星型エンジン

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5気筒星型エンジンの動作
航空機の機首に装備された星型エンジン

星型エンジン(ほしがたエンジン)とは、シリンダーを放射状に配列したレシプロエンジン20世紀半ばまで航空発動機ガソリンエンジンが中心で、その中で空冷星型の気筒配列が最も多く採用された。

構造[編集]

クランクシャフトを中心にしてシリンダーが放射状に並べられる。英語では文字通り「Radial engine」(放射状エンジン) と呼ばれる。他の言語では、ドイツ語のSternmotor(Stern=星)やフランス語のMoteur en étoile(Étoile=星)などは、日本語と同じように星になぞらえている。ひとつひとつのシリンダーは独立している。コネクティングロッドはマスターロッドとサブロッドを用いる方式を使う。ひとつのピストンがマスターロッドを介してクランクピンに繋げられ、他のシリンダーはサブロッドでマスターロッドを介して繋げられる。回転に伴いマスターロッドのサブロッド取り付け部が偏心運動する事でサブロッドはクランクピンを通る角度からずれるのでピストン位置がずれる。そのずれを補正するためにサブロッドのシリンダーは点火時期(点火位置)をずらすことが一般的である。マスターロッドのピストンには、そのようなずれは生じない[1]。列あたりのシリンダーの数は4ストロークエンジンの場合、点火順序をひとつおきとすると爆発(燃焼)間隔が等間隔となるため、奇数気筒が基本である。気筒数が偶数であるものは奇数気筒の列を偶数列重ね合わせた(二重または四重)エンジンである。ただし、偶数気筒の列を持つ星型エンジンも試作されたことがある(ブリストル飛行機ブリストル・ヒドラ英語版)。ポペットバルブの駆動方式はほとんどがOHV方式であり、OHCのものも開発されたが主流にはならなかった。

エンジンの中心部に部品が集中している構造上モーターカノンは搭載できないため、単発機の機銃は機軸から離れた位置に設置する必要がある。

特徴[編集]

5気筒星型エンジンの給排気弁とそれを作動させる機構の構造図
エンジンカウルに防寒シャッターが取り付けられたポリカールポフ・I-15。極寒のシベリアにおける、星型エンジンのオーバークールを予防するための装備である。
短いクランクシャフト
一重の星型エンジンではクランクシャフトが単気筒エンジンと同じ長さになり、エンジン製造技術の低い20世紀初頭では、クランクシャフトが長大になり剛性の確保が難しい直列エンジンV型エンジンよりも製造が容易であった。また、全体的に見ても軽くて頑丈に仕上がる。
冷却方式
各シリンダーが前面にさらされるために冷却風が当たりやすく、ほとんどが空冷で済ますことができた。例外的に水冷のものも存在した。
反面、断面積が大きいため、速度が増せば増すほどプロペラ後流が冷却に浪費されると言う欠点が有った(この欠点はカウルにより軽減することができる)[2]
また、推進用のプロペラとは別に、小型の強制冷却ファンを用いる方法もある。
しかし、冷却効率が良い事は、寒冷地に於ける冷間始動に際してエンジンオイルオーバークールを含む、始動性の問題を抱えやすいことも意味していた。戦前のカナダ北部では、整備士たちは毎日日没が近づくと航空機の星型エンジンからエンジンオイルを抜き、シリンダーには分厚い毛布を巻きつけてシリンダーブロックの温度低下を防ぐ措置を行う必要があり、翌朝の始動に際しては前日に抜いていたエンジンオイルをブローポットと呼ばれる灯油ストーブ付きの鍋で加熱してからエンジンに再度入れて冷間始動を行うという、大変な重労働を強いられていた[3]。こうした状況は当時の寒冷地を抱える列強国の多くで共通した問題であり、1937年にはアメリカ空軍軍属のウェルドン・ワースにより「エンジンオイルに航空燃料を意図的に添加する事で粘度を低下させる」というアイデアが考案され[4]、ほどなく冷間始動時のみに自動的にエンジンオイルに航空燃料を混和させる滑油希釈装置(: oil-dilution system)が特許取得されるに至る[5]。滑油希釈装置で混和された燃料は、エンジンが始動してエンジンオイルが加熱されるとオイルより先に蒸散する為、暖気完了後はエンジンオイルの粘度が元通りになるという仕組みであり[6]、星型エンジンのみならず、連合軍水冷V型12気筒を用いる航空機の多くに普及したが、同時期のナチス・ドイツではこの概念が広く理解されることが無いまま独ソ戦に突入し、厳冬期の東部戦線ではエンジンオイルの凍結に苦しめられる事になった。皮肉にも、この問題の解決策はソビエト連邦軍の捕虜たちから伝達される事になった。ソ連兵捕虜達は、エンジンオイル注入口から航空燃料を流し込み、エンジンルーム内に燃料を振り撒いて火を付けるというドイツ兵から見れば破天荒極まりない手段を用いて、しばしばドイツ空軍の航空機や車両のエンジンの冷間始動を成功させたのである[7]。他にも、イギリス空軍では強力な灯油ヒーターを用いて温風をエンジンルームに送り込む装置を搭載したライトバンを「除氷バン」の名称で採用したり[8]満州国に展開した大日本帝國陸軍飛行戦隊では、星型エンジンのシリンダーをすっぽり被える構造の巨大なハクキンカイロを採用するなどして[9]、星型エンジンの極寒下での冷間始動性の向上の努力を行っていた。
多気筒化
死点を生じないよう、ほぼすべての星型エンジンが奇数気筒であり、多くは7、9気筒を採用した。さらなる多気筒化の場合、それらを直列につなぎ合わせた、二重、三重、四重星型とされた。後列のシリンダーを空冷するため、その前の列のシリンダーの間に位置する。3列以上の多重星型では、小型高出力を追求するあまり、冷却の均等性や整備性が犠牲になった例もみられた。
板カム(OHVのみ)
放射状シリンダーの為、給排気の弁を作動させるプッシュロッドも放射状に並ぶ。従って多くの場合カムシャフトは用いられず、カムはクランクケース外周に沿った大きな円板である。
スムーズな回転
全方位に対して対称な形状のため、理論上、慣性力については実用上ほぼ完全な均衡が得られる。同時に、クランクシャフトへの負担も小さくなる。ただし重力(もしくはG)の関係上、キャブレター方式では、全ての気筒に均等に混合気を配することは比較的困難である[10]
天山一二型試作機(B6N2)のプロペラを手で回転させる地上要員。下部シリンダーへのオイル滞留の予防や、冷間始動前にクランクシャフトが流体固着現象英語版を起こしていないかを確かめる意味もあった。
オイル下がり
放射状にシリンダーが配置されるため、時計で言う処の3時と9時(水平)よりも下側に配置されるシリンダーはエンジンオイル重力燃焼室に垂れ落ちるオイル下がりが発生しやすくなる。特に時計の6時に位置する真下を向いたシリンダーの場合、下がったオイルにより点火プラグの電極が水没して始動不良の原因になる事が多く、最悪の場合シリンダー全体がオイルで満たされてしまい、ピストンが下降できないためクランクシャフトが動かなくなってしまう(流体固着、ハイドロリック・ロック)事もあった。この状態で無理に始動しようとすると、水撃作用によりコネクティングロッド(コンロッド)が曲がったり、折損したコンロッドがシリンダーやクランクケースを突き破るエンジンブローが発生する恐れすらあった。ピストンリングやシリンダーの真円度などの加工精度の問題や、エンジンオイルの品質の問題などにより、旧日本軍の星型エンジンでは下側シリンダーへのオイル下がりが発生しやすかったため、冷間始動前には真下に位置するシリンダーのヘッドから点火プラグを取り外し、シリンダー内に溜まったオイルを必ず抜く必要があっただけでなく[11]、着陸してエンジンを停止させた際には地上要員が手でプロペラを回して真下に位置するシリンダーのピストンを上死点まで上げておくことで、燃焼室内へのオイル滞留を最小限に留めておく配慮を行う必要も生じることとなった。


具体例[編集]

代表的な星型空冷エンジンを以下に挙げる。

その他は航空用エンジンの一覧を参照

歴史[編集]

イタリア王国イタリア陸軍の将軍ジュリオ・ドゥーエは将校時代にトリノ工科大学で電気工学を専攻、軍用星型エンジンを研究し評価された。実際に航空機用に星型エンジンを最初開発・製造したのは、アメリカサミュエル・ラングレーとその助手であるチャールズ・マンリーであった。マンリーが1901年に制作したマンリー・バルザーエンジンは5気筒で52馬力を出し、ライト兄弟フライヤー1に搭載したエンジン(12馬力)よりも性能がよかった。しかし、このエンジンを搭載した実験機エアロドロームは1903年に行った2度にわたるテスト飛行に失敗、その成果をあげることはできなかった。

脚注[編集]

  1. ^ 鈴木 孝「古今東西エンジン図鑑」フランプリ出版、2017年1月25日初版発行、90頁
  2. ^ 『航空発動機』p.491
  3. ^ Bent Props & Blow Pots - ハーバー・パブリッシング英語版
  4. ^ Bent Props and Blow Pots - The NetLetter
  5. ^ アメリカ合衆国特許第2,188,801号 - Oil dilution system
  6. ^ Article: Bye, Bye Blowpot! - カナダ西部航空博物館英語版
  7. ^ フィリップ・カプラン『Fighter Aces of the Luftwaffe in World War II』ペン・アンド・ソード・ブックス英語版、2007年4月1日、118ページ。
  8. ^ ROYAL AIR FORCE: 2ND TACTICAL AIR FORCE, 1943-1945. - 帝国戦争博物館
  9. ^ ハクキンカイロ資料館 - 聖火輸送 ハクキンカイロ株式会社
  10. ^ 『航空発動機』p.350、p.360
  11. ^ 始動から離陸まで - 一式戦闘機「隼」研究所

参考文献[編集]

  • 富塚清編 『航空発動機』1943年12月15日、共立出版株式会社(初版。出典として用いたものは1944年の第3版。原題は旧字体で『航空發動機』)。

関連項目[編集]