２気筒ピストンバルブエンジンの製作

二気筒ピストンバルブエンジンの製作
なぜピストンバルブを
理由は単純で、スライドバルブエンジンは２台作ったので、今度はピストンバルブエンジンを作ってみようということです。　しかし、思い立ったのはいいが少々不安であります。　なぜなら、摺動面が平面のスライドバルブと違って、摺動面が円筒のピストンバルブは高い加工精度が求められるうえに、バルブの摩耗はそのまま蒸気漏れにつながるのだそうなのです。追記　理由はもう一つありました。　ピストンバルブエンジンは、首振りエンジンと同じように、給排気を入れ替えるだけで逆回転させることが出来るのだそうです。　と言うことは、サーボ一つでエンジンコントロールができそうなので、ラダーコントロールと合わせて２チャンネルのラジコンで操船可能なのです。
鋳物素材をリーブスから
初めてのスライドバルブエンジンは、単気筒だったこともあって、鋳物素材は使わず、手持ちの材料だけを使って作りましたが、今度はそうもいかないので、イギリスのリーブス社から図面と鋳物素材とを買いました。　エンジンのボアとストロークは1/2インチか5/8インチなのですが、私は5/8インチを16ミリとして作ります。　図にはスライドバルブ、ピストンバルブ両方が描かれており、そのせいかどうか注文したのはピストンバルブのキットなのにスライドバルブの材料も一緒に送られてきました。　それだけでなく、給水ポンプのパーツの一部まで含まれているというおおらかなキットです。　鋳物の出来もおおらか、と言うかおおざっぱで、スチュアート社の鋳物素材とは大違いですから、これを切削加工するのかと思うと気が遠くなりかかりますね。。　なお、鋳物の材質はすべて砲金です。
クランクシャフトは難物だ

当然のことながら図面には製作手順など書かれていませんが、まぁ順当なところで台座から取り掛かり、次いでその上に乗るシリンダーブロックの４面を削り上げました。　しかし両者の取り付け穴をあけるにあたり考え込みました。　これからの作業手順はよく考えないと、後々思わぬところに食い違いが生じる可能性があります。　そこで軸受けや二つのシリンダーの間隔と密接な関係があるクランクシャフトを先に作り、それを基準にしたほうが良いのではないかと考えたのです。　しかしこのクランクシャフト製作は一筋縄ではいきそうもありません。　スチュアートの10Ｖエンジンやイマーラ用の2気筒首振りエンジンのクランクシャフトは、パーツを銀ロウ付けで組み立てて作りましたが、今度は1本の丸棒からの削り出しに初めて挑戦することにしました。　素材は25Φの軟鋼丸棒で、端面に中心用と二つのクランクピンのオフセット切削用との３つのセンター穴をあけ、クランクウェブの位置を罫書きました。
おっかなびっくり切削開始

クランクピンの切削は偏心かつ間欠切削の突っ切りなので、旋盤のバックギヤを入れ毎分80回転ほどの低速で、恐る恐る削り始めましたが、食い付かせることもなく進行できました。　予想外にうまく削れたのは、材料に快削鋼を使ったためでした。　これまで私が使ってきた鉄材のほとんどは、いわゆるナマと呼ばれる、ＳＳ材でした。　と言うのは、馴染みの金属材料屋さんが扱っているのが主にＳＳ材なので、その端材を安く、大きさによってはタダで、譲ってもらっていたからです。　しかし今回の切削はいささか複雑なので快削鋼を使ったほうが無難だろうと、その店に聞いてみたところ、在庫はなく取り寄せになるので、何メートルかの定尺販売になるそうなのです。　定尺でもさほどの値段ではないのですが、そんな長いものを買ってもこの歳で使い切れるわけがないので、極めて割高にはなるがネットでの通販で短いものを買いました。　使ったバイトは、「あなたを突っ切りの悪夢から目覚めさせる」という謳い文句に釣られて買ってあった、イギリスのGREENWOOD TOOLS の製品です。　これはＳＳ材に使うと食い付きやすくて使いにくいのでしまいこんであったのですが、相手が快削鋼だと順調に削れました。
大き過ぎないかい？
削りあがったクランクシャフトを台座に乗せてみたところ不釣り合いに大きい感じで、クランクウエブも台座の穴に入りません。　台座の穴はそのままで手を加える必要はないと思っていたのですが、そうはいかないようです。　どうもいい加減な鋳物素材だなぁ。　どうやらクランクシャフトを先に作ったのは正解だったようです。
軸受けの取り付け

３つの軸受けで軸を支えるには軸穴が一直線上に揃っていなければならず、加工に注意しなければならないことはタグボート「イマーラ」用のエンジン製作の際の苦労で十分承知しています。　がしかし、台座に軸受け取付用の穴を開けようとした寸前になって、「その位置は軸受けの穴によって決めよ」という注意書きが図面に書かれていることに気付く有様で危ないところでした。　そこで、丸棒を仮の軸穴に乗せ軸受けの位置を揃えて台座に穴をあけ、上下２分割されている軸受けを組み立て取り付けました。　イマーラ用エンジンと違って、このエンジンの台座はコンパクトなので、一気にリーマ用の下穴開けとリーマ通しをすることができました。　燐青銅で作ったブシュをはめたクランクシャフトを組み立てたところ、心配していた固くて全く回らないということはなく、ポリッシングコンパウンドを使った擦り合せで滑らかに回るようになりました。
シリンダーボア
クランクシャフトが台座に納まりましたので、ふたつのクランクピンの間隔や台座へのシリンダーブロックの取り付け穴との位置関係などを再確認し、シリンダーの中心位置を定め、ボーリングに取り掛かりました。　ふたつのシリンダーボアはブロックの底面に垂直かつ互いに平行でなければならないので、面板を使っての旋削にしましたが、ブロックの側面が鋳肌のままの不整形なので取り付けに手こずり、大きな面板を使うことになってしまいました。　穴あけは、まずドリルを細いものから太いものへと順次替えて直径１３ミリまであけ、あとは超硬チップ付きのボーリングバーで少しずつ広げて１６ミリに仕上げました。　その際に「工具あれこれ」で紹介しましたテレスコピック・ボア・ゲージが活躍しました。　手持ちのドリルにはシャンクを細くしてあるノスドリルの１５ミリがあるのですが、穴あけ精度に不安があるので使いませんでした。　なお、作業中に回転している面板のふちが少しブレるのに気づき、ハテおかしいな、この面板はそんなはずはないのだがといぶかりましたが、作業終了後に面板だけにして回してみたところブレはまったくありません。　どうやら頑丈そうに見えても、強く締め付け過ぎたので、ゆがめてしまったようですが、中心部にある工作物の精度には影響はないでしょう。　さて、シリンダーボアが開いたので次は上下のシリンダーカバーとクロスヘッドが滑り動くガイドパーツの加工ですが、カバーはいいとして、ガイドは「全面加工せよ」と図には書いてあるのですが、こんな形の素材をどうやって掴んでどう削ればいいんだろうか。　それにふたつは両端の形が違い、片方の中心には穴が開いているのはいいとしても、その穴は丸ではなく四角いのはどういうつもりだい？
クロスヘッドガイドの加工
図にはこのパーツはトランクガイドと書かれているのですが、なじみがない名称なので、クロスヘッドガイドと呼ぶことにします。　加工はまず中心の穴あけからだろうと、シリンダーボアと同様に面板を使うことにしました。　素材を保持しているのは、やっと出番が回ってきた、いずれ使うこともあるだろうからとずっと前に買ってあったマイフォードのアクセサリのＶブロックです。　素材の保持面は不整形な鋳肌のままなので、落ち着かせようと焼きなました銅板を下に敷きました。　穴を開けた素材をヤトイで保持して回し外形を加工します。　「ミニ旋盤を使いこなす本」ではヤトイの先を広げるのに管用のテーパーネジを使っていますが、私は先タップで開けた不完全ネジ部に六角穴付き止めネジをねじ込んで広げています。
シリンダーカバーは難物だ
ふたつ前の項では「カバーはいいとして、ガイドは「全面加工せよ」と図には書いてあるのですが、こんな形の素材をどうやって掴んでどう削ればいいんだろうか」と書きましたが、どうやら話は逆で、クロスヘッドガイドはさしたる苦労もなく削り上げることが出来ましたが、カバーのほうは簡単ではなさそうです。　とくに下のカバーは、片面にシリンダーボアにぴったりはまる凸部をつくり、反対の面にはそれと同心にクロスヘッドガイドがはまるとともにスタッフィングボックスともなる凸部を削り出し、その中心にピストンロッドが通る穴を開け、グランドナット用のネジを切らなければならないのです。　スチュアートの10Ｖエンジン作りの時も同じ加工をしたはずなのですが、どうやったかまるで覚えていないので、ガイドブックを読み返してみたところ、このような形の鋳物素材ではなく単なる鋳物の丸棒素材でした。　鋳物素材には保持するための軸がついてはいるのですが、これを掴んで回してみると盛大な心ブレがあり、とてもこのままでは使い物になりそうもないので、面板を使い素材の円盤部を基準にして軸を修正削りしたところです。
バルブチェストのほうが難物だった
シリンダーカバーは上下ともさほど苦労することなく削り上げましたが、次に手がけたバルブチェストのほうが大変でした。　ピストンバルブが滑り動く深い通り穴を不整形の鋳物素材に開けなければならないので、小さいアングルプレートを使って面板に取り付けて開けました。　チェストにはそのほかにもいろいろな穴を開けなければならないのですが、二つある鋳物素材の外形が不揃いなため、基準面を同じにしても鋳物の外形に対する穴の位置が揃わずてこずりました。　このチェストとシリンダーブロックには蒸気の通り道である長円形の穴を三つずつ開けるのですが、この穴の大きさと位置の正確さはピストンバルブの機能ひいてはエンジンの性能に直接かかわります。　そこで、ほかの場所のようにインチ寸法を近くて区切りのよいミリ寸法にすることは止め、インチ寸法にそのまま従うことにしました。　穴の幅は1/8インチなのでミリでは3.175㎜ということになります。　しかし、まあそこまでは従わず3.2㎜でよかろうとと考えましたが、こういう端数サイズのエンドミルはびっくりするような値段なので、1/8インチのハイス材２枚刃エンドミルを２本ネット通販でイギリスのクロノスから買いました。　買ったのは2012年の６月で、まだ円高ポンド安だったので、送料込みで１本1350円でした。
コンロッドはもっと難物だ
図には材料として、ロッドはマイルドスチール（軟鋼）、ベアリング（ビッグエンド）はガンメタル（砲金）とあっさり書いてあるのですが、鋳物キットに入っているのは右の写真の下にある砲金のブロックだけですから、ロッドは自分で作れということです。　シリンダーカバーなんかは丸棒素材でいいから、こんな複雑な形をした部品こそ鋳物にしてほしかったなぁ。　まあロッドの名の通り単なる棒で代用してもいいのだが、それではニッポンモデラーの沽券にかかわるからと、手持ちのSS材の中から写真上の角材を探し出しました。　しかし,大見栄を切ったものの、さてどうやって削ればいいんだい？
ここまでは削ったが・・

チェーンドリリングで不要な部分を取り去り、４爪チャックで掴んで、なんとかここまで削りました。　コンロッドの下半分は回転対称形なので旋盤で回して削れましたが、上半分は面対称形ですから回しては削れず、フライス盤か手作業での加工になるのですが、どう削ればいいんでしょうかねぇ・・・
何とかコンロッドが出来上がりはしたが・・・

コンロッドの上半分はエンドミルやスリ割りフライスなどを駆使して、と言うと聞こえがいいですか、正直なところ悪戦苦闘して、なんとか削り上げました。　その下に付くベアリングの素材は軟らかい砲金なので加工は楽ですが、強く締め付けると変形するので要注意でした。　比較的小さな部品なので、穴あけや切削の位置の僅かなズレも大きく影響し、二つのコンロッドの外形がきちんと揃いませんでした。　それと、鉄製の部分と砲金製の部分とは組み立てて共削りをすれば外形が整ったのですが、加工手順をよく考えずに進めたため、そうすることは出来なかったのが残念です。
エキセントリック・ストラップも難物だ
バルブを駆動するエキセントリックストラップの素材は砲金鋳物で、両面と側面の直線部とを削った状態が一番上の画像の左端です。　このエンジンのストラップは、エキセントリックシーブに切られた溝を上下から挟んで保持する形式なので２分割しました。　次は、このストラップの真ん中の穴を直径16ミリに広げます。　その方法は旋盤で中グリするつもりだったのですが、ここにきて事は簡単ではないことに気付きました。　と言うのは、相手が小さくて４つ爪チャックでも面板でも保持できそうもないのです。　さて、これまでに作った２台のスライドバルブエンジンのエキセンストラップはどうやって加工したのだろうか。　情けないことに、まったく記憶に残っていませんので、改めてエンジンを眺めてみました。　初めに作った方のエンジンでは、シーブにネジ止めする円盤でストラップを押さえて保持しており、２台目のスチュアートの10Ｖエンジンでは、ストラップの穴に突き出させたネジの先をシーブの外周に刻まれた細い溝にはめることで保持する方式で、どちらも２分割していないので中央の穴あけは簡単だったようです。　どうやら今回は、このパーツを加工するためのヤトイを作らなければならないようです。　しかし、こう次々と難物が現れるようでは、はたしてこのエンジンを完成させられるのだろうかと、不安になってきましたね。
難物でもなかった

ストラップを中グリするためのヤトイとして厚さ12ミリで10センチ角の鉄板を使うことにして、直径18ミリの逃げ穴を開けました。　その穴は、十数年前に買って数回しか使っていなかったステップドリル、通称たけのこドリルで開けてみました。　ところが、ステップドリルはとても切れ味が良く、きれいで正確な穴を簡単に開けることが出来たので、中グリはやめてこのドリルを使うことに方針を変えました。　ストラップはマシンバイスで保持しましたが、下に敷く平行台はドリルの通路を開けなければならないので、厚さ3ミリの鉄板で作った２枚の平行台で支えました。　下に見える２本のボルトは、平行台が内側に倒れないよう、バイスのアゴに押し付けるためのものです。　広げようとする穴の穴の中心の設定には、レーザーセンターファインダーを使いました。　このようにして、直径16ミリの穴開けそのものは、さほど苦労することなく終了しかかったところで予期せぬ問題が生じました。　使ったステップドリルの切れ刃の深さは各段４ミリで、最終段の直径は18ミリ、開けたい16ミリはその下の段ですから厚さが４.８ミリのストラップは貫通できないのです。　　え？裏返して反対側からも開ければいいんじゃないか、ですって？　はい、おっしゃるとおりで、そうしたのですが、その裏返し方の配慮が足りなかったというヘマをしました。　裏返しかたには、左右にひっくり返すのと前後にひっくり返すの二通りがありますが、そのどちらをとるかによって裏返したことによる中心位置のズレが、Ｘ軸方向だけでは済まず、Ｙ軸方向にも生じてしまったのです。　その原因は、後々それが影響することがあるであろうとは全く気付かず、ストラップの鋳物素材の切削の際に、外形を正確な左右対称にしなかったことでした。
仮組み立て
長いこと中断していた製作をやっと再開しました。　その間何をしていたかと言いますと、旋盤やフライス盤のインバーター制御化、アクセサリー工具の改良工作などなのですが、そんなことばかりしていて肝心のエンジン製作が滞ったのでは本末転倒なので、戻ってきました。　そこで、エンジン本体のパーツはあらかた出来上がっているので、ひとまず組み立てて、ピストンの上下死点での位置が給排気孔と合っているかどうかを確かめることにしました。　この状態で軸を手で回してみてスムースに動けば万々歳なのですが、残念ながら例の如く、あちこちがつっかえます。　その原因はいろいろありました。　まずは加工ミスで、クロスヘッドの溝幅が９ミリなのに、８ミリの２枚刃エンドミルで削ったままだったので、コネクティングロッドの動きが制限されていたのです。　次はインチ寸法のミリへ切り替えミスでした。　コネクティングロッドのある部分の幅の7/32"(5.56㎜）を深く考えずに端数を切り上げて６ミリとしたので、わずかではあるのですが、クロスヘッドガイドにぶつかっていたのです。　そのほかにも、開けた穴のふちのバリをきちんと除去してなかったので、その分だけパーツが浮いて取り付けられていた、などというミスもありました。　それらのミスを修正し、動きの渋いクロスヘッドとガイドとの摺動面にポリッシングコンパウンドを塗り、軸を電気ドリルで回して擦り合せ、やっと軽く回るようになりました。
ピストンバルブフォークエンド
図は倍に描かれているので大きそうに見えますが、実際には６ミリ角という細い軟鋼材からの削り出しでしたので何かと大変でした。　ふつう旋盤での角材の保持には４爪チャックを使いますが、６ミリ角を掴むのにいちいち大きな４爪チャックを持ち出すのは面倒なので、真鍮の丸棒から画像のようなヤトイを削りだしてコレットチャックで締め付けました。　フォークエンドのコの字形は、厚さ３ミリのスリ割りフライスで切り込みました。　その時のフライスの位置決めには、「工具あれこれ」でお話しした、中古で入手したニコンの双眼実体顕微鏡を利用しましたが、物々しい道具立てにも関わらず、出来たフォークの両翼の厚さが不揃いという情けない仕上がりになってしまいました。　この両翼の不揃いによるコの字型切り込みの中心のズレは、エキセントリックの取り付け位置によって打ち消すことは出来るのですが、どうもそういうごまかしは沽券にかかわるので、結局作り直しました。　そのほかの加工でもヘマをしました。　フォークの切り込みと上半分のねじ切りのどちらを先にするか考えた結果、素材が保持しやすい角柱状態のときにまず切り込みを入れ、それを上述のヤトイで掴んで残りを丸く削ってネジを切ろうとしたのですが、切り込みが入った部分が締め付けられて少し潰れヤトイから外れてしまったのです。　切り込みにピッタリ入る真鍮の小片を挟んで補強して掴み、何とかネジを切りました。
エキセントリックロッド
これも図は２倍に描かれています。　少々面倒な形をしているので、軸穴の開いている頭の部分と下のロッドとを別に作ってつなげようかとも思いましたが、図にはそんな指示はありませんから、一体としての削り出しに挑戦しました。　前項のフォークエンド同様、この加工にもいろいろとヘマをしました。　頭の部分は厚さ３ミリ幅７ミリとしましたので、手持ちの３×８ミリの平角材を所定の長さに切り取り罫書き始めたところ、とんでもないミスに気付きました。　ロッドの下端は太さは9/64"つまり約3.6ミリなのですから、厚さ３ミリの板から削り出せるわけがない。　我ながら間抜けだなぁと苦笑しつつ、改めて手持ちの素材をかき回し、４×19ミリの平角材から幅７ミリの板を切り出しました。　さてこれをどう掴んでどう削るか。　まずは頭の部分をエンドミルで厚さ３ミリに削り、軸の下穴を開け、ロッド側の端にセンター穴を開けました。　この頭の部分を旋盤の４爪チャックで掴み、ロッド端を回転センターで支えて回して削ったのですが、何しろ小さなワークなので回転センターの大きさなどが邪魔をして刃物台の動きが制約され、削り出すまでのセッティングにてこずりました。　頭の部分の上端のアールは円テーブルを使ってエンドミルで削ったのですが、そのアールの中心は軸穴ではなくその下のほうなので、アールの中心が円テーブルの中心に来るようにするための治具を真鍮の丸棒で作りました。　ところがその治具にワークを止めるために植えたネジがしっかり固定されていなかったので切削中にゆるみ、エンドミルがワークを跳ね飛ばしてしまったのです。　せっかくここまで仕上げたものをオシャカにしたかと肝をつぶしかかりましたが、幸いにもロッドの側面に傷が付いただけで済んだのでヤレヤレよかった～　このロッドの頭は軸を中心に回転するのではなく、幅狭く揺れ動くだけなので、図に示されている軸穴の砲金製のブシュはそこまでする必要はないだろうと省略しようかとも思いましたが、やはり図の通りに作ってはめ込みました。
これがピストンバルブの本体
ピストンバルブエンジンを作るのは初めてなので、正直な話、ピストンバルブの仕組みの十分な理解なしに工作を進めてここまで来ました。　削り上げたピストンバルブをバルブチェストに載せ、バルブポートとの位置関係をあれこれ変えながらスライドバルブの仕組みと対比させて、ピストンバルブのはたらきをなんとか理解することが出来ました。　ただ問題は、スライドバルブではバルブチェストの蓋をしなければバルブの位置を直接見ながら給排気のタイミングを調節することが出来ますが、ピストンバルブではチェストの中にすっぽり入り込んでしまうのでそうはいきません。　ではどうするかですが、チェストは通し穴で上端からバルブの頭が見えますから、その頭の上下動からタイミングを推し量るようです。
バルブを組み付けました
この組み立てでも、仮組み立てのときと同じように、エキセントリックがきつくて回らなかったり、ロッド、フォークエンドがつっかえたりでスムースに動かず、あちこち削ったり切り縮めたりしなければなりませんでした。　歳とともに作業能率が下がってくることは感じていましたが、どうやら工作の腕前まで落ちてきているようです（７９歳になりました）。　ところで、仮組み立てのときから、どうもこのエンジンは背が高くてバランスがよくないなぁという感じがしていたのですが、こうしてピストンバルブを組み付けてみると、左右に角が生えたみたいで、ますますアンバランスになりましたねぇ。　スライドバルブにしたほうがずっとすっきりしますから、これだけでもピストンバルブを採用するメリットはなさそうです。　それはさておき、組みあがったところで電気ドリルで軸を回してみましたが、給排気孔からプシュプシュと空気が出入りしますから、タイミングの正確さはともかくとして、ピストンバルブが機能していることは確かなのでまずは一安心。　そうなると一刻も早く蒸気で運転したいのですが、そのために必要なパイプワークが簡単ではないのです。　図の右端にあるのはスチームコントローラーと言って、ピストンバルブエンジンの特徴である給排気の切り替えによって回転の向きを変えられる仕組みなのですが、これもピストンバルブになっています。
スチームコントローラーの穴あけ
コントローラーの本体も砲金鋳物です。　この中心にピストンバルブが入る径８ミリ長さ６２ミリの通し穴を開けるのですが、まずこの鋳物素材は円柱部分の側面が整っているので、それを基準線として上下端面と四つの出っ張りの端面とを仕上げ削りし、それを基準面として作業を進めました。　長い軸穴などは両端から開けたほうが狂いが少ないというコメントを読んだことがあるのですが、このような少々不整形な素材では、反対側からの穴あけのために、ひっくり返して保持し直すと中心がずれる可能性があるので、片側からだけの穴あけにしました。　この穴はリーマ仕上げをするので、7.8ミリのドリルで下穴を開けるのですが、いきなりこの太さで開けるのでは無理があるであろうと、細いドリルから数段階に分けてみました。　ところがこれが失敗でして、穴が浅ければそれが功を奏するのでしょうが、深い穴あけでは剛性不足の細いドリルは進むにつれて曲がりはじめ、次の太いドリルもその曲りを追随してしまい、入り口と出口での中心のズレが修正不能な量になり、素材をオシャカにしてしまいました。　そこでリーブスにこれを注文したのですが、ネットでの注文の最低額は10ポンドだそうで、このパーツ素材は６ポンドなので足りず、やむなくミニ圧力計をを加えたりして思わぬ出費になってしまいました。　　再度の穴あけをするにあたって G.H.Thomas氏の著書 The Model Engineers Workshop Manual の中の Deep Drilling をよく読んでみたところ、穴が曲がる原因のひとつはドリルのねじれ溝に溜まったキリコによる切削抵抗だそうなので、はじめから下穴用の太いドリルを使い、少し進めてはドリルを抜き出してキリコを払い落とすことを繰り返し、なんとか無事に貫通させることが出来ました。　なお、素材を保持しているのはキーツのアングルプレートなのですが、私が持っているのと同じものはもう販売されていないようです。
出来上がりました、回りました
休み休み何年もかけて取り組んできた二気筒ピストンバルブエンジンが、やっと出来上がりました。　さっそく蒸気を通してのテスト運転をしてみましたが、見事、と言うほどのことではなく、当たり前ではあるのですが、回りました。　右にあるスチームコントローラーも、下のレバーを動かして中のピストンバルブを上下させると、エンジンが正転・停止・逆転と切り替わります。　なにしろピストンバルブの仕組みをろくに理解せずに製作してきましたし、設計図にはスライドバルブのためのエキセントリック・セッティング・ダイアグラムは載っているのに、ピストンバルブについては何の指示もないのですから、回ってくれただけでもうれしいです。　このエンジンを搭載するつもりのハルは購入済みなのですが、今となってはさてどうなるでしょうか・・・・・　回転の様子をYouTubeにUPしました。　　このエンジンを載せたタグボートＴＩＤを作り始めました。