首振りスチームエンジンのしくみ


首振りとは?

 このスチームエンジンは、ピストンの往復運動とともにシリンダーも左右に振れ動くので、オシレーティング(oscillating)エンジンと呼ばれています。
 これを揺動エンジンなどと訳しているサイトもありますが、昔から首振りエンジンと呼びならわされています。
 なにしろ重いシリンダーまでがピストンと一緒に動いてしまうのですから効率の悪いエンジンなのですが、構造が簡単で作りやすいので模型スチームエンジンの入門機として好適です。
 ここに例として挙げた首振りエンジンは下記の本に載っていたもので、大きさはボア3/8インチ、ストローク3/4インチですが、それぞれ近い数値の10ミリ、19ミリとして作りました。
  シリンダーには、ホームセンターで買った、外径12ミリ内径10ミリの真鍮パイプを使い、それを支えるポートブロックは、12ミリの穴をあけた真鍮角材を半分に切って作りました。
 エンジン本体は、真鍮の厚板や丸棒から切り出した部材を、銀ロー付けで組み立てました。

K.N.Harris :Model Stationary and  Marine Steam Engines (TEE Publishing)

  追記
 日本国内で刊行されている本や雑誌で、首振りエンジンの設計図や製作法が載っているものはないかというお問い合わせがありましたが、私は見たことがありませんし、おそらく皆無だろうと思います。

なぜ首を振る?

 首を振るシリンダーとエンジン本体とがすり合う面が見えるように、エンジンを分解しました。
 シリンダーの上の方にあいている小さな穴が蒸気の出入り口です。
 この穴から入った蒸気が膨張してピストンを押し下げ、その動きがクランクに伝わって軸が回ります。
 一番下まで下がったピストンは、フライホイールの惰力で回り続けるクランクによってまた上に押し上げられ、膨張し終わった蒸気をもとの小穴から排出します。
 これを繰り返してエンジンが回転し続けるのです。
 ガソリンエンジンのシリンダーには、この吸気と排気それぞれに専用の穴が開いていてバルブと呼ばれる蓋がしてあります。その蓋をタイミングよく開け閉めし順序良く吸排気をしてエンジンが回っています。
 しかし、この簡易型スチームエンジンのシリンダーには給排気兼用の穴が1個しかないのですから、全く別の仕掛けが必要です。
 写真右のエンジン本体の上の方にはふたつの穴が開いています。右の穴はボイラーからの蒸気の供給口、左の穴は用済み蒸気の排出口です。
 シリンダーの穴をこのふたつの穴に交互に向き合わせれば、ひとつしかない穴でも順序良く給排気が出来ますから、そのためにシリンダーを左右に振り動かす、つまり首を振らせているのです。
  シリンダーの給排気口の下に突き出している棒がその首振りの軸ですが、前項の右端の写真に示したように、すり合わせ面を密着させるためのスプリングの保持の役もしています。
 このエンジンのピストンはご覧のように中ほどが細くなっていますが、設計図にはここにグラファイトヤーンを詰めるといったようなことは何も指示されていませんし、このままでも蒸気漏れはほとんどありません。この段差が簡単なラビリンスパッキンのはたらきをしているのではないかと思うのですがどうでしょうか。
 なおエンジン本体の右に取り付けてあるものは給油器なのですが、これについては別頁をご覧ください。

逆もまた可なり

 前項の写真では、エンジン本体の右の穴を蒸気の供給口にしていますが、左右を入れ替えて左の穴を供給口としてもなんら差し支えなくエンジンは動きます。
 ただし、供給口が右の場合には、シリンダーが右に首をかしげているときに蒸気が入ってピストンが押し下げられ、左に首を振っているときにピストンが上がって用済み蒸気が排出されますが、左を供給口にするとその動きが逆になります。つまり、エンジンは逆回転します。
 首振りエンジンだけでなく、どのスチームエンジンもどちら向きにでも回転出来ます。たとえば蒸気機関車の前進後退の切り替えには、自動車のようにそのためのギヤなどは必要なく、蒸気の供給方法を変えるだけで動輪の回転方向が変わります(その仕掛けをリバーシング・ギヤと呼んではいますが)。
 複雑なメカニズムを必要とせず、給気口と排気口とを入れ替えるという比較的簡単な仕組みで回転方向を変えることが出来るのは首振りエンジンの大きな利点ですが、その仕組みの概要は後ほど「2気筒首振りエンジンのしくみ」の項で申し上げます。

片押しと両押し

 ガソリンエンジンと違って、スチームエンジンは膨張する気体の圧力をピストンの両側で受けることができます。ピストンが往復ともに蒸気の圧力で動き、普通のスチームエンジンはみなその仕組みになっています。
 しかし、最も簡単な首振りエンジンにはその片方のみ、ピストンが下がるときにだけしか蒸気の圧力を受けられないものがあります。このページの最初に挙げた首振りエンジンがそれで、片押しエンジンと呼ばれ、シリンダーの下端には蓋がなく開けっ放しになっています。
 その下端にも蓋を付け、ピストンが上がるときにも蒸気の圧力を受けられるようにしたものが上の写真のエンジンで、両押し(複動)と呼ばれます。
 両押し首振りエンジンの仕組みは、片押しエンジンふたつをつなげたようなもので、エンジン本体には給気口と排気口とがふたつずつあります。そして、シリンダーにも蒸気の出入り口がふたつあり、シリンダーが首を振って斜めになるとその片方が給気口に向き合い、もう片方が排気口に向き合って、ピストンが押し動かされます。クランクが半回転し、シリンダーが逆向きに首を振ると給気と排気も逆になり、ピストンは押し戻されてクランクをさらに半回転させます。これを繰り返してエンジンが回転し続けるのです。

ひとつ作ってみたいのだが・・・

 面白そうだから作ってみたいとお考えの方々のために、首振りエンジン設計の要点を申し上げようと思います。
 いえ、難しいことなどありません。「はじめてのスチームボート」の頁に書きましたように、中学生当時の私にも、見よう見まねの設計で、有り合わせの材料を使って作ることが出来たくらいですから。

 左の図はこの頁の最初に挙げた片押しエンジンの設計図の一部です。
 図中の3/8インチとなっているAの寸法がクランクシャフトとクランクピン」との間隔で、この2倍がピストンのストロークになります。
 上のCの字の左の小円はシリンダーの首振り軸の位置です。
 そこから右上に向かって伸びている矢印の寸法9/32Rはシリンダーの首振り軸と蒸気の出入り口との間隔です。
 したがって上にふたつ並んでいる小円は、左右両端にシリンダーが首を振ったときの蒸気出入り口の位置で、エンジン本体にはここに給気口と排気口とをあけます。この穴の大きさは、シリンダーの蒸気出入り口と同じにし、しかもピストンが上下の死点に来たとき、つまりシリンダーが直立したときには蒸気出入り口が給気口と排気口の間に入ってどちらともつながらないサイズ、つまりふたつの穴の間隔の1/2の直径にします。
 ただし、この図を良く見ると、給気口と排気口が上述の位置よりもわずかに外側にずれています。それは、この図の設計ではシリンダーの蒸気出入り口の形を円ではなく四角(正確には扇形)にしてあり、それに対応して給排気口も角張らせるためのようです。
 クランクシャフトと首振り軸との間隔(図中のB)の大きさにはとくに決まりはありませんので、手持ちの材料の寸法などとにらみ合わせてABCの三つの寸法を勘案するなどして適当に決めます。
 なお、片押しエンジンではこれらの寸法にピストンの長さは直接関係しませんが、両押しエンジンでは大いに関係するので設計が少々面倒です。上の項の両押しエンジンのストロークは片押しエンジンと同じなのですが、給排気口の大きさや位置がかなり違うのはそのためです。

給排気口の大きさ

 下に挙げた本に首振りエンジンの給排気口の大きさについての解説が載っていますので、図を引用させてもらいました。

 左の図中のRはクランクピンの回転半径、pはシリンダーの首振り軸です。
 この図は前項の図よりも正確に描かれています。
 給排気口の位置を決めるのに、前項の図ではクランクが水平になったときのクランクピンと首振り軸とを通る直線をもとにしていますが、上の図では首振り軸を通りクランクピンの回転円に接する直線をもとにしています。
 給排気口はシリンダーが左右それぞれ最大に首を振ったところに開けるのですから、接線をもとにするこちらの図のほうが正確なのです。
 しかし両者の差はきわめてわずかですから、どちらの方式をとってもエンジンの性能には影響しないであろうと思います。

 右の図は、斜線が引いてある円がシリンダーの給排気口、その両脇の円がエンジン本体に開ける給排気口を表しています。
 Aの方式、つまり三つの穴を同じ大きさにするのが前項で申し上げた一般的なやりかたです。
 Bは、Xの寸法が細かい端数のついた数値になってしまって、それに合うサイズのドリルがないときにとる便法です。ただこのように三つの穴の大きさを変える方式は、後述の「2気筒首振りエンジンのしくみ」で申し上げますが、両押しエンジンに逆転装置を組み込もうとするときなどにたいへん役立ちます。
 Cでは、クランクが上下の死点に達する前に給気口や排気口が開き始める、いわゆる「リード(先開き)」になるので、高速回転時のエンジンの動きが滑らかになるのだそうです。ただし、死点でエンジンが停止すると蒸気が無駄に排出されてしまうことになります。 
 なお「リード」については、渡辺精一著「ライブスチーム」の63頁に解説があります。

Tubal Cain : Building Simple Model Steam Engines Book2 (Special Interest Model Books)

ラジコン船には2気筒を

 スチームエンジンは、電気を流せばいつでも回りだすことが出来るモーターと違って、蒸気を送っても回りださないことがあります。
 それはピストンが真上か真下の位置(死点)にあってシリンダーが直立しているときで、給排気口がふさがれているのです。
 この状態にあるスチームエンジンは、手を添えて、その位置からずらしてやらないと回りだせません。
 前の方の項で、スチームエンジンは給排気を切り替えれば逆回転させることが出来ると書きましたが、切り替えのときには、当然のことですが、停止状態を経てから回転の向きが反対になります。そしてその停止状態の様子によっては逆向きに回りださないこともありえます。
 このように自己起動しないことがある単気筒スチームエンジンは、模型船の動力として使うには少々不便です。つまり、いったん走り出させた船を途中で止めるとそのままになってしまう可能性があるのです。
 それを防ぎ、前進後退も出来るようにする工夫の一つは、エンジンは回しっぱなしにしておいて可変ピッチのスクリューを使うことですが、根本的な対策は2気筒エンジンにすることです。
 そして、ふたつのピストンが同時に死点に来ないように、ふたつのクランクの向きを90度ずらして取り付けるのです。
 ここにあげたエンジンでは、手前にあるコントローラーのレバーを縦にするとエンジンが停止し、左右に倒すと正転逆転が切り替わります。


追記
 その後作りましたオープンランチ「アフリカンクイーン」に載せたエンジンは単気筒ですのでスクリューを可変ピッチにしました。



 もう一つの2気筒エンジン

イギリスのSVS(Stour Valley Steam)の製品を真似し、手持ちの材料に合わせ、適当に設計して作ってみました。
 エンジンの大きさは、ボア8ミリ、ストローク10ミリです。
 シリンダーの材料は外径10ミリ内径8ミリの真鍮パイプです。
 ピストンは、最初はいつものように真鍮で作りましたが、同種の金属が摺り合うと磨耗が速いということを思い出し、燐青銅で作り直しました。
 このエンジンの特徴は、すり合わせ面を密着させるのに、首振り軸をスプリングで引くのではなく、ふたつのシリンダーをスプリングで引き寄せていることです。
 前項のエンジンの首振り軸を引いているスプリングは、実際には引きバネではなく押しバネなので、その強さの調節はしやすいのですが、このSVS方式のスプリングは、両端に輪があり、装着時の長さが決まっている引きバネですから、強さの加減にてこずりました。
  このスプリングは、弱ければすり合わせ面の摩擦が少なくエンジンは軽く回るのですが、蒸気圧で合わせ目が押し開けられて蒸気が漏れ出してしまいます。
 強くすると蒸気は漏れなくなりますが、蒸気に混ざって供給されている潤滑油もこなくなるので、場合によってはすり合わせ面どうしが食いついてエンストを起こしたり、面にムシレが生じたりします。
 ほどよくわずかな蒸気漏れになるように、試行錯誤でスプリングの強さを加減しています。
 前項のエンジンでは2気筒間をつなぐパイプワークがありますが、このエンジンではパイプは一切必要ないのですっきりしており製作も楽でした(その仕組みについては次項で申し上げます)。
 今度はV型2気筒エンジンを作ってみようと思っています。

 参考図書
 P.V.Williams : Scale Model Steamboats (Traplet Publication)

2気筒首振りエンジンのしくみ

 本来ならば図で解説すべきところを写真で説明しますので、前のほうの項の「両押しエンジン」の写真と合わせてご覧いただき、立体的な構造をよろしくご推察ください。

 シリンダーへの給排気口である a と b の4つの穴はそのまま向こう側へ貫通していて、そちらのシリンダーとも向き合っています。

 エンジン上面の4つの穴のうちの A と B とは下向きに深く開けられていて、A は a a と B は b b とそれぞれつながっています。
 ですから、A B どちらかの穴から蒸気を送り込めばエンジンは回転し、用済みの蒸気はもう片方の穴から排出されます。
 上面の C D の穴は下向きに浅く開けられていて、C は給気配管に D は排気配管につながっています。
 いっぽう、エンジン上面には、上の写真に示した、円弧状の溝が2本彫られているコントローラーかぶされており、これを回すことによって、給気口 C を A とつなげたり B とつなげたりして蒸気の流れを反転させ、エンジンの回転の向きを変えるのです。
 C が A B どちらともつながらない位置にコントローラーを回せばエンジンは停止します。

  次に、シリンダー側の蒸気の出入り口の大きさより、エンジン本体に開けてある a b の穴のほうがずっと大きくしてあるわけをお話します。
 このエンジンでは、シリンダーの蒸気出入り口の首振り幅を2.8ミリとしましたので穴の直径はその半分の1.4ミリになっています。したがって、本来なら a b の穴の直径も1.4ミリで、その中心間隔は2.8ミリにします。そしてその間隔の両穴に向けて上面から A B の穴を下ろします。ところがこの場合下ろす途中でシリンダーの首振り軸のために開けてある直径2.5ミリの穴と交わってしまうのです。つまりそこから蒸気が漏れてしまうのです。
 それを避けるために、穴 a b の中心間隔を広げ、なおかつ向き合った穴の縁の間隔が1.4ミリになるような大きさの穴にしてあるのです。

 V型2気筒エンジン

 このV型2気筒エンジンが回転する基本的な仕組みは直列2気筒エンジンと同じなのですが、ご覧のようにコントローラーをつなぐためのパイプワークが必要になるなど、物々しい構造になってしまい、工作もやや面倒でした。
 ですから、作っているうちに、こうまでしてV型にする必要があるのだろうかという疑問が湧き起ってきましたが、イギリスのスタン・ブレイ氏はその著書 Stan Bray: Making Simple Steam Engines (The Crowood Press)でこう言っています。

 V型2気筒は、少々大きめな出力が得られる割には広いスペースを占めることがないエンジンとして、模型船愛好家に良く知られている。

 同じシリンダーをV型に配置しただけで出力が増したりするかなぁ、と思いつつ試運転をしてみると、直列2気筒より力強く回っているような気もします。
 しかし、同じシリンダーを使った直列2気筒のパッフインとV型2気筒のペリカンという2タイプの首振りエンジンを販売していたチェダーモデルズのカタログには、両者はデザインが違うだけで出力は同じである、と書いてあるんですがねぇ・・・
 どちらのエンジンもいずれオープンランチを作って載せる予定ですが、そのときに違いを感じるかどうか・・・
 ところで、出力の差はともかくとして、V型はあまり振動せず静かによく回っています。どうやらこれは、直列型にはつけずV型にはつけたフライホイールの効果のようです。
 そこで思い出したのは、下記の本にあるこんな記述です。

 実験によれば、絶えずスクリューの負荷がかかっているエンジンには重いフライホイールが必要である。このことを考慮していないエンジンメーカーがあり、役立たずなエンジンのフライホイールを重いものに取り替えると力強いエンジンになることもある。

     P.N.Hasluck: The Model Engineer's Handybook
     「A Practical Manual on Model Steam Engines」
     (Reprinted by Lindsey Publications Inc)
  この本は、なにしろ1918年に書かれたもののリプリントですので、今となっては実用的な利用価値はほとんどありません。

 なお前のほうの項で、2気筒エンジンでは、ピストンが両方同時に死点に来ることのないよう、ふたつのクランクの位置を90度ずらすと述べましたが、気筒間の角度を90度にしたV型エンジンでは自動的にそうなります。
 気筒間の角度が180度の水平対向エンジンでは、両方同時に死点に来ることがありますから、2気筒では自己起動しないこともありうるでしょう。 

気筒首振りエンジンの最大の利点

  私はこれまで首振りエンジンしか作ったことがなかったので、ラジコン船の動力としての首振りエンジンには、本格的なスライドバルブスチームエンジンには無い特徴があることに、最近になってやっと気付きました。
 それは、首振りエンジンのコントローラーには、回転方向の切り替えだけでなく、供給蒸気量を加減できる、すなわち回転数もコントロールできる機能があるということです。
 具体的には、コントローラーのレバーを中立の位置にすると蒸気の供給が止まりエンジンは停止します。そこからレバーを左右(もしくは上下)どちらに回すかによって回転方向が決まり、そのレバーの回転角に応じて蒸気の供給量が増減し、回転数が変わるのです。
 したがって、サーボひとつだけでエンジンコントロールができるので、ラダー用とあわせてふたつのサーボで間に合う、つまり2チャンネルのラジコンで船を自在に操れるのです。
  それに対して、スライドバルブエンジンなど、首を振らない本格的なスチームエンジンでは、回転方向と回転数とは別の仕組みでコントロールされるのでサーボがふたつ入用で、ラダー用とあわせて3チャンネルのラジコンが必要になるのです。

オープンランチ用パワープラント

 直列とV型の2気筒首振りエンジンにそれぞれボイラーを組み合わせて、オープンスチームランチ用の動力部を作りました。
 ボイラーの大きさは、横型が直径7センチ長さ12センチ、縦型が直径7センチ高さ10センチです。
 画像手前のものには「ビクトリアンスチームランチ」を、奥のものには「ミニバップ50」の、それぞれキングストンモールディングス社のFRP製のハルを購入して搭載しましたので、別頁でご覧いただきます。

  V型4気筒エンジン 

   この本の巻末に、Peter Arnot氏がデザインしたV型4気筒エンジンの作り方が載っていました。
 Phillip Vaughan Williams 「Scale Model Steamboats」 Traplet Publication
 面白そうなので作ってみようと思いましたが、文章のみで図はまったくありませんので、出版社から設計図を買いました。 
 4気筒となると部品の数も多く、作るのは少々大変でしたが、何とか出来上がりました。



 エンジンは、ボア8ミリストローク12ミリと、小ぶりです。
 出来上がってもすぐには回りだせず、あちこち手直しせざるを得なかったので、我が工作技術の未熟さを改めて痛感させられました。
 回ってみるとさすが4気筒、静かに滑らかに回転します。
 しかし、もともとスチームエンジンはガソリンエンジンのように騒がしくはないのですから、はたして苦労してまで4気筒にする必要があるのだろうか、2気筒で十分ではないのか、というのが偽らざる感想です。
 なお、図には同じアーノット氏設計のボイラーも描かれており、それも作りましたが、その様子については別頁で申し上げます。