単気筒蒸気エンジン＃４ その１ 概要
1351 ｒｐｍ
（回転数）
303 ｃｍ・ｇ
起動トルク
２
１
メイン
ピストンクランクディスクの偏芯量を4.5mmで、
ストローク14mmを実現可能
単気筒蒸気エンジン＃４ 「ロス機構」を取り入れた蒸気エンジンに挑戦
141 ｃｍ・ｇ
（ｒｐｍ）
シリンダーとバルブシリンダーとのパイプの接続方法とバルブシリンダーに対する給気口、排気口の接続方法はエンジンをスッキリ構成するポイントです。 接続点から蒸気が漏れないこと、シリンダー内面にはんだが流れ込まないように作ることが求められ、特に半田づけの順序を考慮した製作工程が必要です。 構成のポイントイメージを図５に示します。
上死点
ピストン最上位置
ピストンの動きとクランクの動き
位相差は９０°
メインピストンが先行ピストン運動を回転運動に変換する一般的な方法は図２に示す「単クランク機構」が使われています。 単クランクでは図に示すよう、ピストンの直角方向に機械損失（サイドスラスト）がかかり、パワーの少ないスターリングエンジンでは特に問題となってきます。 この損失を軽減する方法が「ロス機構」です。 「ロス機構」では図２にように、Ｔ型のクランクとその中心に制御ヨークを取り付けることで、ピストン運動を直線運動に近づけ、問題となるサイドスラストを軽減しています。 また、通常のクランクでは、１４mmのストロークを確保する為にクランクの偏芯量7.5mmが必要となりますが、「ロス機構」では偏芯量を４,５mm確保することで同様のストロークを得ることができます。 また、回転に同期してピストンバルブを動かす為には、偏芯カムを使用し往復運動に変換する方法が一般的ですが、ロス機構では、Ｔ型クランクの片側を使って直接バルブを駆動することが出来、構成が簡単化できます。 このように「ロス機構」を取り入れることで、回転数、トルクの改善だけでなく、エンジンそのものをコンパクト化することが期待出来ます。
参考
230 ｃｍ・ｇ
（ｃｍ・ｇ）
作品＃１
ボイラー能力
バルブシリンダ
内径４ｍｍパイプ使用メインシリンダ
内径１２ｍｍパイプ使用エンジンのコンパクト化を図る為に、シリンダーは横置きとし、回転軸はシリンダーの直近におき、Ｔ型クランクでロッドを折り返すような形でフライホイールを駆動しています。 このエンジンでは、ピストンバルブを動かす偏芯カムが不要となり、Ｔ型クランクで直接、バルブピストンを接続できる為、部品点数も少なく、軽量化を図ることができます。 工作上のポイントはロス機構で、ロッド部、クランク部、制御ヨーク部など可動部が多い構成ですが、全体としてスムーズに動くことが重要となり、部品と穴の直角と平行をだす工作精度が求められます。 蒸気エンジンの全体図面を図4に、シリンダー部の構成イメージを図５に、ロス機構部の写真を図６に示します。 工作の工程については、その２ こちらを参照ください。
排気
給気
３
4
Ｔ型クランク
コンロッドは、ほぼ軸上を運動する為、ピストンの
サイドにかかる力が軽減され機械損失が減少エンジンでは、ピストンの往復運動を効率よく回転運動に変換することがポイントの一つですが、熱による空気の膨張と収縮で作動するスターリングエンジンにおいては、特に、機械的損失の軽減が課題となっており、その手段として、「ロス機構」が使われています。 今回は、蒸気エンジンに「ロス機構」を取り入れることで、回転数とトルクの改善を図かり、さらにエンジンのコンパクト化を図るということに挑戦してみました。 エンジン構成は、「ロス機構」の効力を比較できるように、これまで実績のあるピストンバルブ方式の１気筒複動式で構成し、クランク部を「ロス機構」で実現することとします。 図１に、完成した単気筒蒸気エンジン＃４と仕様を示します。
空気圧 （Ｋｇ／ｃｍ2）
＃３ ２気筒エンジン
1476 ｒｐｍ
1452 ｒｐｍ
1228 ｒｐｍ
177 ｃｍ・ｇ
（トルク）
１気筒複動式（ピストンバルブ式）
ロス機構採用
＃４エンジン仕様
ボア：１２ｍｍ ストローク：１4ｍｍ
起動トルク 測定値（ｃｍ・ｇ）
回転数 測定値（ｒｐｍ）
３００
２００
1492 ｒｐｍ
０．８
０．６
０．２
５００
１０００
１５００
回転数
機械損失に敏感なスターリングエンジンが「ロス機構」を取り入れていることを知り、蒸気エンジンにも応用すれば回転数、トルクの改善が期待できるという発想から、今回のエンジン製作に取り組みました。 可動部が多いことから、動作が不安定にならないかを心配したものの、コンプレッサーによる試運転では問題なく動作し、性能に関しても、指で回転軸（直径４mm）をつまんでも止めることば出来ない程のハイパワーでビックリしました。
３ｍｍφ
３ｍｍφ
排気口
ドリル穴ゴム
パッキングバルブ
シリンダー給気、排気パイプ
2.3ｍｍドリル穴メイン
シリンダーエンジンヘッド構成
構成
弁最下位置
給気
排気
ピストン最下位置
下死点
弁最上位置
ロス機構では、Ｔ型クランクと制御ヨークが軸の回転に応じて、ちょっと複雑な動きをします。 図３にエンジンの遷移図とロス機構の動きを示します。 メインピストンとバルブピストン（弁）との関係はこれまでのエンジンと同様に、メインピストンがバルブより９０度先行しています。 ポイントとしては、メインピストンが最上位置にあるときにクランクピンは左下４５度の位置（遷移図１）、バルブが最上部にあるときは左上４５度の位置（遷移図２）、メインピストン最下部にあるときはクランクピンは右４５度の位置（遷移図３）、バルブが最下部にあるときは右４５度の位置（遷移図４）となります。
回転中のロス機構の動き
直角方向の
動きがない
ピストンのサイドにかかる力が大
機械損失が問題となる。
Ｔ型クランクを使用するとバルブを駆動する偏芯カムは不要となり、直接バルブを制御。
制御ヨーク
バルブ
ピストン「ロス機構」とは
測定方法に関して、回転数測定はこちらを、起動トルク測定はこちらを参照ください。
図７ 回転数、起動トルク測定結果
１
１００
０．４
