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内燃機関の種類と仕組み/構造!外燃機関との違い4つと類似点4つ!将来性あり?!

自動車や船舶、発電所などではさまざまな形態のエンジンが活用されていますが、台数だけで見れば圧倒的に「内燃機関」が多く使われています。

内燃機関という言葉は自動車のエンジンを連想させるものですが、実は内燃機関はそれだけでなくいくつか種類があるのです。

今回はそんな内燃機関についてご説明していきます。

内燃機関とは

エンジン

内燃機関はさまざまな種類の原動機の総称で、燃料をエンジン内部で燃焼させることによって仕事をする原動機を指します。

内燃機関と聞いて真っ先に思いつくのは、やはり自動車用エンジンを始めとして幅広く活用されているレシプロエンジンです。

ポイント

内燃機関の概要を理解するには一番良い題材で、レシプロエンジンはガソリンや軽油などの燃料を爆発させたエネルギーでピストンを動かし、そのエネルギーを車が走る回転エネルギーに変換するエンジンです。

内燃機関とはこのようにエンジン内部で燃料を燃焼させ、燃焼熱により高圧となった燃焼ガスそのものを作動流体とし、それによって回転運動や往復運動などを取り出すエンジンです。

ですがレシプロエンジン以外にも次のような内燃機関があり、大きな作動原理の違いで容積型内燃機関と速度型内燃機関に分かれています。

内燃機関の種類主要燃料主な用途
容積型内燃機関レシプロエンジンガソリンエンジンガソリン、天然ガス自動車、バイク、船舶、発電機
ディーゼルエンジン軽油自動車、船舶、発電機
ロータリーエンジンガソリン自動車
速度型内燃機関ガスタービンエンジン天然ガス、軽油、重油、ジェット燃料発電機、航空機、船舶
ジェットエンジンジェット燃料航空機
その他ロケットエンジンロケット燃料宇宙産業、軍事産業

ではこれら内燃機関について簡単にご説明していきましょう。

容積型内燃機関

車のエンジン

容量型内燃機関はエンジンの内部で容積変化を起こすエンジンの総称で、レシプロエンジンとロータリーエンジンがそれに当たります。

各エンジンについては別記事でご説明していますので省略しますが、どちらのエンジンにも共通するのはピストンやローターによる圧縮と、燃料の爆発による膨張を活用している点です。

レシプロエンジンは前述したように内部で燃料を燃やすことでピストンを押し下げますが、その際にシリンダー内で容積が変化していきます。

そのため容積型という名前がついており、ロータリーエンジンもピストンではなくローターで同様の容積変化を起こしています。

このタイプの内燃機関の特徴としては「間欠燃焼」という点があり、常に燃料が燃焼しているわけではありません。

レシプロエンジンで主流の4ストロークエンジンでは4つの行程で成り立っていますが、吸気→圧縮→燃焼→排気、の中で燃料が燃焼しているのは1行程だけです。

そのほかの行程は動力を取り出したり次の燃焼のための準備をしているので、間欠的というわけです。

速度型内燃機関

飛行機のエンジン

速度型内燃機関は容積型と違って常に燃料が燃焼している内燃機関で、連続回転が必要な用途に適しています。

ガスタービンエンジンとジェットエンジンの2種類がこのタイプに分類されますので、簡単に仕組みをご説明しましょう。

ガスタービンエンジンの仕組み

ガスタービンエンジンはざっくり言えば扇風機のような機構をもつエンジンで、回転する羽根車に燃料の燃焼ガスを当てることで回転エネルギーを得るエンジンです。

ガスタービンエンジンは一本の出力軸上に多数の羽根車(タービンブレード)を備えており、エンジンの内部で燃料を燃焼させることで発生したガスをタービンに次々当てて回転しています。

レシプロエンジンのピストンのように物理的に圧縮する機構は持ちませんが、ガスタービンエンジンの回転運動で圧縮機を可動させることで燃料と空気を圧縮させています。

タービンを通過した燃焼ガスは排気ガスとして排出されます。

主な用途は火力発電所の発電機や船舶用、航空機のエンジンなどで、長時間連続して回転させる用途に使われています。

また一部ですがアメリカ軍の主力戦車であるM1エイブラムスのエンジンとしても使われていますが、自動車では基本的に使われません。

また他の特徴としてはさまざまな燃料を動力源にすることが可能で、船舶用などでは軽油と重油などの使い分けも出来ます。

ジェットエンジン

ジェットエンジンはその名の通りジェット機に使われるエンジンで、非常に高出力かつ小型なのが特徴です。

ジェットエンジンの構造はガスタービンエンジンとほとんど同じで、タービンブレードを持つ回転軸と圧縮機を使って燃料を爆発させた燃焼エネルギーを活用します。

ですがガスタービンエンジンとは違ってジェットエンジンの主動力は燃焼ガスそのものを噴射することで得られており、タービンブレードの回転は圧縮機の作動にのみ使われます。

そのため回転動力は得られませんが、内燃機関の中では唯一直線的な推力を得られるエンジンです。

その特性から航空機以外には使い勝手が悪いという点もありますが、最高速記録を狙う車で使われたりもします。

容積型と速度型の特性

容量型と速度型はその特性から得意とする用途が違っており、自動車に向いているのは容積型のほうです。

速度型は連続回転が可能という特性があるので大型発電機など常に定常回転するような機械には向いています。

ですが自動車のような細かく速度やトルクを変化させるような用途にはあまり効率的ではなく、また高速回転するタービンが騒音を発することも問題です。

その点容積型は出力変化のコントロールが容易で自動車を始めとする小型エンジンに向いています。

燃焼効率という点ではガスタービンエンジンのほうが優秀で燃費もよいのですが、使い勝手の点では容積型が優れているわけです。

その他:ロケットエンジン

ロケット

ロケットやミサイルなどに使われるロケットエンジンも、広義的には内燃機関の一種類と言えます。

ロケットエンジンはジェットエンジンと同じく燃料のエネルギーを噴射剤として噴出することで動力を得るエンジンで、ジェットエンジンと並んで航空宇宙産業には欠かせないものです。

ジェットエンジンとの大きな違いは外部から酸素を取り入れる必要が無い点で、ロケットエンジンでは燃料は燃焼剤と酸化剤の2つを使用します。

固体燃料か液体燃料かの違いはありますが、エンジン内部で燃料と酸化剤を混ぜてから燃焼させており、空気のない宇宙空間でも作動します。

またタービンブレードなどの回転体もなく、回転動力は生み出せません。

ロケットエンジンは身近なエンジンではありませんが、内燃機関の一つと覚えておいてもらえばよいでしょう。

外燃機関とは

蒸気機関

さてエンジンといえば内燃機関のエンジンが私達の周りでは一般的ですが、エンジンにはもう一種類「外燃機関」というカテゴリーがあり、こちらはあまり見かけることが少ないです。

内燃機関と外燃機関の違いについては後ほどご説明しますが、外燃機関は簡単に言うとエンジンの外部で燃料を燃焼させ、そのエネルギーを別の形でエンジン動力に変換するものです。

エンジンの内部では燃料は燃えず、その代わりに空気や水蒸気などの作動流体がエンジンを動かします。

外燃機関には大まかに分けて次の3種類があり、どれも大型の設備を必要とするものが多いです。

外燃機関の種類主な燃料作動流体
蒸気機関石油、石炭など水蒸気
スターリングエンジン石油、石炭などエンジン内部の空気
原子力機関核燃料水蒸気

このうちスターリングエンジンについてはレシプロエンジンの記事で詳しくご説明していますが、レシプロエンジンでも外燃機関があるわけです。

外燃機関の基本と言えるのはやはり蒸気機関で、エンジンの外で燃やした燃料で水を温めて水蒸気を発生させ、その水蒸気でピストンやタービンブレーキを作動させるエンジンです。

蒸気機関はすべてのエンジンの元祖とも言えるもので、エンジンは最初は外燃機関から始まったのです。

また原子力機関があるのは意外かもしれませんが、水蒸気を発生させる熱源が石油や石炭に変わって核燃料であるという点が違うだけで、原子力機関も基本的には蒸気機関です。

内燃機関と外燃機関の類似点

内燃機関と外燃機関にはいくつもの類似点があり、それはエンジンという機械の持つ基本動作とも言えます。

機械動力を発生させる

内燃機関も外燃機関もどちらもエンジン、もしくは原動機と呼ばれますが、これは機械動力を発生させる機械の総称でもあります。

人間の技術の進歩とともに大昔から機械動力の要求は常に高まっていますが、その元祖とも言えるのはやはり水車や風車などの自然エネルギーを使った回転機械でしょう。

それ以前は人力で動かしていた機械を別のエネルギーで動かすことこそエンジンの元祖であり、蒸気機関などは紀元前にはその基本原理は確立されていました。

機械動力は回転運動や往復運動、直線運動などを使って他の機械の動作エネルギーを供給しており、内燃機関も外燃機関も最大の目的はこういった動作エネルギーを得ることなのです。

熱源のエネルギーを利用して駆動する

内燃機関と外燃機関はどちらも熱源の生み出す熱エネルギーを作動の基本として利用しており、熱エネルギーをさまざまな形態に変換して使用している点が一緒です。

原動機の構造によって燃料は様々ですが、どの燃料でも目的は熱エネルギーを生み出すことです。

ポイント

石油や石炭などのように燃焼させてエネルギーを得たり、核燃料のように核分裂のエネルギーを熱として取り出したりしています。

外燃機関のスターリングエンジンなどでは、究極的には燃えるものがあればすべて熱源として利用できるエンジンで、とにかくこれらのエンジンには熱エネルギーが必要なのです。

なおほかの原動機、水力や風力を活用したものは熱エネルギーは不要ですので、「~燃機関」とは呼ばれないわけです。

ほとんどが炭化水素系燃料と空気を使用する

内燃機関も外燃機関も現在主流として使われる燃料は炭化水素系の燃料がほとんどです。
その燃料と空気を利用して燃焼を起こす点が同じです。

ポイント

ほとんどの内燃機関と外燃機関は石油系のガソリンや軽油、天然ガス、石炭などを燃料としており、これらを燃焼させることによって熱エネルギーを得ます。

燃焼には酸素が不可欠ですので、これらは必ず外部から空気を取り込まなければなりません。

ロケットエンジンのように酸化剤を別に設ければ空気は必ずしも必要ではありませんが、地上ではあまりその必要もありません。

例外は核燃料を使う原子力機関と、専用の燃料を使うロケットエンジンです。

核燃料はそれ自体の核分裂が熱エネルギーのもとですし、ロケットエンジンは化学合成された火薬や液体水素などを燃料として、酸化剤と化合させることで燃焼させています。

排気ガスが発生する

大気汚染

上記の多くの内燃機関や外燃機関は燃焼後に排気ガスを必ず発生させており、多くは二酸化炭素を発生させるものです。

燃焼とは炭化水素系の燃料と酸素を結合させることですので、燃焼後の排気ガスは基本的に二酸化炭素となります。

燃焼の状態によっては一酸化炭素や炭化水素なども出てきてしまいますが、完全燃焼した時に生み出されるのは二酸化炭素と水だけとなります。

注意

ですのでこれらのエンジンはどうしても大気中の二酸化炭素濃度を上昇する働きをしてしまい、地球温暖化の大きな原因ともなっています。

これら機械動力の利用が本格化した産業革命以降排気ガスによる大気汚染は年々進んでおり、それに比例するように平均気温も上昇の一歩をたどっています。

これも例外は原子力機関で、排気ガスも二酸化炭素も一切排出しないのがこの機関最大のメリットです。

ですが核燃料は放射能汚染の危険が常につきまといますので、安全性の確保がほかの機関よりかなり重要となります。

内燃機関と外燃機関の違い

内燃機関と外燃機関は燃焼方式や利用方法の点で違いも多くあります。

燃料を燃焼させる方式

内燃機関と外燃機関を分ける大きな違いは、前述でも説明したようにやはり燃焼方式の違いです。

違いは作動流体を使うかどうかにあり、内燃機関はエンジンの内部で燃料を燃焼させて直接エネルギーを得ているのに対し、外燃機関はエンジン外で燃焼させたエネルギーで作動流体のエネルギーを高め、それをエンジンに送ることで稼働します。

外燃機関でもエンジンの作り方によっては燃焼部分と作動部分が一体化していることもありますが、作動流体を間に介しているならそれは外燃機関です。

エンジンの規模の違い

内燃機関と外燃機関はエンジンの規模や大きさに結構な差があり、コンパクトにまとめられるのは内燃機関の方です。

外燃機関はエンジン本体の他に燃料を燃焼させるボイラーのような設備と、その両者間をつないで作動流体を行き来させる配管類が必要となります。

ボイラーが別にあることでエンジン全体の規模としては大型化することが多く、小型化するとそれだけ出力や効率が下がるので、どうしてもある程度の大きさが必要な場合がほとんどです。

その点内燃機関はエンジンだけですべてが完結しており、作動流体を持たないため燃焼エネルギーをそのままエンジンに活用できるという点があります。

そのためエンジンが比較的小型でも高出力化が可能であり、特に内部での圧縮具合で効率が大幅に変わります。

こういった特徴があるので自動車用には内燃機関が適しているわけです。

得意とする用途の違い

発電所

内燃機関と外燃機関は得意とする用途もはっきり別れており、前述したように自動車用には内燃機関が適しています。

自動車以外にも船舶や航空機、ロケットなど、それ自体が移動する機械には内燃機関のコンパクトで高出力な特徴が向いています。

コンパクトということは軽量化にもつながるので、重量が問題となる移動機械には内燃機関がほとんどです。

また固定して使う産業用機械でも多くは内燃機関であり、設備が小型でコストがかからず、メンテナンスもしやすい点がメリットとなります。

それに対して外燃機関は設備が大型化するので固定した用途に向いており、特に蒸気機関は大型の発電所や専用設備を持つプラントなどに使われます。

以前は蒸気機関車や蒸気自動車など移動機械にも使われていましたが、内燃機関の発達とともにほとんどなくなりました。

原子力機関は外燃機関としては比較的コンパクトにすることができるので、発電所以外にもアメリカの空母や潜水艦など主に軍事関係でも使われます。

なおスターリングエンジンは少々例外で、生み出すエネルギーが少ないので実用例は非常に少ない外燃機関です。

ですが原子力でない通常型の潜水艦において、潜水時の電源装置として使われていたりします。

燃料を選ばない汎用性と静粛性の高さが採用された理由です。

熱効率の差

外燃機関は内燃機関と比べて設備も大きく使い勝手は悪いのですが、実はエンジンの効率という点では外燃機関のほうが高くすることが可能です。

燃料の持つエネルギーをどのぐらいエンジンの作動エネルギーに変換できているか、を表す数値を「熱効率と呼びます。」

内燃機関のレシプロエンジンなどは年々高出力化が果たされて効率が良いように思われがちですが、実は燃料の持つエネルギーの半分以下しか利用できていません。

ガソリンエンジンでは3割程度、ディーゼルエンジンでも4割程度の熱効率が一般的で、あとの7割~6割はエンジンの摩擦や冷却での損失、走行抵抗などで消費されてしまうので、決して熱効率が良いエンジンとはいえません。

外燃機関も一般的な蒸気機関などでは熱効率は3割~4割と内燃機関と変わりませんが、近年大型発電所などでは熱効率5割~6割が実現できており、さまざまな技術革新による効率改善なされています。

外燃機関は設備が大型のほうが効率が高くなる傾向にあり、将来的には熱効率は7割程度まで高められるでしょう。

ただ原子力機関では作動流体は同じ蒸気なのですが、熱効率という点では3割程度が現在の実力です。

内燃機関と外燃機関の最新技術と将来性

内燃機関も外燃機関も年々さまざまな技術革新を遂げており、性能や熱効率はどんどん向上しています。

最後にそんな最新技術をご紹介していきます。

内燃機関の最新技術

マツダ SKYACTIV-X

内燃機関、 とくに自動車用のエンジンでは2019年あたりに大きな転機が生まれる予定となっており、それを主導するのは日本の自動車メーカー マツダです。

ガソリンエンジンは前述したようにあまり熱効率が高くなく、燃料のエネルギーの大半は損失として失われてしまっているので、ガソリンエンジンの熱効率改善は昔から大きな課題でした。

しかし理論的にこれまでの構造ではせいぜい4割程度の熱効率が限界と言われており、それを超えるには大きなブレークスルーが必要です。

ポイント

それを果たすのが「HCCI(予混合圧縮着火)エンジン」で、世界に先駆けてマツダが自動車に搭載して実用化しようとしています。

HCCIについては別の記事で詳しくごセル名しているので詳細は省きますが、この実用化によって熱効率は4割~5割まで向上するのではと言われています。

その分エンジンの燃費も大幅に改善することが予想されており、マツダはこの技術を環境対策の中心に据えています。

HCCIは理論的には20年以上前から研究されていたものですが、なかなか開発が成功せず、一時期は理論だけで実用化は不可能とまで言われていたエンジンです。

そんな難易度の高いエンジンを、決して大きな自動車会社ではないマツダが実用化したことで、世界から大きな注目を受けています。

外燃機関の最新技術

外燃機関の技術革新はとにかく蒸気機関の効率向上にかかっており、その積み重ねは大型発電機の効率をかなり押し上げています。

ポイント

近年では火力発電に従来のガスタービン機関に加えて蒸気タービン機関を組み合わせたハイブリッド型が登場しており、内燃機関と外燃機関を両方取り入れての効率改善を果たしています。

蒸気タービンの蒸気はエンジンの排熱を利用することで燃料のエネルギーの無駄を減らしており、とにかく効率を向上させることがなによりの最新技術です。

近年の外燃機関の革新的な技術はやはり原子力機関ですが、原子力が生み出された70年前から現在まで実用的な外燃機関は登場していないともいえます。

次の大きな技術革新は核融合炉の実用化と言われていますが、現在はまだ研究段階で完全な実用化には達していません。

実験的な核融合炉はすでに実現されていますが、安定した発電にはまだまだ技術革新が必要です。