シリンダー
シリンダー (Cylinder) とは、英語で「円筒」を意味する単語である。
“シリンダー"と呼称されるものにはいくつかの種類があるが、本項では主にレシプロエンジンの構成部品の一つについて既述する。
「円筒」の意味から転じて、気体や液体などの流体を内部に納める筒状の部品を指す。流体を移動、あるいは流体によって作用されるためにピストンを対に持つことが多い。
「シリンダー」と呼ばれるものには以下のものがある。
注射筒。「シリンジ」と呼ぶ。
管楽器の部品。
鍵の一種。ピンタンブラー錠などシリンダー構造を持つ鍵の総称としてシリンダー錠と呼ぶ。
回転式拳銃の弾丸を収める回転輪胴。
ハードディスクの記憶単位の一つ。一般に「シリンダ」と呼ばれる。
油圧又は空気圧・水圧及び電動によって伸縮駆動する「アクチュエータ」の構成部品の一つ。それらを総称して「動力シリンダー」とも呼称される。
高圧ガス、液化ガス等を充填して持ち運ぶための耐圧容器。日本語では「ボンベ」と呼ばれることが一般的である。
熱機関の一種であるレシプロエンジンにおけるピストンを収容する金属製の筒。日本語では「気筒」と呼称される。
以下、上記2つの「シリンダー」について詳述する。
初期のエンジンにおけるシリンダーはエンジンにおいて最大の部品だった。ピストンがもたらす摩擦を如何に軽減するかについて様々な実験が行われた。蒸気エンジンでは発生する水分が減摩材として作用するため、潤滑機構は無いか、あっても簡単なものであった。
レシプロ式外燃機関のシリンダーは、燃焼室が無いため両端で対称的な構造をもつ。作動流体の熱エネルギーを膨張によって運動エネルギーに変換しピストンに伝達する。シリンダー内側は滑らかな場合が多く、ピストンにはガスケットが取り付けられ二つの部屋を分離密閉している。ピストンの運動は直線の往復運動の形で取り出され、外部のクランクによって回転エネルギーに変換している。シリンダーは付属するスライドバルブによって吸気と排気が切り替えられ、一往復で2回運動エネルギーを取り出すことができる。主に蒸気機関に用いられた。スターリングエンジンのようにシリンダーが熱交換器として作用するものもある。
レシプロ式内燃機関のシリンダーはレシプロ式外燃機関の機能を踏襲しており、基本的な構造や役目は外燃機関と似ているが、より複雑になった。
水冷エンジンにおいては外壁または二重構造による中空部でウオータージャケットを形成して冷却を行う。ピストンと共にエンジンの中枢部を構成する。
一端はピストン・シリンダーヘッドと共に燃焼室を形成し、その密閉された容積により吸気(混合気または空気)を圧縮する。
直噴式を除くガソリンエンジンでは、圧縮された混合気に電気火花で点火して爆発燃焼させる。一方、ディーゼルエンジンは圧縮された空気に燃料を高圧で噴射して自己着火させ、拡散燃焼を行う。燃焼して生じた燃焼ガスが持つ熱エネルギーによる膨張をピストンで受け運動エネルギーに変換する。
燃焼室の反対側ではピストンの運動をコネクティングロッド(コンロッド)・クランクシャフトにより回転エネルギーとして取り出すための開口部となる。
2ストロークエンジンではシリンダー壁に開けられた穴・インテークポートとエキゾーストポートにより掃気が行われる。
シリンダー内側はホーニング加工されており、クランク側から供給される潤滑油を保持しピストンが滑らかに動くよう潤滑する。ピストンには複数のピストンリングが取り付けられ気密を保ち、オイルリングでシリンダー壁面の油膜を最適に保つ。
これらエンジンのシリンダーはかつては単体の部品で、鋳鉄製の筒が一般的であった。特に空冷エンジンにおいてはシリンダーに複雑なデザインの空冷フィンを形成する関係上、フィンの製造のしやすさと、何らかの理由によりフィンが欠けた場合に容易に新品に取り替えることが出来るように、クランクケースとシリンダーが分離された構造のものが主流であった。この構造は現在でもオートバイのエンジンにおいては主流であり続けている。
一方、自動車においては現在の主力は、摺動部の耐磨耗性の観点からシリンダーライナーを導入しシリンダージャケットに圧入もしくは鋳造時に鋳込んで用い、シリンダーをクランクケースと共に一体鋳造としたシリンダーブロック方式が普及しつつある。この構造はシリンダー部単体での交換の必要性が薄い水冷エンジンの普及と共に発達し、シリンダーとクランクケースが一体化されることでエンジン全体の強度が増し、一部の用途(F1などのモータースポーツ)においては、シリンダーブロック自体をシャーシの構造材の一部として用いることも出来るようになった。
ライナーを導入しない方式はライナーレスエンジンと呼ばれるが、シリンダー内壁にニッケルシリコン合金(Nikasil:ニカシルorニカジル(商標))に代表される金属酸化物添加合金をめっき(溶射)するもので、1967年NSU・Ro80に使用され、ポルシェが1970年にレースカー(ポルシェ・917)に採用したのをはじめ、主にハイエンド仕様やレース仕様の車や小型車、オートバイを中心に普及した。ライナーレス仕様は軽量で放熱性に優れ、ピストンリングとの親和性が高いのが特徴。また、ピストンとシリンダーを同じアルミニウム合金で作ることができるため、熱膨張してもクリアランス(油隙間)が保たれ、エンジン出力の向上に寄与する。溶射部分の耐久性は鋳鉄と同等以上であり、表面にほどこされたホーニング加工をエンジン寿命の終期まで保ち続ける。一方、量産性と溶射加工時のスループットが長いことから加工コストが高くなる。
部品点数の削減と剛性の向上を図るため、クランクアッパーケースとシリンダーブロックを一体鋳造したエンジンもあり、3ピースエンジンなどと呼ばれる。
ヤマハ発動機はライナーレス方式を発展させ、シリンダーブロック全体をアルミニウム・シリコン合金(シルミン)でつくり、めっきさえも不要としたDiASil(ダイアジル)シリンダーを開発した。この方式によればメッキ方式に見られるスループットの問題は改善されるが、硬度が高く鋳造後の加工が困難となるのが欠点である。
船舶用エンジンはシリンダーボアが巨大であり、大量の空気を充填し、きわめて長いピストンストロークで、毎分数十回転で効率的に大きなトルクを獲得できるよう工夫されている。
エンジンは普通、気筒(シリンダー)の数で、シリンダー1つが「単気筒」、以降2気筒、3気筒…と分類され、さらに2気筒以上のエンジンでは、シリンダー(シリンダーバンク)の配置次第で直列または対向ピストン型、V型または水平対向、W型、X型またはH型、星型などと分類される。
一般的に、同じ配置方法であれば、シリンダー数が少ないほど部品点数が少なくなって設計・製造コストが下がりメンテナンスも簡単になるメリットがあるが、一次振動や二次振動などをシリンダーの工夫で押さえ込みにくい。また1つのシリンダーをあまり大きくすると強度、振動、燃焼効率などに影響があり、火花点火エンジンでは火炎伝播速度の限界で高回転化もできないため、大型化にも限度があり、すなわち高出力エンジンを作ることが難しくなる。
逆にシリンダー数が多くなると燃焼間隔が密になり、エンジンの回転が滑らかになる。シリンダー1つあたりの容積が同じでもシリンダー数が増えることで排気量が大きくなり、大トルク・高出力のエンジンを作ることができる。
反面、寸法、重量、部品点数の増加を招いて高コスト化し、エンジン内部の摩擦損失が増え、メンテナンスにも手間がかかるようになる。また、同じ排気量の場合、シリンダー数が多くなると上記の摩擦損失に加え、シリンダー内部の表面積も増えるため、熱効率が低くなる。
シリンダー数は、一般的に、エンジンのタイプ(ガソリンエンジンなのかディーゼルエンジンなのか、2ストロークなのか4ストロークなのか)エンジンが搭載されるもの(船舶なのか航空機なのか発電機なのか、軍用か民生用かなど)、排気量、求められる出力などによって決まる。小型発電機であれば単気筒や2気筒、オートバイは単気筒から6気筒、自動車は昔の軽自動車(360 cc時代)は2気筒、現在の軽自動車は3気筒が主流で、普通自動車は2気筒から8気筒が主流(大型自動車は6気筒から12気筒、高級車やスーパーカーでは10気筒、12気筒、16気筒など)、鉄道車両は2気筒から16気筒程度(中には18気筒36ピストンのものも)、航空機は2気筒から液冷V型12気筒、X型・H型の24気筒、空冷四重星型の28気筒、上下対向12気筒24ピストンまで様々ある。
直列2気筒 昔の軽自動車やオートバイ、モーターボートで用いられる
直列3気筒 現在の軽自動車や1.0 L程度の小型車(リッターカー)で主に用いられる
直列4気筒 大衆車/普通自動車、オートバイ、小型プレジャーボートで主に用いられる
直列5気筒 2.0 - 3.5 Lクラスの乗用車・ライトトラック/SUVで主に用いられ、大型自動車では6.0 L超もあった
直列6気筒 2.0 - 5.0 Lクラスの乗用車/ライトトラック/プレジャーボート、6.0 L以上の大型自動車/船舶、10.0 L以上の鉄道車両/船舶で主に用いられる
直列8気筒 第二次世界大戦前の高級車、GTカーやレーシングカーに用いられたほか、鉄道車両にも用いられた
直列9気筒 船舶用がほとんどであり、それを流用した発電用もある
V型2気筒 オートバイで主に用いられる
V型3気筒 2ストロークのオートバイで主に用いられる
V型4気筒 オートバイで主に用いられる
V型5気筒 レース用オートバイ ホンダRC211Vに採用されている
V型6気筒 2~3Lクラスの乗用車や航空機に用いられる
V型8気筒 3~5Lクラスの乗用車に用いられる
V型10気筒 5~6Lクラスの乗用車に用いられる
V型12気筒 5~6Lクラスの乗用車に用いられる
水平対向 シリンダー配置はバンク角180度のV型エンジンと変わらないが、クランクシャフトの形状が異なり、向かい合うシリンダーのピストンが拳を打ち合うような動きをするもの。
水平対向2気筒 BMW社のオートバイで最も多く使われる。空冷のものが多く、大衆車や軽飛行機にも用いられる
水平対向4気筒 空冷ではフォルクスワーゲンとポルシェのリアエンジン用が有名。スバルのインプレッサやレガシィに積まれるEJ20がこのタイプ。小型航空機にも用いられる。
水平対向6気筒 ポルシェ・911の代名詞。スバルのアルシオーネSVX、ポルシェ911や一部鉄道車両にも使われる。またバイクではホンダのゴールドウイングにも用いられている。
それ以上の気筒の水平対向エンジンが主に鉄道車両に積まれている。
星型エンジン 航空機に用いられていたが、オートバイなどにもごく一部用いられた