レシプロエンジン

往復動エンジンはピストンエンジンとも呼ばれ、典型的には1つ以上の往復ピストンを使用して高温高圧を回転運動に変換する熱機関である。^[1]この記事では、すべてのタイプの共通の特徴について説明します。主なタイプは、自動車で広く使用されている内燃機関、産業革命の主力である蒸気エンジン、およびニッチな用途向けのスターリングエンジンです。内燃機関はさらに2つの方法に分類されます。スパークプラグが燃焼を開始する火花点火 (SI) エンジンと、シリンダー内の空気が圧縮されて加熱され、加熱された空気がその時点またはそれ以前に噴射された燃料に点火する圧縮着火 (CI) エンジンです。^{[2] [3] [4] [5] [6]}

ピストンは 1 個または複数個あります。各ピストンはシリンダー内にあり、その中にガスが導入されます。ガスは、既に加圧されているか (例:蒸気エンジン)、または燃料と空気の混合物の点火によってシリンダー内で加熱されるか(内燃機関)、シリンダー内の高温の熱交換器との接触によって加熱されます (スターリング エンジン)。高温のガスは膨張し、ピストンをシリンダーの底まで押し下げます。この位置は下死点(BDC)とも呼ばれ、ピストンがシリンダー内で最大容積を形成する場所です。ピストンは、フライホイール、同じシャフトに接続された他のピストンからの動力、または (複動シリンダーでは) ピストンの反対側に作用する同じプロセスによってシリンダー上部 (上死点) (TDC) に戻されます。ここが、ピストンがシリンダー内で最小容積を形成する場所です。ほとんどのタイプでは、膨張したガスまたは「排気された」ガスは、このストロークでシリンダーから除去されます。例外はスターリング エンジンで、これは同じ量の密封されたガスを繰り返し加熱および冷却します。ストロークとは、単純に TDC と BDC の間の距離、つまりピストンが一方向に移動できる最大距離のことです。

いくつかの設計では、ピストンはシリンダー内で両方向に駆動され、その場合には複動式と呼ばれます。

ほとんどのタイプでは、ピストンの直線運動は、コネクティング ロッドとクランク シャフト、またはスワッシュ プレートなどの適切なメカニズムによって回転運動に変換されます。フライホイールは、滑らかな回転を確保したり、サイクルの非動力部分でエンジンを動かすためのエネルギーを蓄えたりする目的でよく使用されます。往復エンジンのシリンダー数が多いほど、一般に振動のない (スムーズな) 動作が可能になります。往復エンジンのパワーは、ピストンの排気量の合計に比例します。

ピストン上部の高圧ガスが漏れてエンジンの効率を低下させないように、スライドピストンとシリンダー壁の間にシールを作らなければなりません。このシールは通常、1 つ以上のピストンリングによって行われます。これらは硬質金属で作られたリングで、ピストンヘッドの円形の溝にスプリングで取り付けられています。リングは溝にぴったりと収まり、シリンダー壁に軽く押し付けられてシールを形成し、より高い燃焼圧力がリングの内側表面に移動すると、より強く押し付けられます。

このようなエンジンは、シリンダーの数と配列、およびシリンダー内のピストンの運動によるガスの総排気量（通常は立方センチメートル（cm ³または cc）またはリットル（l）または（L）（米国：リットル）で測定される）によって分類するのが一般的です。たとえば、内燃機関の場合、単気筒または2気筒の設計はオートバイなどの小型車両では一般的ですが、自動車では通常4〜8気筒、機関車や船舶では12以上の気筒があります。シリンダー容量は、模型エンジンの10 cm ³以下から船舶エンジンの数千リットルまでの範囲にわたります。 ^[7]

圧縮比は、ほとんどのタイプの往復エンジンの性能に影響します。これは、ピストンがストロークの一番下に位置するときのシリンダーの容積と、ピストンがストロークの一番上に位置するときの容積の比率です。

ボア/ストローク比は、ピストンの直径、つまり「ボア」とシリンダー内の移動距離、つまり「ストローク」の比です。この値が 1 前後の場合、エンジンは「スクエア」と呼ばれます。1 より大きい場合、つまりボアがストロークより大きい場合、エンジンは「オーバースクエア」です。1 より小さい場合、つまりストロークがボアより大きい場合、エンジンは「アンダースクエア」です。

シリンダーは、一列に並べたり、V字型に並べたり、水平に向かい合ったり、クランクシャフトの周りに放射状に並べたりすることができます。対向ピストンエンジンでは、2つのピストンが同じシリンダーの両端で作動し、これはネイピアデルティックなどの三角形の配置にまで拡張されました。ロータリーエンジンなど、一部の設計ではシリンダーがシャフトの周りを回るように設定されています。

一部の蒸気エンジンでは、シリンダーのサイズが異なっており、最も小さい内径のシリンダーで最高圧力の蒸気が作動します。この蒸気は、1 つまたは複数の内径の大きいシリンダーに順次送られ、圧力を徐々に下げながら蒸気から動力を取り出します。このようなエンジンは複合エンジンと呼ばれます。

エンジンが生み出せるパワーを見る以外に、平均有効圧力 (MEP) は、同じサイズの往復エンジンのパワー出力と性能を比較するのにも使用できます。平均有効圧力は、パワー ストローク サイクル中に生成された正味仕事量と同じ量を生成する架空の圧力です。これは次のように示されます。

${\displaystyle W_{net}={\text{MEP}}\cdot A_{p}S={\text{MEP}}\cdot V_{d}}$

ここで、はエンジンの全ピストン面積、はピストンのストロークの長さ、はエンジンの全排気量です。したがって、 ${\displaystyle A_{p}}$${\displaystyle S}$${\displaystyle V_{d}}$

${\displaystyle {\text{MEP}}={\frac {W_{net}}{V_{d}}}}$

MEPの値が大きいエンジンは、サイクルあたりの純作業量が多くなり、より効率的に動作します。^[2]

蒸気エンジンや内燃機関では、ピストンサイクルの適切なタイミングでガスを出入りさせるためにバルブが必要です。これらは、エンジンのシャフトで駆動されるカム、偏心器、またはクランクによって作動します。初期の設計ではD スライド バルブが使用されていましたが、ピストン バルブやポペット バルブの設計に大きく取って代わられました。蒸気エンジンでは、ピストン サイクルで蒸気入口バルブが閉じるポイントをカットオフと呼び、これを制御することでエンジンのトルクを調整し、効率を向上させることができます。一部の蒸気エンジンでは、バルブの動作を振動シリンダーに置き換えることができます。

内燃エンジンは、シリンダーへのガスの出し入れを行う一連のストロークによって作動します。これらの動作は周期的に繰り返され、サイクルを完了するのに必要なストロークの数に応じて、エンジンは2 ストローク、4 ストローク、または6 ストロークと呼ばれます。

最も一般的なタイプは 4 ストロークで、次のサイクルがあります。

1. 吸気: 誘導または吸引とも呼ばれます。ピストンのこのストロークは上死点 (TDC) で始まり、下死点 (BDC) で終わります。このストロークでは、吸気バルブは開位置にある必要があり、ピストンは下降運動によってシリンダー内に真空圧を発生させ、空気と燃料の混合物をシリンダー内に引き込みます。ピストンは下降運動によって空気が吸い込まれるため、下降します。
2. 圧縮: この行程は下死点 (BDC) または吸入行程の終わりで始まり、上死点 (TDC) で終わります。この行程では、ピストンは空気と燃料の混合物を圧縮して、パワー行程 (下記) 中の点火に備えます。この段階では、吸気バルブと排気バルブの両方が閉じています。
3. 燃焼: 動力または点火とも呼ばれます。これは、4 ストローク サイクルの 2 回目の回転の開始です。この時点で、クランクシャフトは 360 度回転を完了しています。ピストンが TDC (圧縮行程の終了) にある間に、圧縮された空気と燃料の混合物が点火プラグ(ガソリン エンジンの場合) または高圧縮によって発生した熱 (ディーゼル エンジンの場合) によって点火され、ピストンが強制的に BDC に戻ります。この行程により、エンジンからクランクシャフトを回転させる機械的な作業が発生します。
4. 排気: 出口とも呼ばれます。排気行程中、ピストンは排気バルブが開いた状態で再び BDC から TDC に戻ります。この動作により、使用済みの空気と燃料の混合気が排気バルブから排出されます。

往復エンジンは、18 世紀にヨーロッパで開発され、最初は大気圧エンジンとして、その後蒸気エンジンとして発展しました。19世紀には、これに続いてスターリング エンジンと内燃エンジンが登場しました。今日、往復エンジンの最も一般的な形式は、ガソリン、ディーゼル、液化石油ガス(LPG)、または圧縮天然ガス(CNG) の燃焼で稼働する内燃エンジンであり、自動車やエンジン発電所の動力源として使用されています。

第二次世界大戦時代の有名な往復エンジンの 1 つに、28 気筒、3,500 馬力(2,600 kW)のPratt & Whitney R-4360 Wasp Major星型エンジンがあります。このエンジンは、1944 年以降にジェット エンジンとターボプロップ エンジンが主流となる前の、大型ピストン エンジン搭載飛行機の最終世代に搭載されていました。エンジンの総排気量は 71.5 L (4,360 立方インチ) で、高い出力対重量比を誇りました。

現在生産されている最大の往復動エンジンは、 2006年にWärtsiläが製造したWärtsilä-Sulzer RTA96-C ターボチャージャー付き2ストロークディーゼルエンジンですが、これまでに製造されたエンジンの中では最大ではありません。このエンジンは、 Emma Mærskなどの現代の最大のコンテナ船に動力を供給するために使用されています。このエンジンは高さ5階建て（13.5メートルまたは44フィート）、長さ27メートル（89フィート）、重量は2,300メートルトン（2,500ショートトン）を超え、最大の14シリンダーバージョンでは84.42MW（114,800 bhp）を超える出力を発揮します。各シリンダーの容量は1,820リットル（64立方フィート）で、最大バージョンでは合計容量が25,480リットル（900立方フィート）になります。

ピストンエンジンの場合、エンジンの容量はエンジン排気量、つまり、エンジンのすべてのピストンが一度の動きで掃引する容積です。通常、大型エンジンの場合はリットル(l) または立方インチ (cid、cu in、またはin ³ ) で測定され、小型エンジンの場合は立方センチメートル (cc と略記) で測定されます。他の条件が同じであれば、容量が大きいエンジンの方が強力で、それに応じて燃料の消費量も増加します (ただし、これはすべてのレシプロエンジンに当てはまるわけではありません)。ただし、出力と燃料消費量は、エンジン排気量以外の多くの要因によって影響を受けます。

往復エンジンは、その比出力によって特徴付けられます。これは通常、エンジン排気量1 リットルあたりのキロワット数(米国では立方インチあたりの馬力) で表されます。この結果は、エンジンのピーク出力の近似値を提供します。これを燃料効率と混同しないでください。効率が高いと、燃料と空気の比率が希薄になることが多く、したがって出力密度が低くなるためです。現代の高性能自動車エンジンは、75 kW/L (1.65 hp/in ³ ) を超える出力を生み出します。

圧縮空気、蒸気、またはその他の高温ガスで駆動する往復エンジンは、現代の多くの魚雷の駆動や無公害の動力源としてなど、いくつかの用途で今でも使用されています。蒸気駆動の用途の大半は、ピストンエンジンよりも効率的な 蒸気タービンを使用しています。

フランス設計のFlowAIR車両は、シリンダー内に蓄えられた圧縮空気を使用して往復エンジンを駆動し、局所的に汚染のない都市型車両です。^[8]

魚雷は、燃焼せずに加圧する高圧過酸化水素またはオットー燃料 IIによって生成される作動ガスを使用する場合があります。たとえば、230 kg (510 lb)のマーク 46 魚雷は、酸化剤なしのオットー燃料で時速 74 km (46 mph) で水中を 11 km (6.8 mi) 移動できます。

量子熱エンジンは、高温の貯蔵庫から低温の貯蔵庫に流れる熱から電力を生成する装置です。エンジンの動作メカニズムは、量子力学の法則によって説明できます。 量子冷蔵庫は、低温の貯蔵庫から高温の​​貯蔵庫に熱を送り出す目的で電力を消費する装置です。

往復量子熱機関では、スピンシステムや調和振動子などの量子システムが作動媒体となる。最も研究されているのはカルノーサイクルとオットーサイクルである。 ^{[9]量子バージョンは}熱力学 の法則に従う。さらに、これらのモデルは 内可逆熱力学の仮定を正当化することができる。理論的研究では、単一の振動原子からなる往復エンジンを構築することは可能であり、実用的であることが示された。これは将来の研究分野であり、ナノテクノロジーへの応用が期待される。^[10]

ピストン エンジンには、さまざまな利点があると主張される珍しい種類が多数存在しますが、その多くは現在ほとんど使用されていません。

• バークエンジン
• フリーピストンエンジン
• IRISエンジン
• 対向ピストンエンジン
• 軸流エンジン
• カムエンジン^[11]
• 回転シリンダーエンジン^[12]
• スイングピストンエンジン
• 熱磁気モーター

• 燃焼ビデオ – 光学的にアクセス可能な2ストロークエンジンのシリンダー内燃焼
• HowStuffWorks: 自動車エンジンの仕組み
• Infoplease のレシプロエンジン。
• 米国飛行100周年記念委員会のピストンエンジン。