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真空エンジンとは、ピストンの片側に空気圧がかかり、反対側が部分的な真空状態になっていることを利用して動力を得るあらゆる種類のエンジンを指します。この圧力差は、熱伝達によって生じる場合もあれば、外部からの力によって機械的に作り出される場合もあります。
初期のガスエンジンの中には、ニューコメン式蒸気機関と同様に「真空」または「大気圧」の原理で動作するものがあった。ガスと空気の混合気がシリンダーに吸い込まれて点火され、混合気が膨張して排気弁から一部が排出される。その後、排気弁が閉じると混合気が冷却・収縮し、大気圧によってピストンが押し込まれる。このようなエンジンは非常に効率が悪く、オットーサイクルで動作するエンジンに取って代わられた。
（別名：フレイムリッカーエンジン、フレイムエンジン、フレイムダンサー）
吸気行程の開始時、シリンダーヘッドのバルブが開き、燃焼ガスと空気の混合気が吸入されます。この混合気はバルブが閉じることで閉じ込められ、膨張します。行程の終わりに近づくと、混合気はシリンダー内の水冷または空冷された部分に接触して冷却され、急激な圧力低下が生じます。この圧力低下により、クランク側に向かって開いているピストンが戻り行程で吸い戻されます。バルブはピストンが次の行程を開始する前に燃焼ガスを排出できるよう、適切なタイミングで再び開きます。
真空モーターでは、外部ポンプによって部分的な真空が作り出されます。これらのモーターは、蒸気機関車の真空ブレーキエジェクターによって作られた真空を利用して、英国の鉄道転車台の動力源として一般的に使用されていました。動作原理は蒸気機関と似ており、どちらの場合も圧力差から動力が取り出されます。[ i ]
小型真空モーターは、自動車のワイパーの駆動にも使用されていました。この場合、モーターはマニホールド真空によって駆動されていました。この方式は、スロットルが全開の場合、ワイパーが減速したり、停止したりすることがあったため、あまり満足のいくものではありませんでした。現代の自動車は電動ワイパーを使用しています。しかし、現代の自動車でも真空モーターの一種である真空サーボが使用されています。ブレーキは油圧システムによって作動しますが、ドライバーが加える力を増幅するために「真空モーター」を使用しています。小型真空モーターは、1960年代後半から、ドアロック[ ii ] 、ヒーター制御[ iii ]、可動ボンネット換気フラップ[ iv ]などのサーボ機構の制御にも使用されていました。
自動演奏ピアノの中には、真空エンジンを使用しているものもある。
世界的な産業革命は「真空モーター」のおかげだと言えるでしょう。なぜなら、初期の蒸気機関、特に先駆的なボルトンエンジンやワットエンジンは、ほぼ大気圧の蒸気で動作していたからです。ニール・A・ダウニーが参考文献で示しているように、フライホイール、簡単な配管部品、その他のいくつかの簡単な部品を使って、簡単に真空エンジンのデモンストレーションを作ることができます。
真空システムは動力伝達に使用できますが、真空モーターに伝達できる最大動力は従来の空気圧よりも小さくなります。ダウニーも示しているように、真空動力伝達システムの動作には約 0.4 bar (8 psig) の最適圧力があります。空気圧よりも効率は劣りますが、十分に実用的です。たとえば、真空状態の22 mm ( 7 ⁄ 8 in)パイプは、8 bar (100 psig) の6 mm ( 1 ⁄ 4 in)パイプと同じ量の動力を 0.4 bar (8 psig) で伝達できます。このシステムは十分に効率的であるため、ボルトンとワットは工場で真空動力伝達を使用しました。彼らは工場の真空主配管を「スピリットパイプ」と呼んでいました。[ 1 ] [ 2 ]
理想的なオットーサイクルエンジンとは異なり、真空エンジンは燃料の燃焼によって供給される一定の熱源に依存します。前述のように、バルブによってピストン室への熱の流入が行われます。制御された体積空間内の熱量Qinが一定であると仮定すると、理想気体の状態方程式PV = nRTからピストン室の圧力が上昇することが分かります。バルブが閉じると、ピストンは下降行程中に断熱過程を経ます。ピストンが最下点に達すると、ピストン室は周囲の空気または水によって冷却され、その結果生じるQoutによってピストン内の圧力が低下します。その後、システムはピストン室内のガスの断熱圧縮を再度受け、圧縮されたガスはシリンダーの最上点でバルブによって放出され、同時に加熱された新しいガスがピストン室に流入します。
このエンジンの開発過程で直面した大きな問題の一つは、実際の用途においてこのモデルの効率が極めて低いことでした。熱源が特定の領域に閉じ込められていないため、エンジンを動かすために消費される燃料は、潜在的な燃料のごく一部に過ぎません。エンジンの効率は、行われた仕事量と消費された燃料の潜在エネルギーとの関係によって定義されるため、真空エンジンでは、燃焼した燃料のごく一部しかエンジンを動かすために使われていないことがわかります。残りの燃料エネルギーは周囲の大気に放出されます。