スコッチヨーク蒸気エンジン＃６ その１ 概要
クランクの動きとピストンの動き
スコッチヨーク機構単気筒蒸気エンジン＃６ 製作
バルブ
中間位置
「スコッチヨーク機構」と回転軸とのリンク
「スコッチヨーク機構」とは
完成した＃６スコッチヨーク機構エンジンとこれまで作成した単気筒複動式エンジンとの比較を図９に示しています。 スコッチヨークエンジンはクランク機構エンジンと比較すると、２／３程度にコンパクト化されていることが分かります。 ＃６エンジンの性能として、電気ボイラー＃２を接続しての回転数は１３２０回転／分を示しました。 トルクの測定は体感で測るのが一番近いということで、これまで製作した中で一番パワーのある、ロス機構を採用した＃４エンジンと比較してみました。 ＃４エンジンのパワーは４ｍｍの回転軸を指でつまんでも止められない力ですが、指でつまんで相対比較した結果、＃４エンジンのトルクを１とすると今回の＃６エンジンは体感的に０．８程度といまいちの結果となりました。
この要因は工作精度によるもので、ピストン軸とヨークガイド軸（ヨークの運動軸）の精度が充分ではないことが機械損失となり、そのまま結果に現れているものと思われます。 また、エンジンの振動は、やはりこれまでのエンジンの中では最も振動が多いように感じています。 今回、ヨークは真鍮で作りましたが、その重さが要因して振動が多いのかもしれません。バルブ
中間位置バルブ
最上位置バルブ
最下位置コンロッド長はクランク
半径の４〜5倍程度
運転状況の動画
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内径５ｍｍパイプ
内径１３ｍｍのパイプ
パワー
ストローク
１４ｍｍ完成したエンジンの動きを下記動画でご覧ください。 この動画はヨークの動きが分かるように、エアの庄力を下げてスロー運転している様子です。
製作結果
蒸気にオイルが混じる
両シリンダー間の蒸気
通路。加工後ネジで塞ぐシリンダ内長
２６ｍｍ排気蒸気をミゾに導く穴
スコッチヨーク機構ではクランクピンが回転に応じて、ヨークの中を左右にスライドしつつ、ヨーク自身が上下方向にスライドする仕組みです。 ピストン軸はヨークに直結しており、ヨークの上下運動がピストンの往復運動となっています。 ヨークのガイド軸にはサイドへの力はかかりますがピストンのサイドスラストは発生しないことになります。 基本的に、往復運動を回転運動に変換するリンク機構部の高さはピストンのストロークの分だけあればよく、エンジン高を低くすることが出来ます。 図２参照
工作上のポイントはリンク機構です。 回転運動と往復運動の変換の際にでヨークガイド軸に横方向の力がかかりますが、ガイド軸の平行性を確保し上下運動がスムースに行えることがポイントのひとつとなります。 また、ピストンとヨークが一体の為、ピストンの往復軸とヨークの上下運動軸の方向が基本的に一致していることが二つめのポイントとなります。 ピストン軸とヨーク部分の運動軸が一致しないと、大きな機械損失となりエンジン性能に大きく影響することになります。 実際にはピストン軸とヨーク軸と正確に一致させることは難しい為、ヨークガイド軸とスリーブの遊びで対応することになりますが、この部分の工作精度もポイントとなります。 なお、エンジンヘッド（パワーシリンダーとバルブシリンダーとのリンク）についてはいつもの工法、すなわち、両シリンダーとなる真鍮パイプをブロックに半田付け接続し、両シリンダー間の蒸気パイプをドリル穴で接続するという工法で製作します。 ＃６蒸気エンジンの外観図を図５に、図６にスコッチヨークのフレーム構造、図７に回転軸とピストンのリンクの様子を、図８にエンジンヘッドの構造を示します。
蒸気エンジン＃６の構成ポイント
バルブ
ストローク：８ｍｍ今回のエンジン構成では回転軸とパワーピストンとバルブピストンとのリンクをはかる必要があります。 パワーピストンは回転軸の先端に配置でき、クランクピンがスライドできればよい為、ヨークを小さくすることが出来ますが、バルブピストンは回転軸の中間にある為、偏芯カムがヨーク内をスライドする必要があり、ヨークそのものが大きくなってしまいます。 スコッチヨーク機構ではピストンとともにヨーク自身も上下運動することから、ヨークの重さの為に、一般クランク機構エンジンよりも振動が多いとされています。 スコッチヨーク機構と回転軸のリンクの様子を図３ に示します。
一般クランク機構
スコッチヨーク機構
ヨーク
ガイド軸
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に示すような「クランク機構」が使われています。 クランク機構ではピストンの動きと直角方向に力がかかり機械損失の要因となります（サイドスラスト）。 この損失を低減する為にはコンロッドの長さを大きくする必要があり（一般的にコンロッドの長さはクランク半径の４〜５倍とされています）、どうしてもエンジンが高くなるという問題があります。この高さを抑えるリンク機構のひとつが「スコッチヨーク機構」です。 図２参照。
