機関 (機械)
機関(きかん)は、ある形態のエネルギーを力学的運動(力学的エネルギー)に変換するために設計された機械である。エンジン(engine)またはモーター(motor)とも呼ばれる。内燃機関や蒸気機関(外燃機関)などの熱機関は、燃料を燃焼させて熱を作り出し、この熱から仕事として力学的エネルギーを取り出す。電動機は電気エネルギーを機械的運動へと変換する。空気機関は圧縮空気の圧力エネルギー(エンタルピー)を使い、ぜんまい仕掛けのおもちゃなどのぜんまい仕掛けは弾性歪エネルギーを回転運動や直線運動へ変換する。生物系において、筋肉中のミオシンのような分子モーターは化学エネルギーを用いて、骨格の力学的な運動を作り出す。
日本語のエンジンは英語由来の外来語である。英語の「engine」という用語は古フランス語の「engin」、ラテン語の「ingenium」に由来する。カタパルトやトレビュシェット、破城槌といった産業革命前の戦争兵器(攻城兵器)は英語で「siege engine」と呼ばれており、それらをどのように建造するかという知識はしばしば軍事機密として扱われた。産業革命期に発明されたほとんどの機械装置はエンジンと呼ばれる。蒸気機関(steam engine)が顕著な例である。
現代的用法では、英語の「engine」という用語は典型的には、蒸気機関や内燃機関のように、トルクあるいは(大抵は推力の形態で)直線力を与えることによって力学的仕事を行うために燃料を燃焼ないしは別の方法で消費する装置を言い表わす。トルクを与えるエンジンの例は馴染み深い自動車ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの他、ターボシャフトエンジンがある。推力を生み出すエンジンの例はターボファンやロケットである。
内燃機関が発明された時、英語の「motor」は当初それを蒸気機関と区別するために使用されていた。当時蒸気機関は、機関車や蒸気ローラーといったその他の乗り物の動力として広く使用されていた。「Motor」と「engine」は後に日常会話では区別せずに使われるようになった。しかしながら、厳密には、2つの単語は異なる意味を持つ。「Engine」は燃料を燃焼ないしは別の方法で消費してその化学組成を変化させる装置であるのに対して、「motor」は電気、空気圧、液圧によって駆動する装置であり、そのエネルギー源の化学的組成を変化させない。しかしながら、高出力模型ロケットでは、燃料を消費するにもかかわらずロケットモーターという用語が使われる。
熱機関は「原動機」としても機能する。原動機とは流体の流れあるいは圧力の変化を力学的エネルギーへと転換する構成要素である。内燃機関によって駆動される自動車は様々なモーターおよびポンプを利用することができるが、結局のところはそういった全ての装置はエンジンから動力を得ている。もう一つの見方は、モーターは外部源から動力を受け取り、次にそれを力学的エネルギーへ変換するのに対して、エンジンは圧力から動力を作り出している点である(圧力は燃焼あるいはその他の化学反応の爆発力から直接的に、または空気、水、蒸気といったその他の物質への何らかの力から二次的に得られる)。
熱エネルギーを運動へと変換する装置は通常単に「engine」と呼ばれる。
注:子節「産業革命」以降は、熱機関にかかる記載が中心となっており、それ以外に分類される機関についても記載されるべきではあるが未記載の状況である。
槌矛や櫂(てこの例)といった単純機械は先史時代のものである。人力、畜力、水力、浮力、また蒸気動力でさえも用いるより複雑な機関は古代に遡る。キャプスタン、ウインドラス(どちらも巻き揚げ機の一種)、踏み車といったロープ、滑車、滑車装置を用いる単純な機関の使用には人力が必要であった。この動力は大抵力は増加され、速さは減速されて伝達される。これらは古代ギリシャにおいてクレーンや運搬船で用いられ、古代ローマにおいて鉱山や水ポンプ、攻城兵器で用いられた。ウィトルウィウス、フロンティヌス、大プリニウスを含む当時の著述家らはこれらの機関をありふれたものとして扱っていることから、それらの発明はより古いと考えられる。紀元1世紀までには、それ以前の時代には人力で駆動されていたものと類似した機械を駆動させるために、粉砕機と共にウシとウマが使われていた。
ストラボンによれば、水駆動の粉ひき器は紀元前1世紀中にミトリダテの王国のカベリアに建造された。粉ひき器への水車の利用は続く数世紀にもわたってローマ帝国の至る所に広まった。あるものは非常に複雑で、水量を維持し水を引くために水道橋やダム、水門と、回転の広がりを制御するための木製および金属製の歯車機構を備えていた。アンティキティラ島の機械といったより洗練された小型の装置は、暦として機能するためや天文学的出来事を予測するために複雑な歯車とダイアルを用いた。4世紀のアウソニウスによる詩におい、アウソニウスは水によって駆動する石切のこぎりについて言及している。アレクサンドリアのヘロンは1世紀にアイオロスの球や自動販売機を含むこういった風および蒸気駆動の多くの機械を発明したとされている。しばしばこれらの機械は、動く祭壇や寺院の自動扉といった礼拝と関連していた。
中世のイスラム教徒技術者は、粉ひき機と揚水機械に歯車を利用し、水車と揚水機械に追加の駆動力を与えるためにの水力源としてダムを用いた。中世イスラム世界では、こういった進歩により、それ以前は肉体労働によって行われていた多くの工業用業務の機械化が可能となった。
1206年、アル=ジャザリーは揚水機械のためにクランク-コネクティングロッド機構を利用した。初歩的な蒸気タービン装置は1551年にタキ=アルジンによって、1629年にジョヴァンニ・ブランカによって記述された。
13世紀、固体ロケットモーターが中国で発明された。火薬によって駆動するこの最も単純な内燃機関は持続する駆動力を産むことはできなかったが、戦闘において高速で敵に向かう推進兵器のためや花火のために有用であった。発明後、この発明はヨーロッパ中に広まった。
ワットの蒸気機関は、部分的な真空の助けによりピストンを駆動させるために大気圧より少し上の圧力の蒸気を利用する最初の蒸気機関であった。1712年のニューコメンの蒸気機関の設計を改良し1763年から1775年までの間に散発的に発展したワットの蒸気機関は、蒸気機関の発展における大きな一歩であった。燃料効率が劇的に向上したジェームズ・ワットの設計は蒸気機関の代名詞となった。これにはワットのビジネスパートナーであったマシュー・ボールトンも少なからず貢献した。ワットの蒸気機関により、水力が利用できなかった土地において以前では想像できない規模の効率的な半自動化された工場が急速に発展した。後の開発により、蒸気機関車や鉄道輸送の大幅な拡大が起こった。
内燃ピストン機関に関しては、1807年にフランスでド・リヴァとニエプス兄弟によってそれぞれ独立に試験された。それらは1824年にカルノーによって理論的に前進したMay 2011。1853年から1857年、エウジェーニオ・バルサンティとフェリーチェ・マッテウッチは初の4サイクル機関であった可能性のあるフリーピストン原理を使用した機関を発明し特許を取った。1877年のオットーサイクルは、蒸気機関よりもはるかに高い出力重量比を与えることができ、車や飛行機といった多くの輸送用途に対してよりうまく機能した。
カール・ベンツによって作られた初めて商業的に成功した自動車は、軽量で強力な機関に対する関心を増大させた。4ストロークオットーサイクルで作動する軽量ガソリン内燃機関が軽量自動車で最も成功を収めているのに対して、より効率的なディーゼル機関はトラックおよびバスで使われている。しかしながら、近年は、ターボディーゼル機関が人気を増してきている。
1896年、カール・ベンツは水平対向ピストンを持つ初のエンジンの設計の特許を取得した。ベンツの設計では、対応するピストンが水平の気筒中を移動し、同時に上死点に到達する。ゆえに、個々の運動量に関して互いに自動的に釣り合いが取れる。この設計の機関はその形状と低い姿勢のためしばしばフラットエンジンと呼ばれる。フラットエンジンはフォルクスワーゲン・ビートルや、一部のポルシェ車およびスバル車、多くのBMWおよびホンダのオートバイ、航空機用エンジンで過去あるいは現在用いられている。
自動車で内燃機関が使用され続けたのは、部分的には機関制御システム(機関管理プロセスと燃料噴射の電子的制御を提供する搭載コンピュータ)の改良によるものである。ターボ過給および過給による強制的空気取り入れは出力と機関効率を向上させてきた。同様の変更はより小さなディーゼル機関にも適用され、ガソリン機関とほぼ同じ出力特性がディーゼル機関でも実現された。これはヨーロッパにおいて小型のディーゼル機関駆動車が人気を博していることから特に明白である。より大型のディーゼル機関はほとんどの工場では利用不可能な特殊機械加工を必要とするものの、今でもトラックや重機でしばしば使用されている。ディーゼル機関はガソリン機関よりも炭化水素とCO2の排出量が少ないが、粒子状物質とNOx汚染はより大きい。ディーゼル機関は比較できるガソリン機関よりも燃料効率が約40%高い。
20世紀の前半は、特にアメリカ製モデルAs opposed to what models?で機関出力が増大する傾向を見た。効率を向上させるための気筒内の圧力の増大、機関の大きさの増大、そして機関が仕事を生み出す速度の増大を含む機関の排気量を挙げるための知られている全ての方法が設計変更に組み入れられた。これらの変更によって作り出されるより高い力と圧力は、機関の振動と大きさの問題を生み出し、これによって(それまでの直列形配置を置き換える)V字あるいは対向形に気筒が配置されたより硬く、よりコンパクトな機関が作られることとなった。
ヨーロッパで好まれる設計方針は、より小さく曲がりくねった道路といった経済的およびその他の制約のために、より小型の車ならびにより小型の機関の燃焼効率を高めることに集中した設計方針に相当するものに傾いた。これにより、初期の40馬力(30 kW)の4気筒設計経済的な機関や80馬力(60 kW)と出力の低い6気筒設計を持つより経済的な機関が生産された。それと比較すると、大型のV-8アメリカ製機関は、250-350馬力、時には400馬力を超える出力であったWhat time period is this paragraph about?February 2010。
初期の自動車の機関の発達によって、今日一般的に使用されているよりもかなり大型の機関が産み出された。それらの機関は1から16気筒設計で、それぞれの相当する全体の大きさ、重量、排気量、ボアを持っていた。4気筒で19-120馬力(14-90 kW)の出力の機関は、大半のモデルによって追随された。複数の3気筒、2ストロークサイクルのモデルも作られたが、ほとんどの機関は直列形の配置を取っていた。複数のV型モデルならびに水平対向2および4気筒も存在した。オーバーヘッド・カムシャフトも頻繁に採用された。より小型の機関は通常空冷式で、乗り物の後方に置かれた。圧縮比は比較的低かった。1970年代と1980年代は、燃費の向上に興味が持たれ、それによって、効率を改善するために気筒あたり5つのバルブを持つより小型のV-6ならびに4気筒配置への回帰が起こった。ブガッティ・ヴェイロン16.4はW型16気筒機関で動作する。W18機関は2つのV型8気筒配置が隣同士に置かれ、同じクランクシャフトを共有するW型を作ることを意味する。
これまで作られた最大の内燃機関はバルチラ-スルザー RTA96-Cである。これは、世界最大のコンテナ船であったエマ・マースクの動力として設計された14気筒、2ストロークターボ過給ディーゼル機関である。この機関の重量は2,300トンであり、102 RPMで動作する時の出力は109,000 bhp (80,080 kW) で、毎時13.7トンの燃料を消費する。
機関は、運動を作り出すために受け取るエネルギー形態と、産み出す運動の種類という2つの基準にしたがって分類することができる。
燃焼機関は燃焼過程の熱によって駆動する熱機関である。
内燃機関は、燃焼室内で燃料(一般的に化石燃料)の燃焼が酸化剤(大抵は空気)と共に起こる機関である。内燃機関において、燃焼によって生産される高温・高圧気体の膨張は、ピストンあるいはタービン翼あるいはノズルといった機関の部品に直接的に力を加え、それを移動させることによって、有用な力学的エネルギーを生成する。
外燃機関は、壁面あるいは熱交換器を通して外部源の燃焼によって内部の作動流体が熱せられる熱機関である。流体は次に膨張し機関の機構に作用することによって運動と使用可能な仕事を生産する。流体は次に冷却、圧縮、再利用(密閉サイクル)されるかあるいは(一般的ではないが)捨てられ、冷えた流体が注入される(開放サイクル空気機関)。
「燃焼」は、熱を供給するための酸化剤を用いて燃料を燃やすことを意味する。同様(あるいは同一)の形態および動作の機関は、核、太陽光、地熱、燃焼を伴わない発熱反応といったその他の熱源からの熱の供給を利用することができる。しかし、これらは厳密には外燃機関ではなく、外部熱機関に分類される。
作動流体は、スターリング機関では気体、蒸気機関では蒸気、有機ランキンサイクルではn-ペンタンといった有機液体でもよい。流体はどんな組成でもよい。気体がこれまでのところ最も一般的であるが、単相の液体が使われることもある。蒸気機関の場合は、流体は液体と気体の間で相が変化する。
空気呼吸燃焼機関は、燃料を酸化(燃焼)するために、ロケットのように酸化剤を積むのではなく、大気中の酸素を使う燃焼機関である。理論的には、これはロケットエンジンよりも優れた比推力をもたらすはずである。
連続した気流は空気呼吸機関を通して流れる。この空気は圧縮され、燃料と混合され、点火され、排気ガスとして排出される。
典型的な空気呼吸機関には以下の種類がある。
往復動機関(レシプロエンジン)
機関の運転は大気質ならびに周囲の騒音レベルに対して悪影響を及ぼす。自動車の動力系が汚染を引き起こすことはますます重視されてきている。そのため、代替動力源と内燃機関の改良に対して新たな関心が向いている。いくつかの限定生産の電池式電気自動車が登場しているものの、費用と動作特性のために優位性があるとは示されていないNovember 2012。21世紀、ディーゼル機関に対する自動車所有者の人気が高まっている。しかしながら、排気を向上させるための新たな排出制御装置を有するガソリン機関およびディーゼル機関は、まだそれほど挑戦されていないNovember 2012。数多くの製造業者が主にガソリン機関と電気モーターを組み合わせ大容量蓄電池群を持つハイブリッド機関を導入しているが、これらもソリン機関ならびにディーゼル機関の市場占有率にはそれほど食い込んでいない。
火花点火機関からの排気は以下の成分で構成されている: 窒素 70-75%(容積)、水蒸気10-12%、二酸化炭素10-13.5%、水素0.5-2%、酸素0.2-2%、一酸化炭素0.1-6%、未燃炭化水素および部分酸化産物(例えばアルデヒド)0.5-1%、一酸化窒素0.01-0.4%、窒素酸化物 <100>\tau=|\mathbf r\times\mathbf F|=r F\sin(\mathbf r, \mathbf F)
上式において、rはてこの長さ、Fはそれにかかる力、r×Fはベクトルのクロス積である。トルクは典型的にはニュートンメートル(N·m、SI単位)あるいはフィート重量ポンド(ft·lb、ヤードポンド法)の単位で測られる。
仕事率は、単位時間当たりに行われた仕事あるいは生産されたエネルギーの量である。これは以下の式で表わされる。
P=\frac{\mathrm d W}{\mathrm d t}
以下のように表わすこともできる。
P=\mathbf F \cdot \mathbf v
直線力と速度を持つこの式は、機関の出力推力と機関が及ぼすトルクのどちらにも同じようにうまく用いることができる。
推進機関を考える時は、普通はコア質量流量のそのままの力のみが考慮される。
問題になっている機関が軸に出力するならば、
P=\tau\omega.
となる。
これが、回転軸に出力する機関について常に、その定格出力と共に、回転速度についての情報が与えられる理由である。
典型的には、回転軸を駆動する機関の中で、熱機関は馬力(hp)で出力が表わされるのに対して、電気機関ではワット(W、仕事に対する数学記号と混同しない)で表わされる。
使用される機関の種類に依存し、様々な効率が達成される。
熱機関では、効率はカルノー効率を超えることはできない。
騒音レベルの場合は、機関の動作は自動車やトラックといった移動発生源に関して最も影響がある。機関ノイズは低速で動作する車両が原因のノイズの特に大きな要素である。低速では、空力やタイヤのノイズは重要性が低い。一般的に言って、ガソリン機関とディーゼル機関は同等の出力のターボシャフトよりもノイズが小さい。電気モーターのノイズは同等の化石燃料を使う機関よりもほとんどの場合小さい。ターボファン、ターボジェット、ロケットといった推力出力機関は、それらが推力を産み出す方法が音の発生と直接的に関連しているため、最大量のノイズを放出する。ノイズを低減するための様々な方法が考案されている。ガソリン機関およびディーゼル機関はマフラーと合っている。より新しいターボファンは、ノイズの大きさを減らすための特大のファンをしばしば有している(いわゆる高バイパス技術)。推力を低減させることなくロケットのノイズを減らす方法は知られていない。
舶用推進エンジン(船外機など)
宇宙機推進エンジン(ロケットエンジンなど)