シリンダー
シリンダー (Cylinder) とは、英語で「円筒」を意味する単語である。
“シリンダー”と呼称されるものにはいくつかの種類があるが、本項では主にレシプロエンジンの構成部品の一つについて既述する。
概要
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「円筒」の意味から転じて、気体や液体などの流体を内部に納める筒状の部品を指す。流体を移動、あるいは流体によって作用されるためにピストンを対に持つことが多い。
「シリンダー」と呼ばれるものには以下のものがある。
- 注射筒。「シリンジ」と呼ぶ。
- 管楽器の部品。
- 鍵の一種。ピンタンブラー錠などシリンダー構造を持つ鍵の総称としてシリンダー錠と呼ぶ。
- 回転式拳銃の弾丸を収める回転輪胴。
- ハードディスクの記憶単位の一つ。一般に「シリンダ」と呼ばれる。
- 油圧又は空気圧・水圧及び電動によって伸縮駆動する「アクチュエータ」の構成部品の一つ。それらを総称して「動力シリンダー」とも呼称される。
- 高圧ガス、液化ガス等を充填し持ち運ぶための耐圧容器。日本語では「ボンベ」と呼ばれることが一般的である[注釈 1]。
- 熱機関の一種であるレシプロエンジンにおけるピストンを収容する金属製の筒。日本語では「気筒」と呼称される。
以下、上記2つの「シリンダー」について詳述する。
エンジンにおけるシリンダー
初期のエンジンにおけるシリンダーはエンジンにおいて最大の部品だった。ピストンがもたらす摩擦を如何に軽減するかについて様々な実験が行われた。蒸気エンジンでは発生する水分が減摩材として作用するため、潤滑機構は無いか、あっても簡単なものであった。
外燃機関
外燃機関のシリンダーは、燃焼室が無いため対称的な構造をもつ。作動流体の熱エネルギーを膨張によって運動エネルギーに変換しピストンに伝達する。シリンダー内側は滑らかな場合が多く、ピストンにはガスケットが取り付けられ二つの部屋を分離密閉している。ピストンの運動は直線の往復運動の形で取り出され、外部のクランクによって回転エネルギーに変換している。シリンダーは付属するスライドバルブによって吸気排気が切り替えられ、一往復で2回運動エネルギーを取り出すことができる。主に蒸気機関に用いられた。スターリングエンジンのようにシリンダーが熱交換器として作用するものもある。
内燃機関
内燃機関のシリンダーは外燃機関の機能を踏襲しており、基本的な構造や役目は外燃機関と似ているが、より複雑になった。 一端はピストン・シリンダーヘッドと共に燃焼室を形成し、その密閉された容積により燃料と空気（混合気）を圧縮する。 圧縮された混合気は点火され、爆発燃焼する。燃焼して生じた燃焼ガスが持つ熱エネルギーによる膨張をピストンで受け運動エネルギーに変換する。 燃焼室の反対側ではピストンの運動をコネクティングロッド（コンロッド）・クランクシャフトにより回転エネルギーとして取り出すための開口部となる。 水冷エンジンにおいては外壁または二重構造による中空部でウオータージャケットを形成して冷却を行う。 2ストローク機関ではシリンダーに開けられた穴・インテークポートとエキゾーストポートにより掃気が行われる。 シリンダー内側はホーニング加工されており、クランク側から供給される潤滑油を保持しピストンが滑らかに動くよう潤滑する。ピストンには複数のピストンリングが取り付けられ気密を保ち、シリンダー壁面の油膜を最適に保つ。
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのシリンダーはかつては単体の部品で、鋳鉄製の筒が一般的であった。特に空冷エンジンにおいてはシリンダーに複雑なデザインの空冷フィンを形成する関係上、フィンの製造のしやすさと、何らかの理由によりフィンが欠けた場合に容易に新品に取り替えることが出来るように、クランクケースとシリンダーが分離された構造のものが主流であった。この構造は現在でもオートバイのエンジンにおいては主流であり続けている。
一方、自動車においては現在の主力は、摺動部の耐磨耗性の観点からシリンダーライナーを導入しシリンダージャケットに圧入もしくは鋳造時に鋳込んで用い、シリンダーをクランクケースと共に一体鋳造としたシリンダーブロック方式が普及しつつある。この構造はシリンダー部単体での交換の必要性が薄い水冷エンジンの普及と共に発達し、シリンダーとクランクケースが一体化されることでエンジン全体の強度が増し、一部の用途（F1などのモータースポーツ）においては、シリンダーブロック自体をシャーシの構造材の一部として用いることも出来るようになった。
ライナーを導入しない方式はライナーレスエンジンと呼ばれるが、シリンダー内壁にニッケルシリコン合金（Nikasil:ニカシルorニカジル（商標))に代表される金属酸化物添加合金をめっき（溶射)するもので、1967年NSU・Ro80に使用され、ポルシェが1970年にレースカー（ポルシェ・917）に採用したのをはじめ、主にハイエンド仕様やレース仕様の車や小型車、バイクを中心に普及した。ライナーレス仕様は軽量で放熱性に優れ、ピストンリングと親和性が高いのが特徴。またピストンもシリンダーも同じアルミニウム合金で作ることができるため、熱膨張してもクリアランスが保たれエンジン出力の向上に寄与する。溶射部分の耐久性は鋳鉄と同等以上であり、表面にほどこされたホーニング加工をエンジン寿命の終期まで保ち続ける。一方量産性と溶射加工時のスループットが長いことから加工コストが高くなる。
部品点数の削減と剛性の向上を図るため、クランクアッパーケースとシリンダーブロックを一体鋳造したエンジンもあり、3ピースエンジンなどと呼ばれる。
ヤマハ発動機はライナーレス方式を発展させ、シリンダーブロック全体をアルミニウム・シリコン合金でつくり、メッキさえも不要としたDiASil（ダイアジル）シリンダーを開発した[1]。この方式によればメッキ方式に見られるスループットの問題は改善されるが、硬度が高く鋳造後の加工が困難となるのが欠点である。
船舶用エンジンはシリンダー・ピストンが巨大であり、大量の空気を充填し、きわめて長くて太いシリンダーで効率的に大きな出力を獲得できるよう工夫してある。
シリンダー数
エンジンは普通、気筒（シリンダー）の数で、シリンダー1つが「単気筒」、以降2気筒、3気筒…と分類され、さらに2気筒以上のエンジンでは、配置（シリンダーバンク）次第で直列、V型、W型、星型、水平対向などと分類される。
一般的に、同じ配置方法であれば、シリンダー数が少ないほど部品点数が少なくなってメンテナンスが簡単になるメリットがあるが、一次振動や二次振動などをシリンダーの工夫で押さえ込みにくい。また1つのシリンダーをあまり大きくすると強度や燃焼効率などに影響が出るため、大型化にも限度があり、すなわち高出力エンジンを作ることが難しくなる。
逆にシリンダー数が多くなるとエンジンの回転が滑らかになり、シリンダー1つあたりの容量が同じでもシリンダー数が増えることで排気量が大きくなり、高出力なエンジンを作ることができる。 反面、部品点数が多くなってエンジン内部の摩擦（＝損失）が増え、メンテナンスも手間がかかるようになる。また同じ排気量でもシリンダー数が多くなるとシリンダー内部の表面積も増えるため、燃焼熱が逃げやすくなる。
シリンダー数は、一般的に、エンジンのタイプ（ガソリンエンジンなのかディーゼルエンジンなのか、2ストロークなのか4ストロークなのか）エンジンが搭載されるもの（船舶なのか航空機なのか発電機なのかなど）、排気量、求められる出力などによって決まる。小型発電機であれば単気筒や2気筒、バイクは単気筒から、自動車は昔の軽自動車（360cc時代）は2気筒、現在の軽自動車は3気筒が主流で、乗用車が2気筒から8気筒が主流（高級車やスーパーカーでは12気筒もあり。その他、10気筒や16気筒など）、航空機は2気筒から星型の十数気筒まで様々ある。
シリンダー配置各種
- 単気筒
- 直列型エンジン
- V型エンジン
- 水平対向 シリンダー配置としてはV型エンジンの角度が180度のタイプだが、クランクシャフトの形状によって2種類ある。例えば左右のピストンが拍手をするような動きをするもの。つまり右のピストンが上死点の時に左のピストンも上死点のものを水平対向エンジンと言う。右のピストンが上死点の時に左のピストンは下死点のものを180度V型と言う。
- W型エンジン
- 星型エンジン 航空機に用いられていたが、オートバイなどにもごく一部用いられた
注釈
関連項目
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オートバイ部品と関連技術 | ||||||||||||
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