン・ゲゼルシャフトは後にベンツと合併してダイムラー・ベンツとなり、自動車の商標としてメルセデス・ベンツを採用した。 ^[13]

オットーの会社であるDeutz AGは、世界最大のエンジン製造会社の一つです。^[14]事実上、世界の自動車メーカーの全てが、内燃機関、ガソリンエンジン、火花点火エンジンと呼ばれるほど普及しているオットーサイクルエンジンを搭載した車両を生産しています。^[15]

ウィキメディア・コモンズには、オットーエンジンに関連するメディアがあります。

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