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内燃機関の例(4ストロークエンジン
(1)吸入
(2)圧縮
(3)燃焼・膨張
(4)排気

内燃機関(ないねんきかん)とは、広義にはシリンダなど機関内においてガソリンなどの燃料を燃焼させ、それによって発生した燃焼ガスを用いて直接に機械仕事を得る原動機をいう[1]。内燃機関では燃焼ガスを直接作動流体として用いて、その熱エネルギーによって仕事をする[1][2]。これに対して、蒸気タービンのように燃焼ガスと作動流体がまったく異なる原動機を外燃機関という[1]

内燃機関はインターナル・コンバッション・エンジン(internal-combustion engine) の訳語であり、内部(インターナル)で燃料を燃焼(コンバッション)させて動力を取り出す機関(エンジン)である。「機関」も「エンジン」も、複雑な機構を持つ装置という意味を持つが、ここでは発動機という意味である。

なお、動力を取り出すことが目的の内燃機関ではあるが、特殊な用途としてパルスジェットによるフロンガスの分解や4サイクル機関による天然ガスの改質などが研究された[3]

目次

動作概要と原理編集

 
航空機用ガスタービンエンジンのカットモデル。右側のタービンの上下に見える空洞部が燃焼器。中央は圧縮機。

内燃機関は熱エネルギー機械エネルギーに変換する熱機関の一種である。広義の内燃機関はレシプロエンジン(ピストンエンジン)やロータリーエンジンといった容積型内燃機関ガスタービンエンジンジェットエンジンなどの速度型内燃機関に分けられる[1]

容積型内燃機関(往復型機関、ピストン機関、狭義の内燃機関)とは、燃焼ガスのエネルギーをピストンの往復運動やクランク軸の回転運動を通じて機械仕事に転換する内燃機関をいう[1]。ロータリーエンジンも容積型内燃機関に分類される[1]。レシプロエンジンの場合、シリンダー(気筒)の内部で燃料を燃焼させ、燃焼ガスがピストンを押す力を利用する。このピストンの往復運動をクランクにより回転運動に変換し軸動力を得る。また、ロータリーエンジンの場合はエキセントリックシャフトを直接回転させて動力を得る。

これに対して、速度型内燃機関は高速の燃焼ガスの流れを利用するものでタービン翼車の回転運動等を通じて機械仕事に転換する内燃機関をいう[1]ガスタービンエンジンの場合、燃焼器で燃料を燃焼させ、燃焼ガスが出力タービンを回転させることで軸動力を得る。軸動力ではなく推力を直接得るために、出力タービンを省き燃焼ガスを一方向に噴出させるとジェットエンジンとなる。

レシプロエンジンは「間欠燃焼」、ガスタービンエンジンは「連続燃焼」という燃焼形態の違いはあるが、ともに燃焼熱により高圧となった燃焼ガスそのものを作動流体とすることは共通する。これに対し蒸気機関などの外燃機関では、機関外部の熱源(燃料の燃焼など)により、燃焼ガスとは別の作動流体(水など)に熱エネルギーを与え、機関により動力を得る。

現代の内燃機関では主に熱効率を高めるために、燃焼には出力の一部を利用して圧縮した空気を使用する。ディーゼルエンジン(レシプロエンジンの一種)のように、原理的に圧縮なしでは動作しない内燃機関もある。

積極的にデトネーションを利用する事で高効率化が期待され[4][5][6]パルス・デトネーション・エンジンの開発が各国で進められている。

内燃機関に限らず、燃焼プロセスを経る装置では、熱効率においてカルノー効率を越えるものは、理論上ありえない。

歴史編集

 
1807年にFrançois Isaac de Rivazによって製造されたcharette of de Rivaz. A:シリンダー, B:点火栓, C:ピストン, D:水素を充填した風船, E:ワンウェイクラッチ, F:給排気弁, G:給排気弁を作動するための取っ手
ミネソタ州の Western Minnesota Steam Threshers Reunion にあるオットーサイクルの内燃機関の動画(2分16秒、320×240、340kbit/s)
 
これらの初期の内燃機関は、農業用機械の動力源として使われた。

19世紀より前から様々な内燃機関が発明されてきたが、19世紀に入り都市ガスが普及し始めるとこれを燃料とする内燃レシプロエンジンの開発が活発となった。1860年代には様々な形式のガスエンジンが定置式の産業用原動機として普及し始め、ニコラウス・オットーらの4ストローク機関により完成の域に達した。同じ頃石油の採掘と精製が産業として確立し、ガスエンジンをガソリンで運転する試みが始められたが、ガソリンを継続的に気化する仕組みの開発がネックとなり、ガソリンエンジンの実用化はガスエンジンに多少遅れている。さらに少し遅れて、これら予混合燃焼の機関とは別のアプローチからディーゼルエンジンが発明された。

貯蔵と運搬が容易な液体燃料を使用する内燃機関の登場は、自動車の商業実用化や飛行機の発明を可能にし、特に輸送の分野に大きな発展をもたらした。

内燃機関の種類編集

出典編集

  1. ^ a b c d e f g 『熱機関工学』西脇仁一編著、朝倉書店、1970年、p. 42
  2. ^ 意匠分類定義カード(K8) 特許庁
  3. ^ 山崎毅六、三井光. 内燃機関による天然ガスの変成 燃料協会誌 37.7 (1958): 417-422, doi:10.3775/jie.37.417
  4. ^ 究極効率のエンジンを生む新圧縮燃焼原理を発見!
  5. ^ デトネーションを利用した新しい内燃機関
  6. ^ プロパン−空気混合気を用いたパルスデトネーションタービンエンジンの作動実験 (PDF)
  7. ^ chapters 1–2, Blazing the trail: the early history of spacecraft and rocketry, Mike Gruntman, AIAA, 2004, ISBN 156347705X.
  8. ^ Electric Pistol
  9. ^ The History of the Automobile - Gas Engines”. About.com (2009年9月11日). 2009年10月19日閲覧。
  10. ^ DE patent 67207 Rudolf Diesel: „Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungskraftmaschinen“ pg 4.
  11. ^ JET PROPULSION FOR AIRPLANES
  12. ^ (Swedish) Scania fordonshistoria 1891-1991. (1992). ISBN 91-7886-074-1.  (Translated title: Vehicle history of Scania 1891-1991)
  13. ^ (Swedish) Volvo – Lastbilarna igår och idag. (1987). ISBN 91-86442-76-7.  (Translated title: Volvo trucks yesterday and today))

関連項目編集