スイングピストンエンジン

スイングピストンエンジンは、リング状の「シリンダー」内でピストンが円運動し、互いに近づいたり離れたりして圧縮と膨張を行うタイプの内燃機関です。通常、2 組のピストンが使用され、シリンダーの周りを回転するときに固定された関係で動くようにギアが取り付けられています。一部のバージョンでは、ピストンはエンジン全体の周りを回転するのではなく、固定された中心の周りを振動します。この設計は、ピストンが回転ではなく振動する場合は振動ピストンエンジン、振動エンジン、または「シリンダー」の形状に基づいて トロイダルエンジンとも呼ばれています。

スイングピストンエンジンは数多く提案されているが、どれも成功していない。2010年頃の2つの試みは、アメリカ製のMYTエンジンのプロトタイプ^[1]と、 Yo-Mobileハイブリッドカーに使用するためのロシアのOREエンジンのプロトタイプである。どちらも高い燃費と高いパワーウェイトレシオを主張していたが、主張されている効率やエンジンが実用に耐えるほど耐久性があるという実証は成功していない。

スイングピストンエンジンは、蒸気タービンが広く導入される前の1820 年代に、蒸気エンジンの代替設計として最初に導入されました。これらの例では、「ピストン」は現代の内燃機関設計のように円筒形ではなく、上から見ると断面が長方形で、平らなディスク「シリンダー」内で回転します。側面から見ると、平らなプレートまたはパイウェッジ形です。これらの場合、「スイングピストン」という用語は完全に正確ではありませんが、動作サイクルは同じであり、ここでは適切に考慮されます。

知られている最初の例は、1829年にイライジャ・ギャロウェイが船舶の推進用に導入したものです。270度回転する単一の羽根が特徴でした。このバージョンは製造されなかったようですが、模型が今でもサイエンス・ミュージアムに残っています。ギャロウェイは、羽根を使用したさまざまな純粋なロータリーエンジンも設計しました。^[2]

より本格的な試みは、1841年にジョン・ジョーンズが考案した「カンブリアン・システム」である。この設計では、サイクルが続くにつれて、ギアが取り付けられた2枚または3枚の平らなプレートが使用され、プレートは接近または離間する。プレートが最も近い位置にあるとき、バルブを使用してプレート間に蒸気が供給され、サイクルが続くにつれてプレートが押し広げられる。プレートが最大距離に達すると、内部の通路が露出し、部分的に膨張した蒸気が装置の中心を横切って、最小距離にある羽根の反対側の領域に流れる。このように、この設計は実質的に複合エンジンであった。^[2]

その後多くのバリエーションが生まれ、そのいくつかは現場で限定的に使用された。その中でも注目すべきは、 1843年のジョン・エリクソンの設計で、米国初のスクリュー駆動蒸気船であるUSSプリンストンに搭載された。チャールズ・パーソンズはその概念を検討し、蒸気タービンに移る前に2つのスイングピストンエンジンの設計を作成したようだ。ルーツ兄弟は独自のタイプのスイングピストンエンジンを設計したが、彼らはスーパーチャージャーの設計でよく知られている。^[2]

内燃式スイングピストンエンジンが実際に量産されたことがあるかどうかは不明だが、最も近い試みはドイツのオットー・ルッツ [de]による第二次世界大戦時代の設計と思われる。彼の設計は合計6つのピストンを持ち、それぞれ3つが2つのディスクに取り付けられていた。ディスクは互いにギアリングされており、ピストン間に6つのチャンバーを形成していたため、ある時点では3つのチャンバーの1セットが「接近」し、もう1つの3セットは「大きく離れ」、ディスクが回転するにつれてその2つの極端な状態の間で変化する。タイミングは、チャンバーが点火プラグ上で「接近」し、吸気ポートと排気ポート上で「大きく離れる」ように調整された。この動作はヴァンケルエンジンに似ているが、主な違いはヴァンケルはピストンの相対運動ではなく、エンジンとローターの形状によって圧縮と膨張を生み出すことである。

ルッツのエンジンは、従来の遠心圧縮機や軸流圧縮機を彼のスイングピストン設計に置き換える新しいタイプの航空機エンジン用の実験的なガス発生器として設計されていました。最終的には、排気ガスを利用してタービンを駆動し、その動力でプロペラを駆動してターボプロップ機を生成します。この用途では、当時入手可能な材料では排気ガスがタービンに直接使用するには高温すぎたため、エンジンには第 2 の「排気ポート」があり、そこから加圧された冷たい空気を排出し、高温の排気ガスと混合しました。タービンを駆動するのではなく、直接動力を使用する場合は、エンジンのこの「第 3 の領域」を単に空気に開放しておくことで、不要な圧縮による動力損失を回避できます。

初期のテストエンジンには、特に密閉に関する小さな問題がいくつかありましたが、これらは解決され、エンジンは 1944 年中にテストされました。スイングピストンエンジンの特に優れた特徴の 1 つは、共通のクランクシャフトに沿って背中合わせにボルトで固定して、より大きなエンジンにできることです。段階を追加するごとに動作がスムーズになり、大きくする必要があるのはクランクシャフトだけです。星型エンジンで同様の配置を行うのは、一般的に配置がより難しく、特に冷却が難しく、直列エンジン配置のものはすぐに長くなりすぎて、クランクシャフトの振動を抑えることが深刻な問題になります (例として 、クライスラー IV-2220を参照)。

ルッツの設計による各「シリンダー」は直径 0.70 m、深さはわずか約 30 cm で、140 kg から 445 馬力を発揮し、当時のジェット エンジンと比較しても優れたパワー ウェイト レシオでした。彼のターボプロップ コンセプトには 5 ブロック バージョンが提案され、約 2 m の長さのエンジンから 3,450 馬力を発揮しました。パワー ウェイト レシオは良好でしたが、エンジンの 密度はまさに最高でした。

ターボプロップ機は全体的に、ピストン式というよりジェットエンジンによく似ていました。長いナセルの中央にスイングピストン式ガス発生器があり、その前には 5 段の軸流式コンプレッサー、後ろには 3 段のタービンがありました。コンプレッサーはピストンエンジンの過給機としてだけでなく、タービンを冷却するための冷気の供給にも使用されました。ピストンとタービンの両方を合わせたプロペラの実際の出力は、高度 10,000 m で 4,930 馬力で、ドイツの戦時中のプロジェクトよりもはるかに大きかったです。

シンプルさが主な利点であるエンジンの新バージョン、ターボプロップエンジンの製造に、なぜこれほど複雑な作業が必要だったのでしょうか。従来のジェットエンジンの主な問題は、燃焼が開放室で行われることです。開放室では、容積が一定（またはそれに近い）であるピストンエンジンの密閉室よりも効率がかなり悪くなります。ピストンエンジンで使用されるオットーサイクルまたはディーゼルサイクルは、低速での従来のガスタービンエンジンのブレイトンサイクルよりも燃料消費率がはるかに低くなります。ルッツの設計は、燃費がシンプルさと性能よりも重要となる超長距離爆撃機と哨戒機に動力を供給することを目的としていました。

ルッツは後にこの設計を「ロータリーコンプレッサーとその他のエンジン」として特許を取得し、米国特許2,301,667となった。^{[3] [4]}

ルッツの設計は、このようなエンジンを製造する唯一の方法ではありません。BMWは、燃焼室にポペット バルブを備えた従来のエンジンを試しました。このエンジンは、以前にも実験で何度も使用されていました。まったく別のアプローチとしては、排気熱の一部を熱交換器で回収し、それを燃料の代わりに使用して圧縮空気を加熱するというものがあります。このコンセプトは、ゼネラル モーターズが自動車のタービン シリーズで使用しています。ただし、一般的には、基本的なピストン エンジンの「低出力」用途での改良により、これらの高度な設計はいずれも市場に出回っていません。

1990年代には、多くの発明家がこのコンセプトをあたかも新しいものであるかのように再導入した。例としては、エンジェルラボの^[5]「巨大だが極小」エンジン、ロトブロック^[6]、ラウンドエンジン^[7]、トロキリックエンジン、およびチュディとフースによる設計がある。^{[8] [9]} 2009年、ロシアの億万長者実業家ミハイル・プロホロフは、この設計を原動機として一連の軽量ハイブリッド車両で自動車事業に参入する計画を発表した。^[10]ハイブリッド市場を狙った最近のもう1つの導入は、「ヒュットリン・クーゲルモーター」で、スイングピストンのコンセプトと改良されたスワッシュプレートを組み合わせて、内部の電気発電機に直接電力を供給する球形設計を生み出している。^[11]タウロッツィ振り子エンジンは、トロイドの形状に沿ったシリンダーを備えているが、それ以外は従来の往復エンジンに似ている。^[12]

チュディエンジンは「猫とネズミのエンジン」または「シザーエンジン」としても知られています。^[13]

• フリーピストンエンジン
• 対向ピストンエンジン
• 振動シリンダー蒸気エンジン

• [1]
• ユーチューブ
• フランキー・デヴァエールのトロイダルエンジン