機関きかん (機械きかい)

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メルセデスしゃのV6内燃ないねん機関きかん

機関きかん(きかん)は、ある形態けいたいエネルギー力学りきがくてき運動うんどう力学りきがくてきエネルギー)に変換へんかんするために設計せっけいされた機械きかいである[1][2]エンジンえい: engine)またはモーターえい: motor)ともばれる。内燃ないねん機関きかん蒸気じょうき機関きかんそともえ機関きかん)などのねつ機関きかんは、燃料ねんりょう燃焼ねんしょうさせてねつつくし、このねつから仕事しごととして力学りきがくてきエネルギーをす。電動でんどう電気でんきエネルギーを機械きかいてき運動うんどうへと変換へんかんする。空気くうき機関きかん圧縮あっしゅく空気くうき圧力あつりょくエネルギー(エンタルピー)を使つかい、ぜんまい仕掛しかけのおもちゃなどのぜんまい仕掛しか弾性だんせいいびつエネルギー回転かいてん運動うんどう直線ちょくせん運動うんどう変換へんかんする。生物せいぶつけいにおいて、筋肉きんにくなかミオシンのような分子ぶんしモーター化学かがくエネルギーもちいて、骨格こっかく力学りきがくてき運動うんどうつくす。

用語ようご[編集へんしゅう]

日本語にほんごエンジン英語えいご由来ゆらい外来がいらいである。英語えいごの「engine」という用語ようごフランス語ふらんすごの「engin」、ラテン語らてんごの「ingenium」に由来ゆらいする。カタパルトトレビュシェットやぶしろづちといった産業さんぎょう革命かくめいまえ戦争せんそう兵器へいきおさむじょう兵器へいき)は英語えいごで「siege engine」とばれており、それらをどのように建造けんぞうするかという知識ちしきはしばしば軍事ぐんじ機密きみつとしてあつかわれた。産業さんぎょう革命かくめい発明はつめいされたほとんどの機械きかい装置そうちはエンジンとばれる。蒸気じょうき機関きかん(steam engine)が顕著けんちょれいである。

現代げんだいてき用法ようほうでは、英語えいごの「engine」という用語ようご典型てんけいてきには、蒸気じょうき機関きかん内燃ないねん機関きかんのように、トルクあるいは(大抵たいてい推力すいりょく形態けいたいで)直線ちょくせんりょくあたえることによって力学りきがくてき仕事しごとおこなうために燃料ねんりょう燃焼ねんしょうないしはべつ方法ほうほう消費しょうひする装置そうちあらわす。トルクをあたえるエンジンのれい馴染なじふか自動車じどうしゃガソリンエンジンやディーゼルエンジンほかターボシャフトエンジンがある。推力すいりょくすエンジンのれいターボファンロケットである。

内燃ないねん機関きかん発明はつめいされたとき英語えいごの「motor」は当初とうしょそれを蒸気じょうき機関きかん区別くべつするために使用しようされていた。当時とうじ蒸気じょうき機関きかんは、機関きかんしゃ蒸気じょうきローラーといったそのもの動力どうりょくとしてひろ使用しようされていた。「Motor」と「engine」はのち日常にちじょう会話かいわでは区別くべつせずに使つかわれるようになった。しかしながら、厳密げんみつには、2つの単語たんごことなる意味いみつ。「Engine」は燃料ねんりょう燃焼ねんしょうないしはべつ方法ほうほう消費しょうひしてその化学かがく組成そせい変化へんかさせる装置そうちであるのにたいして、「motor」は電気でんき空気くうきあつえきあつによって駆動くどうする装置そうちであり、そのエネルギーげん化学かがくてき組成そせい変化へんかさせない[3]。しかしながら、こう出力しゅつりょく模型もけいロケットでは、燃料ねんりょう消費しょうひするにもかかわらずロケットモーターという用語ようご使つかわれる。

ねつ機関きかんは「原動機げんどうき」としても機能きのうする。原動機げんどうきとは流体りゅうたいながれあるいは圧力あつりょく変化へんか力学りきがくてきエネルギーへと転換てんかんする構成こうせい要素ようそである[4]内燃ないねん機関きかんによって駆動くどうされる自動車じどうしゃ様々さまざまなモーターおよびポンプを利用りようすることができるが、結局けっきょくのところはそういったすべての装置そうちはエンジンから動力どうりょくている。もうひとつの見方みかたは、モーターは外部がいぶげんから動力どうりょくり、つぎにそれを力学りきがくてきエネルギーへ変換へんかんするのにたいして、エンジンは圧力あつりょくから動力どうりょくつくしているてんである(圧力あつりょく燃焼ねんしょうあるいはその化学かがく反応はんのう爆発ばくはつりょくから直接的ちょくせつてきに、または空気くうきみず蒸気じょうきといったその物質ぶっしつへのなんらかのちからからてきられる)[5]

ねつエネルギーを運動うんどうへと変換へんかんする装置そうち通常つうじょうたんに「engine」とばれる[6]

歴史れきし[編集へんしゅう]

ちゅうぶし産業さんぎょう革命かくめい以降いこうは、ねつ機関きかんにかかる記載きさい中心ちゅうしんとなっており、それ以外いがい分類ぶんるいされる機関きかんについても記載きさいされるべきではあるが記載きさい状況じょうきょうである。

古代こだい[編集へんしゅう]

づちほこかいてこれい)といった単純たんじゅん機械きかい先史せんし時代じだいのものである。人力じんりき畜力ちくりょく水力すいりょく浮力ふりょく、また蒸気じょうき動力どうりょくでさえももちいるより複雑ふくざつ機関きかん古代こだいさかのぼる。キャプスタンウインドラス(どちらも一種いっしゅ)、しゃといったロープ滑車かっしゃ滑車かっしゃ装置そうちもちいる単純たんじゅん機関きかん使用しようには人力じんりき必要ひつようであった。この動力どうりょく大抵たいていりょく増加ぞうかされ、はやさは減速げんそくされて伝達でんたつされる。これらは古代こだいギリシャにおいてクレーン運搬うんぱんふねもちいられ、古代こだいローマにおいて鉱山こうざんみずポンプおさむじょう兵器へいきもちいられた。ウィトルウィウスフロンティヌスだいプリニウスふく当時とうじ著述ちょじゅつらはこれらの機関きかんをありふれたものとしてあつかっていることから、それらの発明はつめいはよりふるいとかんがえられる。紀元きげん1世紀せいきまでには、それ以前いぜん時代じだいには人力じんりき駆動くどうされていたものと類似るいじした機械きかい駆動くどうさせるために、粉砕ふんさいともウシウマ使つかわれていた。

ストラボンによれば、みず駆動くどうこなひき紀元前きげんぜん1世紀せいきちゅうミトリダテの王国おうこくカベリア建造けんぞうされた。こなひきへの水車みずぐるま利用りようつづすう世紀せいきにもわたってマ帝国まていこくいたところひろまった。あるものは非常ひじょう複雑ふくざつで、水量すいりょう維持いじみずくために水道橋すいどうばしダム水門すいもんと、回転かいてんひろがりを制御せいぎょするための木製もくせいおよび金属きんぞくせい歯車はぐるま機構きこうそなえていた。アンティキティラとう機械きかいといったより洗練せんれんされた小型こがた装置そうちは、こよみとして機能きのうするためや天文学てんもんがくてき出来事できごと予測よそくするために複雑ふくざつ歯車はぐるまとダイアルをもちいた。4世紀せいきアウソニウスによるにおい、アウソニウスはみずによって駆動くどうする石切いしきりのこぎりについて言及げんきゅうしている。アレクサンドリアのヘロンは1世紀せいきアイオロスのたま自動じどう販売はんばいふくむこういったふうおよび蒸気じょうき駆動くどうおおくの機械きかい発明はつめいしたとされている。しばしばこれらの機械きかいは、うご祭壇さいだん寺院じいん自動じどうとびらといった礼拝れいはい関連かんれんしていた。

中世ちゅうせい[編集へんしゅう]

中世ちゅうせいのイスラム教徒きょうと技術ぎじゅつしゃは、こなひき揚水ようすい機械きかい歯車はぐるま利用りようし、水車みずぐるま揚水ようすい機械きかい追加ついか駆動くどうりょくあたえるためにの水力すいりょくげんとしてダムをもちいた[7]中世ちゅうせいイスラム世界せかいでは、こういった進歩しんぽにより、それ以前いぜん肉体にくたい労働ろうどうによっておこなわれていたおおくの工業こうぎょうよう業務ぎょうむ機械きかい可能かのうとなった。

1206ねんアル=ジャザリー揚水ようすい機械きかいのためにクランク-コネクティングロッド機構きこう利用りようした。初歩しょほてき蒸気じょうきタービン装置そうちは1551ねんタキ=アルジン[8]によって、1629ねんジョヴァンニ・ブランカ[9]によって記述きじゅつされた[10]

13世紀せいき固体こたいロケットモーター中国ちゅうごく発明はつめいされた。火薬かやくによって駆動くどうするこのもっと単純たんじゅん内燃ないねん機関きかん持続じぞくする駆動くどうりょくむことはできなかったが、戦闘せんとうにおいて高速こうそくてきかう推進すいしん兵器へいきのためや花火はなびのために有用ゆうようであった。発明はつめい、この発明はつめいはヨーロッパちゅうひろまった。

産業さんぎょう革命かくめい[編集へんしゅう]

1788ねんボールトン・アンド・ワット機関きかん

ワットの蒸気じょうき機関きかんは、部分ぶぶんてき真空しんくうたすけによりピストンを駆動くどうさせるために大気たいきあつよりすこじょう圧力あつりょく蒸気じょうき利用りようする最初さいしょ蒸気じょうき機関きかんであった。1712ねんニューコメンの蒸気じょうき機関きかん設計せっけい改良かいりょうし1763ねんから1775ねんまでのあいだ散発さんぱつてき発展はってんしたワットの蒸気じょうき機関きかんは、蒸気じょうき機関きかん発展はってんにおけるおおきないちであった。燃料ねんりょう効率こうりつ劇的げきてき向上こうじょうしたジェームズ・ワット設計せっけい蒸気じょうき機関きかん代名詞だいめいしとなった。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・ボールトンすくなからず貢献こうけんした。ワットの蒸気じょうき機関きかんにより、水力すいりょく利用りようできなかった土地とちにおいて以前いぜんでは想像そうぞうできない規模きぼ効率こうりつてきはん自動じどうされた工場こうじょう急速きゅうそく発展はってんした。開発かいはつにより、蒸気じょうき機関きかんしゃ鉄道てつどう輸送ゆそう大幅おおはば拡大かくだいこった。

内燃ないねんピストン機関きかんかんしては、1807ねんにフランスでド・リヴァニエプス兄弟きょうだいによってそれぞれ独立どくりつ試験しけんされた。それらは1824ねんカルノーによって理論りろんてき前進ぜんしんした[よう出典しゅってん]。1853ねんから1857ねんエウジェーニオ・バルサンティフェリーチェ・マッテウッチはつ4サイクル機関きかんであった可能かのうせいのあるフリーピストン原理げんり使用しようした機関きかん発明はつめい特許とっきょった[11]。1877ねんオットーサイクルは、蒸気じょうき機関きかんよりもはるかにたか出力しゅつりょく重量じゅうりょうあたえることができ、くるま飛行機ひこうきといったおおくの輸送ゆそう用途ようとたいしてよりうまく機能きのうした。

自動車じどうしゃ[編集へんしゅう]

カール・ベンツによってつくられたはじめて商業しょうぎょうてき成功せいこうした自動車じどうしゃは、軽量けいりょう強力きょうりょく機関きかんたいする関心かんしん増大ぞうだいさせた。4ストロークオットーサイクルで作動さどうする軽量けいりょうガソリン内燃ないねん機関きかん軽量けいりょう自動車じどうしゃもっと成功せいこうおさめているのにたいして、より効率こうりつてきディーゼル機関きかんはトラックおよびバスで使つかわれている。しかしながら、近年きんねんは、ターボディーゼル機関きかん人気にんきしてきている。

水平すいへい対向たいこうピストン[編集へんしゅう]

1896ねん、カール・ベンツは水平すいへい対向たいこうピストンをはつのエンジンの設計せっけい特許とっきょ取得しゅとくした。ベンツの設計せっけいでは、対応たいおうするピストンが水平すいへい気筒きとうちゅう移動いどうし、同時どうじうえてん到達とうたつする。ゆえに、個々ここ運動うんどうりょうかんしてたがいに自動的じどうてきいがれる。この設計せっけい機関きかんはその形状けいじょうひく姿勢しせいのためしばしばフラットエンジンとばれる。フラットエンジンはフォルクスワーゲン・ビートルや、一部いちぶポルシェくるまおよびスバルくるまおおくのBMWおよびホンダオートバイ航空機こうくうきようエンジン過去かこあるいは現在げんざいもちいられている。

進歩しんぽ[編集へんしゅう]

自動車じどうしゃ内燃ないねん機関きかん使用しようされつづけたのは、部分ぶぶんてきには機関きかん制御せいぎょシステム(機関きかん管理かんりプロセスと燃料ねんりょう噴射ふんしゃ電子でんしてき制御せいぎょ提供ていきょうする搭載とうさいコンピュータ)の改良かいりょうによるものである。ターボきゅうおよびきゅうによる強制きょうせいてき空気くうきれは出力しゅつりょく機関きかん効率こうりつ向上こうじょうさせてきた。同様どうよう変更へんこうはよりちいさなディーゼル機関きかんにも適用てきようされ、ガソリン機関きかんとほぼおな出力しゅつりょく特性とくせいがディーゼル機関きかんでも実現じつげんされた。これはヨーロッパにおいて小型こがたのディーゼル機関きかん駆動くどうしゃ人気にんきはくしていることからとく明白めいはくである。より大型おおがたのディーゼル機関きかんはほとんどの工場こうじょうでは利用りよう不可能ふかのう特殊とくしゅ機械きかい加工かこう必要ひつようとするものの、いまでもトラックや重機じゅうきでしばしば使用しようされている。ディーゼル機関きかんはガソリン機関きかんよりも炭化たんか水素すいそCO2排出はいしゅつりょうすくないが、粒子りゅうしじょう物質ぶっしつNOx汚染おせんはよりおおきい[12]。ディーゼル機関きかん比較ひかくできるガソリン機関きかんよりも燃料ねんりょう効率こうりつやく40%たか[12]

出力しゅつりょく増大ぞうだい[編集へんしゅう]

20世紀せいき前半ぜんはんは、とくにアメリカせいモデル[よう説明せつめい]機関きかん出力しゅつりょく増大ぞうだいする傾向けいこうた。効率こうりつ向上こうじょうさせるための気筒きとうない圧力あつりょく増大ぞうだい機関きかんおおきさの増大ぞうだい、そして機関きかん仕事しごと速度そくど増大ぞうだいふく機関きかん排気はいきりょうげるためのられているすべての方法ほうほう設計せっけい変更へんこうれられた。これらの変更へんこうによってつくされるよりたかちから圧力あつりょくは、機関きかん振動しんどうおおきさの問題もんだいし、これによって(それまでの直列ちょくれつがた配置はいちえる)Vあるいは対向たいこうがた気筒きとう配置はいちされたよりかたく、よりコンパクトな機関きかんつくられることとなった。

燃焼ねんしょう効率こうりつ[編集へんしゅう]

ヨーロッパでこのまれる設計せっけい方針ほうしんは、よりちいさくがりくねった道路どうろといった経済けいざいてきおよびその制約せいやくのために、より小型こがたくるまならびにより小型こがた機関きかん燃焼ねんしょう効率こうりつたかめることに集中しゅうちゅうした設計せっけい方針ほうしん相当そうとうするものにかたむいた。これにより、初期しょきの40馬力ばりき(30 kW)の4気筒きとう設計せっけい経済けいざいてき機関きかんや80馬力ばりき(60 kW)と出力しゅつりょくひくい6気筒きとう設計せっけいつより経済けいざいてき機関きかん生産せいさんされた。それと比較ひかくすると、大型おおがたのV-8アメリカせい機関きかんは、250-350馬力ばりきときには400馬力ばりきえる出力しゅつりょくであった[よう説明せつめい][よう出典しゅってん]

機関きかん形態けいたい[編集へんしゅう]

初期しょき自動車じどうしゃ機関きかん発達はったつによって、今日きょう一般いっぱんてき使用しようされているよりもかなり大型おおがた機関きかんされた。それらの機関きかんは1から16気筒きとう設計せっけいで、それぞれの相当そうとうする全体ぜんたいおおきさ、重量じゅうりょう排気はいきりょうボアっていた。4気筒きとうで19-120馬力ばりき(14-90 kW)の出力しゅつりょく機関きかんは、大半たいはんのモデルによって追随ついずいされた。複数ふくすうの3気筒きとう、2ストロークサイクルのモデルもつくられたが、ほとんどの機関きかん直列ちょくれつがた配置はいちっていた。複数ふくすうのVがたモデルならびに水平すいへい対向たいこう2および4気筒きとう存在そんざいした。オーバーヘッド・カムシャフト頻繁ひんぱん採用さいようされた。より小型こがた機関きかん通常つうじょう空冷くうれいしきで、もの後方こうほうかれた。圧縮あっしゅく比較的ひかくてきひくかった。1970年代ねんだいと1980年代ねんだいは、燃費ねんぴ向上こうじょう興味きょうみたれ、それによって、効率こうりつ改善かいぜんするために気筒きとうあたり5つのバルブをつより小型こがたのV-6ならびに4気筒きとう配置はいちへの回帰かいきこった。ブガッティ・ヴェイロン16.4はWがた16気筒きとう機関きかん動作どうさする。W18機関きかんは2つのVがた8気筒きとう配置はいちとなり同士どうしかれ、おなじクランクシャフトを共有きょうゆうするWがたつくることを意味いみする。

これまでつくられた最大さいだい内燃ないねん機関きかんバルチラ-スルザー RTA96-Cである。これは、世界せかい最大さいだいのコンテナせんであったエマ・マースク動力どうりょくとして設計せっけいされた14気筒きとう、2ストロークターボきゅうディーゼル機関きかんである。この機関きかん重量じゅうりょうは2,300トンであり、102 RPMで動作どうさするとき出力しゅつりょくは109,000 bhp (80,080 kW) で、毎時まいじ13.7トンの燃料ねんりょう消費しょうひする。

種類しゅるい[編集へんしゅう]

機関きかんは、運動うんどうつくすためにるエネルギー形態けいたいと、運動うんどう種類しゅるいという2つの基準きじゅんにしたがって分類ぶんるいすることができる。

ねつ機関きかん[編集へんしゅう]

燃焼ねんしょう機関きかん[編集へんしゅう]

燃焼ねんしょう機関きかん燃焼ねんしょう過程かていねつによって駆動くどうするねつ機関きかんである。

内燃ないねん機関きかん[編集へんしゅう]
4ストローク燃焼ねんしょう機関きかんの4つの段階だんかいしめすアニメーション:
1. 吸入きゅうにゅう
2. 圧縮あっしゅく
3. 燃焼ねんしょう膨張ぼうちょう
4. 排気はいき

内燃ないねん機関きかんは、燃焼ねんしょうしつうち燃料ねんりょう一般いっぱんてき化石かせき燃料ねんりょう)の燃焼ねんしょう酸化さんかざい大抵たいてい空気くうき)とともこる機関きかんである。内燃ないねん機関きかんにおいて、燃焼ねんしょうによって生産せいさんされる高温こうおんこうあつ気体きたい膨張ぼうちょうは、ピストンあるいはタービンつばさあるいはノズルといった機関きかん部品ぶひん直接的ちょくせつてきちからくわえ、それを移動いどうさせることによって、有用ゆうよう力学りきがくてきエネルギー生成せいせいする[13][14][15][16]

そともえ機関きかん[編集へんしゅう]

そともえ機関きかんは、壁面へきめんあるいはねつ交換こうかんとおして外部がいぶげん燃焼ねんしょうによって内部ないぶ作動さどう流体りゅうたいねっせられるねつ機関きかんである。流体りゅうたいつぎ膨張ぼうちょう機関きかん機構きこう作用さようすることによって運動うんどう使用しよう可能かのう仕事しごと生産せいさんする[17]流体りゅうたいつぎ冷却れいきゃく圧縮あっしゅくさい利用りよう密閉みっぺいサイクル)されるかあるいは(一般いっぱんてきではないが)てられ、えた流体りゅうたい注入ちゅうにゅうされる(開放かいほうサイクル空気くうき機関きかん)。

燃焼ねんしょう」は、ねつ供給きょうきゅうするための酸化さんかざいもちいて燃料ねんりょうやすことを意味いみする。同様どうよう(あるいは同一どういつ)の形態けいたいおよび動作どうさ機関きかんは、かく太陽光たいようこう地熱じねつ燃焼ねんしょうともなわない発熱はつねつ反応はんのうといったその熱源ねつげんからのねつ供給きょうきゅう利用りようすることができる。しかし、これらは厳密げんみつにはそともえ機関きかんではなく、外部がいぶねつ機関きかん分類ぶんるいされる。

作動さどう流体りゅうたいは、スターリング機関きかんでは気体きたい蒸気じょうき機関きかんでは蒸気じょうき有機ゆうきランキンサイクルではn-ペンタンといった有機ゆうき液体えきたいでもよい。流体りゅうたいはどんな組成そせいでもよい。気体きたいがこれまでのところもっと一般いっぱんてきであるが、たんしょう液体えきたい使つかわれることもある。蒸気じょうき機関きかん場合ばあいは、流体りゅうたい液体えきたい気体きたいあいだそう変化へんかする。

空気くうき呼吸こきゅう燃焼ねんしょう機関きかん[編集へんしゅう]

空気くうき呼吸こきゅう燃焼ねんしょう機関きかんは、燃料ねんりょう酸化さんか燃焼ねんしょう)するために、ロケットのように酸化さんかざいむのではなく、大気たいきちゅう酸素さんそ使つか燃焼ねんしょう機関きかんである。理論りろんてきには、これはロケットエンジンよりもすぐれた推力すいりょくをもたらすはずである。

連続れんぞくした気流きりゅう空気くうき呼吸こきゅう機関きかんとおしてながれる。この空気くうき圧縮あっしゅくされ、燃料ねんりょう混合こんごうされ、点火てんかされ、排気はいきガスとして排出はいしゅつされる。

典型てんけいてき空気くうき呼吸こきゅう機関きかんには以下いか種類しゅるいがある。

環境かんきょうへの影響えいきょう[編集へんしゅう]

機関きかん運転うんてんだい気質きしつならびに周囲しゅうい騒音そうおんレベルにたいして悪影響あくえいきょうおよぼす。自動車じどうしゃ動力どうりょくけい汚染おせんこすことはますます重視じゅうしされてきている。そのため、代替だいたい動力どうりょくげん内燃ないねん機関きかん改良かいりょうたいしてあらたな関心かんしんいている。いくつかの限定げんてい生産せいさん電池でんちしき電気でんき自動車じどうしゃ登場とうじょうしているものの、費用ひよう動作どうさ特性とくせいのために優位ゆういせいがあるとはしめされていない[よう出典しゅってん]。21世紀せいき、ディーゼル機関きかんたいする自動車じどうしゃ所有しょゆうしゃ人気にんきたかまっている。しかしながら、排気はいき向上こうじょうさせるためのあらたな排出はいしゅつ制御せいぎょ装置そうちゆうするガソリン機関きかんおよびディーゼル機関きかんは、まだそれほど挑戦ちょうせんされていない[よう出典しゅってん]かずおおくの製造せいぞう業者ぎょうしゃおもにガソリン機関きかん電気でんきモーターをわせだい容量ようりょう蓄電池ちくでんちぐんつハイブリッド機関きかん導入どうにゅうしているが、これらもソリン機関きかんならびにディーゼル機関きかん市場いちば占有せんゆうりつにはそれほどんでいない。

だい気質きしつ[編集へんしゅう]

火花ひばな点火てんか機関きかんからの排気はいき以下いか成分せいぶん構成こうせいされている: 窒素ちっそ 70-75%(容積ようせき)、水蒸気すいじょうき10-12%、二酸化炭素にさんかたんそ10-13.5%、水素すいそ0.5-2%、酸素さんそ0.2-2%、一酸化いっさんか炭素たんそ0.1-6%、もえ炭化たんか水素すいそおよび部分ぶぶん酸化さんか産物さんぶつたとえばアルデヒド)0.5-1%、一酸化いっさんか窒素ちっそ0.01-0.4%、窒素ちっそ酸化さんかぶつ <100 ppm、二酸化にさんか硫黄いおう15-60 ppm、痕跡こんせきりょう燃料ねんりょう添加てんかざい潤滑油じゅんかつゆといったその化合かごうぶつ、ハロゲン化合かごうぶつ金属きんぞく化合かごうぶつ、その粒子りゅうし[18]一酸化いっさんか炭素たんそ毒性どくせいたかく、一酸化いっさんか炭素たんそ中毒ちゅうどくこすため、閉鎖へいさ空間くうかんないでの一酸化いっさんか炭素たんそガスのどんな増加ぞうかけることが重要じゅうようである。触媒しょくばいコンバータ毒性どくせい排気はいき低減ていげんすることができるが、完全かんぜん除去じょきょすることはできない。また、現代げんだい工業こうぎょう社会しゃかいにおいて機関きかん広範こうはん使用しようからしょうじた温室おんしつ効果こうかガスの排出はいしゅつおも二酸化炭素にさんかたんそ)は、地球ちきゅう規模きぼ温室おんしつ効果こうか一因いちいんとなっている。これは、地球ちきゅう温暖おんだんかんする一番いちばん関心事かんしんじである。

燃焼ねんしょうねつ機関きかん[編集へんしゅう]

一部いちぶ機関きかん燃焼ねんしょう過程かていからのねつ力学りきがくてき仕事しごとへと変換へんかんする。たとえば、原子力げんしりょく発電はつでんしょかく反応はんのうからのねつ使用しようして、蒸気じょうきつく蒸気じょうき機関きかん駆動くどうさせる。また、ロケットエンジンないのガスタービンは、過酸化水素かさんかすいそ分解ぶんかいすることによって駆動くどうすることができる。エネルギーげんちがいはさておき、燃焼ねんしょうねつ機関きかん内燃ないねん機関きかんあるいはそともえ機関きかん大差たいさなく設計せっけいされることがおおい。その燃焼ねんしょう機関きかんとしては、ねつ音響おんきょうねつ機関きかんがある。ねつ音響おんきょうねつ機関きかんこう振幅しんぷく音波おんぱ使用しようしてある場所ばしょからべつ場所ばしょねつおくす、あるいはぎゃくねつ使つかってひかり振幅しんぷく音波おんぱ誘導ゆうどうする。一般いっぱんに、ねつ音響おんきょう機関きかんていざいなみ装置そうち進行しんこう装置そうちけることができる[19]

ねつてき化学かがく動力どうりょくモーター[編集へんしゅう]

ねつてきモーターは大抵たいてい化学かがく反応はんのうによって動力どうりょくるが、ねつ機関きかんではない。以下いかれいがある。

電気でんきモーター[編集へんしゅう]

電気でんきモーター(electric motor)は電気でんきエネルギー使つかって、大抵たいてい磁場じば通電つうでん導体どうたいとの相互そうご作用さようとおして力学りきがくけいエネルギーをす。力学りきがくてきエネルギーから電気でんきエネルギーをぎゃく過程かていは、ジェネレータ発電はつでん)あるいはダイナモによって達成たっせいされる。車両しゃりょうもちいられるけんいんモーターはしばしばその両方りょうほう作業さぎょうをこなす。電気でんきモーターは発電はつでんとしてもはたらくことができ、そのぎゃくもまたしかりであるが、これはつね実際じっさいてきではない。電気でんきモーターはいたるところに存在そんざいし、工業こうぎょうよう送風そうふう、ポンプ、工作こうさく機械きかい家電かでん製品せいひん電動でんどう工具こうぐディスクドライブなど様々さまざま製品せいひん応用おうようされている。これらは、直流ちょくりゅうたとえばバッテリー駆動くどう携帯けいたい機器きき車両しゃりょう)あるいは送電そうでんもうからの交流こうりゅうによってうごくことができる。最小さいしょうのモーターは電気でんき腕時計うでどけい使つかわれている。高度こうど標準ひょうじゅんされた特性とくせいちゅう程度ていどおおきさのモーターは工業こうぎょう用途ようと便利べんり機械きかいりょく提供ていきょうする。最大さいだいのモーターは大型おおがたせん推進すいしんのためや、パイプライン圧縮あっしゅく使つかわれており、すうせんキロワットにもたっする。電気でんきモーターは、電力でんりょくげん内部ないぶ構造こうぞう応用おうようによって分類ぶんるいされる。

電流でんりゅう磁場じばとの相互そうご作用さようによる機械きかいりょく生産せいさん物理ぶつりてき原理げんりは1821ねんにはられていた。効率こうりつ向上こうじょうした電気でんきモーターは19世紀せいきあいだちゅうずっと製造せいぞうされていたが、だい規模きぼ電気でんきモーターの商業しょうぎょうてき利用りようには効率こうりつてき発電はつでん送電そうでんもう必要ひつようであった。

モーターの電気でんきエネルギー消費しょうひとそれに関連かんれんしたカーボンフットプリント低減ていげんするため、おおくの国々くにぐに様々さまざま規制きせい当局とうきょくがよい効率こうりつたか電気でんきモーターの製造せいぞう使用しよう推奨すいしょうするための法案ほうあん提出ていしゅつ施行しこうしている。すぐれた設計せっけいのモーターはすうじゅう年間ねんかん投入とうにゅうエネルギーの90%以上いじょう有用ゆうようちから変換へんかんすることができる[20]。モーターの効率こうりつかずパーセントポイントでも上昇じょうしょうすれば、(キロワット時きろわっとじでの、したがって費用ひようめんでの)節約せつやく効果こうか莫大ばくだいである。典型てんけいてき工業こうぎょうよう誘導ゆうどうモーター電気でんきエネルギー効率こうりつは、1) 固定こていまきせんにおける電気でんき損失そんしつ低減ていげん方法ほうほうとしてはたとえば導体どうたいだん面積めんせき増加ぞうかせる、まきせん技術ぎじゅつ改善かいぜんどうのようなよりたか電気でんき伝導でんどうりつ材料ざいりょう使用しようなど)、2) 回転子かいてんしコイルにおける電気でんき損失そんしつ低減ていげんたとえば、どうのようなよりたか電気でんき伝導でんどうりつ材料ざいりょう使用しよう)、3) より品質ひんしつたか電磁でんじこう使用しようによる磁気じき損失そんしつ低減ていげん、4) モーターの空気くうき力学りきがく改善かいぜんによる機械きかいてきふうそん低減ていげん、5) 軸受じくうけ(ベアリング)の改善かいぜんによる摩擦まさつ損失そんしつ低減ていげん、6) 製造せいぞう公差こうさ最小さいしょう、といったことによって改善かいぜんすることができる。

慣習かんしゅうにより、英語えいごでは「electric engine」は電気でんきモーターではなく、電気でんき機関きかんしゃす。

物理ぶつり動力どうりょくモーター[編集へんしゅう]

一部いちぶのモーターは、ポテンシャルエネルギーあるいは運動うんどうエネルギーを動力どうりょくとする。たとえば、一部いちぶケーブルカーロープウェー運搬うんぱんうごみずあるいはいわからのエネルギーを使用しようしており、一部いちぶ時計とけい重力じゅうりょく落下らっかするおもりをっている。そののポテンシャルエネルギーの形態けいたいには、圧縮あっしゅくガス空気圧くうきあつモーター)、ばね(ぜんまい仕掛しか)、ゴムバンドがある。

大型おおがたカタパルトトレビュシェット、(ある程度ていどは)やぶしろづちふく歴史れきしてき軍事ぐんじようおさむじょう兵器へいき(siege engine)はポテンシャルエネルギーによって動力どうりょくていた。

空気圧くうきあつモーター[編集へんしゅう]

空気圧くうきあつモーターは、圧縮あっしゅく空気くうき形態けいたいのポテンシャルエネルギーを力学りきがくてき仕事しごとへと変換へんかんする機械きかいである。空気圧くうきあつモーターは一般いっぱんてき圧縮あっしゅく空気くうき直線ちょくせん運動うんどうあるい回転かいてん運動うんどうへと変換へんかんする。直線ちょくせん運動うんどうはダイアフラムあるいはピストンアクチュエータによってすことができるのにたいして、回転かいてん運動うんどう羽根はねがた空気くうきモーターあるいはピストン空気くうきモーターによって供給きょうきゅうされる。空気圧くうきあつモーターは、形態けいたい工具こうぐ産業さんぎょう成功せいこうしており、運送うんそうぎょうへも用途ようと拡大かくだいしようというこころみがつづけられている。しかしながら、空気圧くうきあつモーターは運送うんそうぎょうにおいて実行じっこう可能かのう選択肢せんたくしとしてられるよりもまえにエネルギー効率こうりつにおける欠点けってん克服こくふくしなければならない。

えきあつモーター[編集へんしゅう]

えきあつモーターは、加圧かあつ流体りゅうたいから動力どうりょくるモーターである。このたね機関きかんじゅう荷重かじゅううごかすために使つかうことができる[21]

性能せいのう[編集へんしゅう]

速度そくど[編集へんしゅう]

じく動力どうりょく出力しゅつりょくする機関きかん場合ばあいは、機関きかん速度そくどかいごとぶん(RPM)単位たんい測定そくていされる。機関きかん低速ていそくちゅうそく高速こうそく分類ぶんるいすることができるが、これらの用語ようご不正確ふせいかくであり機関きかん種別しゅべつる。一般いっぱんてきに、ディーゼル機関きかんはガソリン機関きかんくらべて低速ていそく動作どうさする。電気でんきモーターおよびターボシャフト非常ひじょう高速こうそく動作どうさできる。推力すいりょく機関きかん場合ばあいは、うごいているのは機関きかんではなく、機関きかん加速かそくしている作動さどう媒体ばいたいであるため、「エンジンスピード」についてはなすことはなおさら不正確ふせいかくである。この場合ばあい排気はいき速度そくどぶのがただしい。排気はいき速度そくど厳密げんみつには重力じゅうりょくじょうのぞいたIspである。

推力すいりょく[編集へんしゅう]

推力すいりょくは、2つの質量しつりょうあいだ相互そうご作用さようしょうじるちからである。2つの質量しつりょうはそれらの速度そくどのためにたがいにひとしいがぎゃく方向ほうこうちからおよぼす。ちからFは、ニュートン(N、SI単位たんい)あるいは重量じゅうりょうポンド(lbf、ヤードポンドほう)の単位たんいはかることができる。

トルク[編集へんしゅう]

トルク機関きかん出力しゅつりょくじく連結れんけつされた理論りろんじょうのてこにおよぼされるちからである。これは以下いかしきあらわされる。

うえしきにおいて、rはてこのながさ、Fはそれにかかるちからr×Fはベクトルのクロスせきである。トルクは典型てんけいてきにはニュートンメートル(N·m、SI単位たんい)あるいはフィート重量じゅうりょうポンド(ft·lb、ヤードポンドほう)の単位たんいはかられる。

仕事率しごとりつ[編集へんしゅう]

仕事率しごとりつは、単位たんい時間じかんたりにおこなわれた仕事しごとあるいは生産せいさんされたエネルギーのりょうである。これは以下いかしきあらわされる。

以下いかのようにあらわすこともできる。

直線ちょくせんりょく速度そくどつこのしきは、機関きかん出力しゅつりょく推力すいりょく機関きかんおよぼすトルクのどちらにもおなじようにうまくもちいることができる。

推進すいしん機関きかんかんがえるときは、普通ふつうはコア質量しつりょう流量りゅうりょうのそのままのちからのみが考慮こうりょされる。

問題もんだいになっている機関きかんじく出力しゅつりょくするならば、

.

となる。

これが、回転かいてんじく出力しゅつりょくする機関きかんについてつねに、そのていかく出力しゅつりょくともに、回転かいてん速度そくどについての情報じょうほうあたえられる理由りゆうである。

典型てんけいてきには、回転かいてんじく駆動くどうする機関きかんなかで、ねつ機関きかん馬力ばりき(hp)で出力しゅつりょくあらわされるのにたいして、電気でんき機関きかんではワット(W、仕事しごとたいする数学すうがく記号きごう混同こんどうしない)であらわされる。

効率こうりつ[編集へんしゅう]

使用しようされる機関きかん種類しゅるい依存いぞんし、様々さまざま効率こうりつ達成たっせいされる。

ねつ機関きかんでは、効率こうりつカルノー効率こうりつえることはできない。

騒音そうおんレベル[編集へんしゅう]

騒音そうおんレベルの場合ばあいは、機関きかん動作どうさ自動車じどうしゃやトラックといった移動いどう発生はっせいげんかんしてもっと影響えいきょうがある。機関きかんノイズは低速ていそく動作どうさする車両しゃりょう原因げんいんのノイズのとくおおきな要素ようそである。低速ていそくでは、そらりょくやタイヤのノイズは重要じゅうようせいひく[22]一般いっぱんてきって、ガソリン機関きかんとディーゼル機関きかん同等どうとう出力しゅつりょくのターボシャフトよりもノイズがちいさい。電気でんきモーターのノイズは同等どうとう化石かせき燃料ねんりょう使つか機関きかんよりもほとんどの場合ばあいちいさい。ターボファン、ターボジェット、ロケットといった推力すいりょく出力しゅつりょく機関きかんは、それらが推力すいりょく方法ほうほうおと発生はっせい直接的ちょくせつてき関連かんれんしているため、最大さいだいりょうのノイズを放出ほうしゅつする。ノイズを低減ていげんするための様々さまざま方法ほうほう考案こうあんされている。ガソリン機関きかんおよびディーゼル機関きかんマフラーっている。よりあたらしいターボファンは、ノイズのおおきさをらすための特大とくだいのファンをしばしばゆうしている(いわゆるこうバイパス技術ぎじゅつ)。推力すいりょく低減ていげんさせることなくロケットのノイズをらす方法ほうほうられていない。

用途ようとべつエンジン[編集へんしゅう]

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

  1. ^ Motor”. Dictionary.reference.com. 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん。 “a person or thing that imparts motion, esp. a contrivance, as a steam engine, that receives and modifies energy from some source in order to utilize it in driving machinery.”
  2. ^ Dictionary.com: (World heritage) "3. any device that converts another form of energy into mechanical energy so as to produce motion"
  3. ^ Sybil P. Parker,, ed (1994). “Engine”. McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology (Third Edition ed.). McGraw-Hill, Inc.. pp. 714. ISBN 978-0070455603 
  4. ^ Sybil P. Parker,, ed (1994). “Prime mover”. McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology (Third Edition ed.). McGraw-Hill, Inc.. pp. 1498. ISBN 978-0070455603 
  5. ^ Press, AIP, Associated (2007). Stylebook and Briefing on Media Law (42nd ed.). New York: Basic Books. pp. 84. ISBN 978-0-465-00489-8 
  6. ^ Collins English Dictionary -Retrieved September 03, 2012 from CollinsDictionary.com website:http://www.collinsdictionary.com/dictionary/english/Engine
  7. ^ Hassan, Ahmad Y.. Transmission Of Islamic Engineering. http://www.history-science-technology.com/Articles/articles%2071.htm 
  8. ^ Hassan, Ahmad Y. (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, p. 34-35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.
  9. ^ University of Rochester, NY, ''The growth of the steam engine'' online history resource, chapter one”. History.rochester.edu. 2010ねん2がつ3にち閲覧えつらん
  10. ^ "Power plant engineering". P. K. Nag (2002). Tata McGraw-Hill. p.432. ISBN 0-07-043599-5
  11. ^ La documentazione essenziale per l'attribuzione della scoperta”. 2016ねん2がつ28にち閲覧えつらん。 “A later request was presented to the Patent Office of the Reign of Piedmont, under No. 700 of Volume VII of that Office. The text of this patent request is not available, only a photo of the table containing a drawing of the engine. This may have been either a new patent or an extension of a patent granted three days earlier, on 30 December 1857, at Turin.”
  12. ^ a b Harrison, Roy M. (2001), Pollution: Causes, Effects and Control (4th ed.), Royal Society of Chemistry, ISBN 9780854046218, https://books.google.co.jp/books?id=1kFbRYQUqcAC&pg=PA332&redir_esc=y&hl=ja#v=onepage&q&f=false 2012ねん2がつ20日はつか閲覧えつらん 
  13. ^ Proctor II, Charles Lafayette. “Internal Combustion engines”. Encyclopædia Britannica Online. 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん
  14. ^ Internal combustion engine”. Answers.com. 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん
  15. ^ Columbia encyclopedia: Internal combustion engine”. Inventors.about.com. 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん
  16. ^ Internal-combustion engine”. Infoplease.com (2007ねん). 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん
  17. ^ External combustion”. Merriam-Webster Online Dictionary (2010ねん8がつ13にち). 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん
  18. ^ Paul Degobert, Society of Automotive Engineers (1995), Automobiles and Pollution
  19. ^ Emam, Mahmoud (2013). Experimental Investigations on a Standing-Wave Thermoacoustic Engine, M.Sc. Thesis,. Egypt: Cairo University. http://www.scribd.com/doc/147785416/Experimental-Investigations-on-a-Standing-Wave-Thermoacoustic-Engine#fullscreen 2013ねん9がつ26にち閲覧えつらん 
  20. ^ Motors”. American Council for an Energy-Efficient Economy. 2016ねん2がつ27にち閲覧えつらん
  21. ^ Howstuffworks "Engineering"”. Reference.howstuffworks.com (2006ねん1がつ29にち). 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん
  22. ^ Hogan, C. Michael (September 1973). “Analysis of Highway Noise”. Journal of Water, Air, and Soil Pollution (Springer Verlag) 2 (3): 387–392. ISSN 0049-6979. http://www.springerlink.com/content/x1707075n815g604/ 2011ねん5がつ9にち閲覧えつらん. 

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]