Engine - engine (English spelling)

Japanese: エンジン - えんじん（英語表記）engine

A mechanical device that continuously converts thermal, hydroelectric, wind, and electrical energy into mechanical energy. There are various types of engines depending on the energy they use, such as windmills that use wind power, air turbines that use high-pressure air, waterwheels that use hydroelectric power, heat engines that use heat, motors that use electricity, electric engines that use electrons and ions, and concentration difference engines and nitrogen oxide engines that use chemical reactions. However, the term generally refers to heat engines that use the thermal energy released when fuel is burned, especially those that burn fuel inside the engine (internal combustion engines) such as cylinders.

[Masatake Yoshida]

Elements and principles

The engine consists of five elements:

[1] Working fluid: A fluid that is heated in the heating section, becomes high temperature and pressure, and carries thermal energy to the energy conversion section. Water, air, and combustion gases are used because they have a large heat capacity, a small molecular weight, are not toxic, and are easy to obtain. In addition, hydrogen and fluorocarbons are also used in nuclear power generation and low-temperature turbines, etc., depending on the application.

[2] Heating section: The part that gives heat to the working fluid. There are two types: internal combustion, in which the fuel is burned directly in the working fluid (in this case, something that contains an oxidizer; most often air), and external combustion, in which the fuel is burned externally and the working fluid is heated using a heat exchanger. Special heat engines include external combustion engines that use the heat of nuclear fission, geothermal heat, solar heat, warm seawater heat, exhaust heat, and heat from non-explosive chemical reactions.

[3] Energy conversion section This is the part that receives energy from the working fluid and converts it into mechanical energy. There are various types, including reciprocating types using a reciprocating piston and cylinder, rotary types using a rotating impeller, and types that use the reaction force of blowing out high-speed gas. In reciprocating types, linear motion is generally converted into rotary motion by a crank mechanism.

[4] Heat rejection section This is the section that removes excess thermal energy from the working fluid. There are two types: one that simply rejects the working fluid that has passed through the conversion section, and one that discards the thermal energy to the outside using a heat exchanger. Internal combustion types use the former, while external combustion types use the latter.

[5] Pressure rise section This section compresses the working fluid that has expanded after losing thermal energy back to its original pressure. There are two cases where fresh working fluid is compressed, and where working fluid that has passed through the heat exhaust section is compressed. In the former case, the working fluid is replaced, which is called gas exchange. Compression methods are divided into those using a reciprocating piston and those using a rotating impeller. As a special form, a positive displacement pump may also be used.

The most common types of engines are reciprocating internal combustion engines, which perform power conversion and compression in the same place surrounded by a cylinder and piston, internal combustion gas turbines, which perform compression and power conversion using separate impellers that rotate at high speed, and steam turbines, which create high-temperature, high-pressure steam using a heat exchanger in a boiler and convert power using a rotating impeller.Other types include steam engines that use reciprocating pistons, jet engines and rocket engines that use the reaction force of high-speed airflow, and internal combustion engines that use pistons that perform pseudo-rotational motion.

[Masatake Yoshida]

Development and Improvement

The first invention to combine a cylinder and a piston to generate power was made in 1680 by the Dutchman Christiaan Huygens and the Frenchman Denis Papin in the form of a vacuum engine using gunpowder explosions.

[Masatake Yoshida]

Steam engine

In 1712, Thomas Newcomen of England created a practical steam engine in which steam was blown into a cylinder to move a piston outward, then cooled with water to create a vacuum, and atmospheric pressure was used to move the piston inward to generate power. Newcomen's steam engine was used for about 70 years, but its thermal efficiency was extremely low. Joseph Black of England, who learned that the cause of this was the latent heat of evaporation, suggested that James Watt of England create a steam condenser separate from the cylinder in 1765, improving thermal efficiency. Watt further created a double-acting steam engine in 1774, in which steam pressure acts on both sides of the piston, and invented a planetary gear that converts the linear motion of the piston into rotary motion and a centrifugal governor that keeps the rotational speed constant. Using these, he created a steam engine with an output shaft that rotates at a constant speed, which was widely used. This invention was one of the factors that led to the Industrial Revolution in England. However, because Watt did not use high-pressure steam, the thermal efficiency was still poor and the engine was large. In 1805, Richard Trevithick of England created a steam engine that used high-pressure steam at about twice the atmospheric pressure, paving the way for improved thermal efficiency and smaller engines. In 1855, the self-expanding piston ring was invented by John Ramsbottom of England, making it possible to use steam at extremely high pressures. In 1882, Carl Gustaf Patrick de Laval of Sweden created a single-stage impulse steam turbine in which high-speed steam is sprayed from a nozzle onto a single impeller, and in 1884, Charles Algernon Parsons of England created a multi-stage reaction turbine consisting of several fixed impellers with many blades and a rotating impeller. These two turbines are small and can generate a large output, so since the 20th century they have been widely used as power sources for ships and thermal power plants.

[Masatake Yoshida]

Hot air engine

High-pressure steam engines had explosions in the early days due to the materials they were made of, but hot-air engines that used air instead of dangerous steam were created in 1817 by Scottish clergyman Robert Stirling (1790-1878) and in 1826 by Sweden's John Ericsson. However, they only produced a small amount of power, and were only used to power household fans. Around 1970, however, regulations on automobile exhaust gases became stricter, and research was undertaken again in some circles as an engine that produced less polluting substances, but they have not been put to practical use.

[Masatake Yoshida]

Gas engine

In 1824, Samuel Brown of England created an atmospheric engine that created a vacuum by burning gas or other materials directly in a cylinder and cooling it, instead of using steam to create a vacuum, and it was put to practical use. In the same year, Nicolas-Léonard Sadi Carnot of France clarified the basic principle of heat engines (the Carnot cycle) and showed a way to improve efficiency. In 1860, Jean-Joseph-Étienne Lenoir of France created a practical gas engine that used a high-pressure steam engine, supplied a mixture of gas and air instead of steam, and was ignited by an electric spark, but the thermal efficiency was low. In 1862, Beau de Rochas of France patented the four-stroke engine as the operating principle for a highly efficient engine. The cycle shown by Rochat is (1) to draw in a mixture of gas and air using the full outward stroke of the piston, (2) to fully compress it on the next inward stroke and ignite it at dead center, (3) to expand it on the full outward stroke, and (4) to exhaust it on the next inward stroke and return to the original position. Therefore, a structure that can withstand a fairly high pressure is required, but the development of high-pressure steam engines made it possible to realize a high-pressure internal combustion engine. In 1876, Nikolaus August Otto of Germany created a four-stroke gas engine with flame ignition. This engine was highly efficient, quiet to operate, and reliable, so it was widely used, and large engines with up to about 3,000 horsepower were built to power factories, power plants, etc. In 1881, Dugald Clerk (1854-1932) of England created a two-stroke engine that scavenged the combustion gas with a mixture of gas and air pressurized by a pre-compression pump, and put it to practical use. Clark's engine required a pre-pressurizing pump, but in 1891, Joseph Day (1855-1946) of England created a two-stroke gas engine in which the air-fuel mixture was drawn into the crankcase and scavenged with the pre-pressurized mixture in the crankcase. Otto's engine and Day's engine are the main types of internal combustion engines used to this day.

[Masatake Yoshida]

Gasoline engines etc.

Gas engines have high thermal efficiency and high-power engines have been made, but because fuel is not easy to transport, engines are mainly used for stationary purposes such as factories. In 1883, Gottlieb Daimler of Germany created an Otto-type gasoline engine that gasifies gasoline in a carburetor based on the spray principle and ignites it with a hot tube as an engine that uses liquid fuel that is easy to transport. Because the fuel is easy to transport, this was widely used in automobiles and later in airplanes. The invention of a spark ignition device using a high-voltage magnet generator by Robert August Bosch (1861-1942) of Germany also contributed to the development of the gasoline engine. As a method for using fuels that do not evaporate easily or solid fuels, Rudolf Diesel of Germany invented the compression ignition engine in 1897, in which only air is sufficiently compressed by a piston and fuel is injected into it to be burned, and this was commercialized with the cooperation of M.A.N. and Sulzur. Although it does not use solid fuel, it uses heavy oil or light oil, and has high thermal efficiency, so it is widely used in large buses, trucks, ships, power generation, etc. The jet engine was invented by Frank Whittle in England, and the first jet plane flight was successful in 1941. A gas turbine was prototyped in 1872, but was not put to practical use. However, with the development of jet engines, gas turbines were put to practical use around 1940, and are now used as lightweight, high-power engines. In order to prevent vibration in reciprocating engines, many attempts have been made to use rotary motion to perform the same cycle as the Otto engine. In 1959, Felix Wankel (1902-1988) of Germany invented the Wankel engine, a pseudo-rotary engine, which has only been put to practical use in Japan as a rotary engine and is used in some automobiles.

[Masatake Yoshida]

kinds

Engines are classified according to the fuel they use and their operating principle as follows:

[1] Gas engines These are mainly reciprocating engines that use gaseous fuels such as coal gas, blast furnace gas, coke oven gas, charcoal gas, generator gas, petroleum gas, and natural gas, and have been used since the beginning of the development of internal combustion engines. They are used in places where gas is easily available, such as steelworks. Petroleum gas has also been used in automobiles since the mid-20th century, and natural gas has been used for power generation and automobiles as an environmentally friendly fuel since the end of the 20th century. Furthermore, research has been conducted into the use of hydrogen as an environmentally friendly fuel, and in the 21st century, hydrogen-powered automobiles have been commercially available on a limited scale.

[2] Gasoline engines These engines use gasoline, which is easily vaporized, as fuel. Gasoline is supplied in two ways: by vaporizing it in a carburetor, or by injecting it into the cylinder or into the intake pipe. In order to comply with exhaust regulations, injection has become the predominant method, which allows precise control of the amount of fuel supplied. Ignition is achieved by an electric spark. Before ignition, the mixture is compressed to more than 10 atmospheres, and after ignition, the pressure reaches about 30 atmospheres. As a small, lightweight, high-output engine, it is widely used in automobiles, small aircraft, etc.

[3] Diesel engine: An internal combustion engine that injects petroleum fuel, which does not vaporize easily, into high-temperature air compressed to about 40 atmospheres and ignites it automatically. It is widely used in large buses, trucks, and ships, and highly developed diesel engines with high thermal efficiency and high power output are particularly used for ships. Also, since the end of the 20th century, it has been widely used in passenger vehicles as well, as it is considered to be an advantageous measure against global warming.

[4] Hot bulb engine An internal combustion engine that uses the same petroleum fuel as a diesel engine. Its compression is only slightly higher than that of a gasoline engine. Part of the combustion chamber is heated to a high temperature, and fuel is injected into it and burned. It was used in small ships and the like because of its simple structure, low cost, and easy maintenance, but because of its low thermal efficiency and large weight per unit output, small diesel engines have been used instead since the mid-20th century.

[5] Kerosene engines Kerosene and diesel, which are relatively easy to vaporize among petroleum fuels, are used in a carburetor, vaporized, and ignited by an electric spark. The combustion chamber is designed to promote vaporization. Because they are easy to handle and inexpensive, they are used in agriculture, industry, and small ships. However, because their thermal efficiency is lower than that of gasoline engines, they have been largely replaced by small gasoline engines.

[6] Gas Turbine An engine that converts high-temperature combustion gas into power using a turbine, and most of them use a rotary compressor to compress the air. Rotary compressors and turbines pass a large amount of air through them, and are lightweight and can generate a large amount of power, so they are used for high-speed ships and emergency power generation. Since the end of the 20th century, in response to environmental issues, the use of highly efficient combined systems, in which steam is generated from the exhaust of a gas turbine used for power generation and this steam is used to drive a steam turbine to generate power using both engines, and extremely efficient cogeneration systems, in which the steam is used directly as a heat source, has become widespread.

[7] Jet engines Developed for aircraft at the end of World War II, they developed rapidly because they are ideal for high-speed and large aircraft. In general, a jet engine is one that does not have a turbine for extracting power from a gas turbine, but instead blows out gas at high speed and uses the reaction force as thrust. On the other hand, rocket engines, which use a propellant made of fuel and oxidizer or a solid mixture of fuel and oxidizer and burn it in a combustion chamber to create a high-speed airflow, are also a type of jet engine and are the main engine for space navigation. Ion engines, which use an ion jet that has a small thrust but can operate for long periods of time, are also rocket engines, and in 2010 it was shown that they are practical for long-term space navigation.

[8] Steam turbine: A turbine that converts the thermal energy of high-temperature, high-pressure steam into power, and generally uses water vapor. In recent years, turbines that use steam from fluorocarbons and other sources of heat have been developed to use low-temperature heat sources. Because they require large equipment such as boilers to generate steam, they are primarily used for power generation and large ships.

[9] Rotary engine Many engines have been devised that use only rotary motion to perform compression, ignition, and expansion, but they are not in practical use due to poor airtightness, etc. A pseudo-rotary engine invented by Wankel that uses a triangular rotor with an eccentric shaft to perform compression, ignition, and expansion has been put to practical use in Japan and is used as a rotary engine.

[Masatake Yoshida]

Present and Future

Four-stroke reciprocating gasoline engines are used in overwhelming numbers for automobiles, motorcycles, small airplanes, and small general-purpose engines. Two-stroke gasoline engines with crankcase compression are also used in large numbers for some motorcycles and general-purpose engines. Four-stroke diesel engines are also used in large buses, trucks, small and medium-sized boats, and small and medium-sized automobiles, as well as small general-purpose engines, and two-stroke diesel engines with scavenging pumps are also the main engines for large ships with high power. Large-scale thermal power plants and some large ships use high-power steam turbines and gas turbines, and since the 21st century, combined systems that combine gas turbines and steam turbines have become the norm. Jet engines are the main engines for large, high-speed aircraft, and rocket engines are used for flying in space, etc.

These engines are well suited to their applications in terms of structure, efficiency, and performance, and appear to be approaching the limits of their development. It is not expected that there will be any major changes in the future, but in the 1970s, the need for exhaust gas purification and the expectation of a depletion of oil resources prompted engine improvements and increased thermal efficiency, and efforts were made to modify the engine in detail, adjust each part, and balance each other, resulting in improvements in gasoline engines in particular. However, while exhaust gas purification measures have been almost solved for four-stroke gasoline engines and are close to being solved for diesel engines, they have not been solved for two-stroke gasoline engines in particular, and they are falling out of use, casting a dark shadow over their future, along with that of jet engines.

On the other hand, in order to significantly improve thermal efficiency, development is underway for engines that use new materials other than metals, such as ceramics, in order to utilize higher temperature combustion gases. However, simply utilizing high temperature combustion gases is contrary to exhaust purification. To achieve exhaust purification and high thermal efficiency, new materials will be used, and the engines will have precise adjustment mechanisms for ignition, fuel supply, and chemical exhaust treatment, but the structure will likely be the same as current reciprocating internal combustion engines, gas turbines, jet engines, and rocket engines. Fuel will likely be natural gas with a low carbon content, synthetic fuel, or carbon-free hydrogen. Compound engines and combined systems that combine two or more types of engines will also be used to achieve high thermal efficiency.

Furthermore, if high-energy density storage batteries are developed and put into practical use, or if a method is developed to easily supply electrical energy to automobiles, electric motors could become the main power source, and electric vehicles could be used in place of automobiles with engines.

[Masatake Yoshida]

"Automotive Engineering Encyclopedia 4: Gasoline Engines" edited by Gomi Tsutomu (1980, Sankaido)" ▽ "The History of the Internal Combustion Engine, by Tomitsuka Kiyoshi, New Revised Edition (1984, Sanei Shobo)" ▽ "The History of Steam Power, by H.W. Dickinson, translated by Isoda Hiroshi (1994, Heibonsha)" ▽ "Engine Stories, by Kumagai Seiichiro (Iwanami Shinsho)" ▽ "John Robert Day Engines; The Search for Power (1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)"

Main types and principles of engines (1)
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Main types and principles of engines (1)

Main types and principles of engines (2)
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Main types and principles of engines (2)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

火力、水力、風力、電力などのエネルギーを、継続的に機械的エネルギーに変換する機械装置。利用するエネルギーによって、風力を利用する風車、高圧空気を利用する空気タービン、水力を利用する水車、熱を利用する熱機関、電力を利用するモーター、電子やイオンを利用する電気エンジン、化学反応などを利用する濃度差エンジンや窒素酸化物エンジンなど、種々のエンジンがある。しかし一般には、燃料が燃焼するとき放出する熱エネルギーを利用する熱機関、とくにシリンダーなど機関内部で燃料を燃焼させるもの（内燃機関）をさす。

［吉田正武］

要素と原理

エンジンは次の五つの要素からなる。

〔1〕作動流体　加熱部で加熱され、高温・高圧になり、熱エネルギーをエネルギー変換部まで運ぶ流体。熱容量が大きく分子量が小さいこと、有毒物質でなく入手が容易であることなどの理由で、水、空気、燃焼ガスが使用されている。また原子力発電、低温タービンなどでは、用途に適した水素、フロンなども使用される。

〔2〕加熱部　作動流体に熱を与える部分。直接作動流体（この場合、酸化剤を含むもの。ほとんどが空気）の中で燃焼させる内燃式と、外部で燃焼させ熱交換器で作動流体を加熱する外燃式とに分けられる。特殊な熱機関では、核分裂の熱、地熱、太陽熱、温かい海水の熱、排熱、爆発的でない化学反応の熱などを利用する外燃式がある。

〔3〕エネルギー変換部　作動流体からエネルギーをもらい、機械的エネルギーに変える部分。往復動ピストンとシリンダーによる往復動式、回転する羽根車による回転型、高速のガスを吹き出す反動を利用する形式などに分けられる。往復動式では一般に直線運動をクランク機構で回転運動に変換する。

〔4〕排熱部　余った熱エネルギーを作動流体から取り去る部分。変換部を通過した作動流体をそのまま排出するものと、熱交換器で外界に熱エネルギーを捨てるものとに分けられる。内燃式は前者、外燃式は後者の方式を用いている。

〔5〕圧力上昇部　熱エネルギーを失い膨張した作動流体を、初めの圧力に圧縮する部分。新鮮な作動流体を圧縮する場合と、排熱部を通過した作動流体を圧縮する場合とがある。前者の場合は作動流体が入れ替わることになり、これをガス交換という。圧縮する方法は、往復動ピストンによる場合と、回転羽根車による場合とに分けられる。特殊な形として、容積型のポンプを用いる場合もある。

　エンジンのもっとも一般的な形式には、出力変換と圧縮をシリンダーとピストンで囲まれた同じ場所で行う往復動内燃機関、圧縮と出力変換を高速で回転する別々の羽根車で行う内燃式ガスタービン、ボイラーで熱交換器によって高温・高圧の蒸気をつくり回転羽根車で出力変換を行う蒸気タービンがある。そのほか、往復動ピストンを用いる蒸気機関、高速気流の反動を用いるジェットエンジンおよびロケットエンジン、擬似回転運動をするピストンを用いた内燃機関などがある。

［吉田正武］

発達と改良

シリンダーとピストンを組み合わせて動力を取り出す最初の考案がなされたのは、1680年オランダのクリスチャン・ホイヘンスとフランスのドニ・パパンによる火薬爆発を用いた真空機関であった。

［吉田正武］

蒸気機関

1712年イギリスのトーマス・ニューコメンは、シリンダー中に蒸気を吹き込んでピストンを外向きに動かし、次に水で冷却して真空をつくり、大気圧によってピストンを内向きに動かして動を発生する実用蒸気機関をつくった。ニューコメンの蒸気機関は約70年の間使用されたが、熱効率はきわめて低かった。この原因が蒸発の潜熱にあることを知ったイギリスのジョゼフ・ブラックの示唆により、イギリスのジェームズ・ワットが1765年、シリンダーとは別の蒸気凝縮器をつくり熱効率を改善した。さらにワットは蒸気の圧力をピストンの両側に作用させる複動型式の蒸気機関を1774年につくり、さらにピストンの直線運動を回転運動に変える遊星歯車、回転速度を一定に保つ遠心調速機を考案し、それを使って一定回転数で回転する出力軸をもつ蒸気機関を作製し、広く使用された。この発明は、イギリスの産業革命を達成する一原因となった。しかしワットは高圧蒸気を使用しなかったため、熱効率はまだ悪く、機関は大型であった。イギリスのリチャード・トレビシックは1805年に、大気圧の2倍程度の高圧蒸気を利用する蒸気機関をつくり、熱効率の向上と機関の小型化の道を開いた。1855年には自己張出し型ピストンリングがイギリスのジョン・ラムスボトムJohn Ramsbottomにより発明され、非常に高い圧力の蒸気を用いることが可能になった。また1882年にスウェーデンのカール・グスタフ・パトリック・ド・ラバルは、1枚の羽根車にノズルより高速の蒸気を吹き付ける単段衝動型蒸気タービンをつくり、1884年にイギリスのチャールズ・アルジャーノン・パーソンズは、多数の羽根を植えた数枚の固定羽根と回転羽根車からなる多段反動型タービンをつくった。この二つのタービンは小型で大出力を得られるので、20世紀からは、船舶、火力発電所の動力源として広く使用されている。

［吉田正武］

熱空気機関

高圧蒸気機関は材質などの原因で初期には爆発事故を起こしたが、危険な蒸気のかわりに空気を用いる熱空気機関が1817年にスコットランドの牧師ロバート・スターリングRobert Stirling（1790―1878）、1826年にスウェーデンのジョン・エリクソンによってつくられた。しかし微小な出力しか得られず、家庭の扇風機の動力源程度にしか用いられなかった。しかし1970年ごろ自動車の排出ガス規制が厳しくなり、汚染物質の少ない機関として一部でふたたび研究されたが、実用化されてはいない。

［吉田正武］

ガス機関

蒸気を用いて真空をつくるかわりに、ガスなどを直接シリンダー内で燃焼させ、冷却して真空をつくる大気圧機関が1824年にイギリスのサミュエル・ブラウンSamuel Brownによってつくられ、実用に供された。同じ年フランスのニコラ・レオナール・サディ・カルノーは、熱機関の基本原理（カルノー・サイクル）を明らかにし、効率向上の方向を示した。1860年にフランスのジャン・ジョゼフ・エティエンヌ・ルノアールは、高圧蒸気機関を用い、蒸気のかわりにガスと空気の混合気を供給し、電気火花で点火する実用的なガス機関をつくったが熱効率は低かった。1862年にはフランスのボー・ド・ロシャBeau de Rochasが、高効率な機関の作動原理として4行程エンジンの特許をとった。ロシャの示したサイクルは、(1)ピストン外向行程をいっぱいに使ってガスと空気の混合気を吸入し、(2)次の内向行程で十分に圧縮し、死点で点火する、(3)次の外向行程いっぱいで膨張させ、(4)次の内向行程で排気し元に戻るものである。したがって、かなり高い圧力に耐える構造を必要とするが、高圧蒸気機関の発達によって高圧内燃機関が可能となる条件は整っていた。1876年ドイツのニコラウス・アウグスト・オットーは火炎点火の4行程ガスエンジンをつくった。このエンジンは効率が高く、静かな運転が可能で、信頼性もあったので広く使用され、工場、発電所などの動力源として3000馬力程度の大きな機関までつくられた。また1881年にイギリスのデュガルド・クラークDugald Clerk（1854―1932）は、予圧ポンプで加圧されたガスと空気の混合気で燃焼ガスを掃気する2行程機関をつくり、実用に供した。クラークの機関は予圧用のポンプを必要としたが、1891年イギリスのジョセフ・デーJoseph Day（1855―1946）は、クランク室に混合気を吸入し、クランク室で予圧した混合気で掃気する2行程ガス機関をつくった。オットーの機関とデーの機関は内燃機関の主要な形式として、現在まで使用されている。

［吉田正武］

ガソリンエンジンほか

ガス機関は熱効率も高く、大出力の機関もつくられたが、燃料を簡単に運搬できないため、機関の用途は工場などの定置用が主であった。運搬の容易な液体燃料を用いる機関として、1883年ドイツのゴットリープ・ダイムラーは、ガソリンを霧吹きの原理による気化器でガス化し、熱管で点火するオットー型のガソリンエンジンをつくった。これは燃料の運搬が容易なため、自動車用として広く使用され、のちには飛行機用としても広く用いられた。またガソリンエンジンの発展には、ドイツのロバート・アウグスト・ボッシュRobert August Bosch（1861―1942）の高圧磁石発電機による火花点火装置の発明が貢献している。蒸発しにくい燃料や固体燃料を用いる方法として、空気だけをピストンで十分に圧縮し、その中に燃料を噴射し燃焼させる圧縮点火機関を1897年にドイツのルドルフ・ディーゼルが発明し、エム・アー・エヌやズルツアー社の協力によって製品化された。固体燃料は使用されないが、重油、軽油などを用いるエンジンで、しかも熱効率が高いため、大型バス、トラック、船舶、発電用などに広く使用されている。ジェットエンジンは、イギリスのフランク・ホイットルにより発明され、1941年にジェット機の初飛行に成功した。ガスタービンは1872年に試作されたが実用化されなかった。しかしその後、ジェットエンジンの発展とともに、ガスタービンが1940年ごろから実用化され、現在では軽量大出力エンジンとして使用されている。また往復動機関の振動を防止するため、回転運動によってオットー機関と同じサイクルを行わせる試みが多数行われている。1959年ドイツのフェリックス・バンケルFelix Wankel（1902―1988）は、擬似回転機関であるバンケルエンジンを考案し、日本でのみロータリーエンジンとして実用化され自動車の一部で使用されている。

［吉田正武］

種類

エンジンは使用燃料、作動原理によって次のように分類される。

〔1〕ガス機関　石炭ガス、溶鉱炉ガス、コークス炉ガス、木炭ガス、発生ガス、石油ガス、天然ガスなどの気体燃料を使用する主として往復動機関で、内燃機関発達の初めから使用された。製鉄所などガスが容易に得られるところで使用される。また石油ガスは20世紀中ごろから自動車用として用いられ、20世紀末ごろから天然ガスが環境にやさしい燃料として発電用や自動車用として用いられている。さらに環境に害がない燃料として水素の利用が研究され、21世紀に入って水素を利用する自動車が限定的に市販されている。

〔2〕ガソリンエンジン　気化の容易なガソリンを燃料とするエンジンである。ガソリンは気化器で気化させるか、シリンダー内または吸気管に噴射するかの二つの方法で供給されるが、排気規制に対応するために、供給燃料量の精密な制御が可能な噴射が主になった。電気火花で点火する。点火前に混合気は10気圧以上に圧縮され、点火後30気圧程度になる。小型軽量高出力の機関として自動車、小型航空機などに広く使用されている。

〔3〕ディーゼルエンジン　気化の悪い石油燃料を40気圧程度まで圧縮した高温空気中に噴射して自己発火させる内燃機関である。大型バス、トラック、船舶用として広く使用され、とくに船舶用として高度に発達した高熱効率、高出力のディーゼルエンジンが用いられている。また、20世紀末ごろから、地球温暖化対策に優位であるとして、乗車用にも使用が広がっている。

〔4〕焼き玉機関　ディーゼルエンジンと同じ石油燃料を用いる内燃機関。圧縮はガソリンエンジンより少し高い程度である。燃焼室の一部を高温に加熱し、そこに燃料を噴射して燃焼させる。構造が簡単で低価格であり、保守も容易で小型船舶などに使用されていたが、熱効率は低く、単位出力当りの重量が大きいため、20世紀中ごろから小型ディーゼルエンジンがかわりに使用されている。

〔5〕石油機関　石油燃料のなかで比較的気化の容易な灯油、軽油を用いて気化器で気化させ、電気火花で点火する機関である。気化を促進するために燃焼室などにくふうがある。取扱いが容易で価格も安いため、農業用、工業用、小型船舶用などに使用されている。しかし熱効率がガソリンエンジンより低いため、ほとんど小型ガソリンエンジンにかわった。

〔6〕ガスタービン　高温の燃焼ガスをタービンで出力に変換する機関で、空気を圧縮するために回転型の圧縮機を利用するものがほとんどである。圧縮機、タービンともに回転型のものは、多量の空気を通過させ、軽量で大出力が得られるため、高速の船舶用、緊急の発電用などに使用されている。20世紀末ごろから、環境問題対応として、発電用ガスタービンの排気で蒸気を発生させ、その蒸気で蒸気タービンを動かして両方の機関で発電する高効率のコンバインドシステムと、蒸気をそのまま熱源として利用するきわめて高効率のコ・ジェネレーションシステムの利用が広まっている。

〔7〕ジェットエンジン　航空機用に第二次世界大戦末に開発され、高速機、大型機に最適なため急速に発展した。一般には、ガスタービンの出力取り出し用のタービンを取り除き、高速でガスを吹き出し、その反動を推進力として用いるものをジェットエンジンという。一方、燃料と酸化剤または燃料と酸化剤を混合して固めた推進剤をもち、燃焼室で燃焼させ高速気流をつくるロケットエンジンもジェットエンジンの一種であり、宇宙航行用の主力機関である。また推進力は小さいが長時間運転できるイオン噴流を用いるイオンエンジンもロケットエンジンであり、長時間の宇宙航行用として実用的であることが2010年に示された。

〔8〕蒸気タービン　高温高圧の蒸気の熱エネルギーをタービンで出力に変換するもので、一般に水蒸気を用いるものをいう。近年は、低温熱源を用いるために、フロンなどの蒸気を用いるものなどが開発されている。蒸気をつくる際にボイラーなど大型の装置を必要とするため、おもに発電用、大型船舶用などに用いられている。

〔9〕ロータリーエンジン　完全に回転運動だけを用い、圧縮、点火、膨張を行わせるものが多く考案されたが、気密性の悪さなどから実用にはなっていない。バンケルの考案した偏心軸をもつ三角形の回転体で圧縮、点火、膨張を行わせる擬似回転機関が日本で実用化され、ロータリーエンジンとして使用されている。

［吉田正武］

現状と将来

往復動式の4行程ガソリンエンジンは、自動車用、オートバイ用、小型飛行機用、小型の汎用エンジンとして圧倒的な数が使用されている。クランク室圧縮の2行程ガソリンエンジンも、オートバイ用の一部、汎用としてかなり多くの数が使用されている。また4行程ディーゼルエンジンは、大型バス、トラック、中・小型船舶、中・小型の自動車から小型の汎用にまで使用され、2行程の掃気ポンプ付きのディーゼル機関も大出力の大型船舶用として主力になっている。大規模な火力発電所、大型船舶の一部には大出力の蒸気タービンやガスタービンが用いられており、21世紀に入ってからガスタービンと蒸気タービンを複合したコンバインドシステムが主になりつつある。大型、高速の航空機用としてジェットエンジンが主力となっており、また宇宙空間を飛ぶためなどにロケットエンジンが使用されている。

　これらのエンジンは構造、効率、性能の面で適材適所の位置を占めており、発達の限界に近づきつつあるようにみえる。今後も大きな変化はないものと思われるが、1970年代には排気浄化と石油資源枯渇の予想がエンジン改良と熱効率向上のきっかけとなり、エンジンの細部にわたる修正、各部の調整と相互のバランスをとる努力により、とくにガソリンエンジンの改良がなされた。しかし排気浄化対策は、4行程ガソリンエンジンではほぼ解決し、ディーゼルエンジンでは解決に近づいているが、とくに2行程ガソリンエンジンでは解決できずに使用されなくなってきており、ジェットエンジンとともにその将来に暗い影を投げかけている。

　一方、熱効率の大幅な向上を目的とし、より高温の燃焼ガスを利用するために、金属以外の新しい材料、たとえばセラミックスを使用したエンジンなどの開発が進められている。しかし、単純に高温の燃焼ガスを利用するのは、排気浄化とは相反するものである。排気浄化と高い熱効率を得るために新しい材料を用い、点火、燃料供給、化学的な排気処理などの精密な調整機構をもったエンジンになるであろうが、構造上では現在と同じ往復動内燃機関とガスタービン、ジェットエンジン、ロケットエンジンが利用されると思われる。燃料は炭素含有量の少ない天然ガスや、合成燃料や炭素を含まない水素にかわるであろう。2種類以上のエンジンを組み合わせたコンパウンドエンジンやコンバインドシステムも、高い熱効率を得るために利用されるだろう。

　また高いエネルギー密度の蓄電池が開発、実用化されるか、容易に自動車などに電気エネルギーを供給する方法が開発されれば、電気モーターが主動力源になり、電気自動車がエンジンをもつ自動車のかわりに利用されることも考えられよう。

［吉田正武］

『五味努監修『自動車工学全書4　ガソリンエンジン』（1980・山海堂）』▽『富塚清著『内燃機関の歴史』新改訂版（1984・三栄書房）』▽『H・W・ディキンソン著、磯田浩訳『蒸気動力の歴史』（1994・平凡社）』▽『熊谷清一郎著『エンジンの話』（岩波新書）』▽『John Robert DayEngines ; The Search for Power (1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)』