孤雲野鶴

以前から、プロペラ機のプロペラによる回転反力について疑問を抱いていた。
ヘリコプターのテールローターは、主ローターによる機体の逆回転を相殺しているが、セスナやゼロ戦などのプロペラ機はエンジンの回転とは逆方向に機体が回ろうとはしないのだろうかという疑問である。

結論からいうと、プロペラ機（双発機等を含む）も、ヘリコプター同様エンジンの回転の影響を受けるため、これを抑える、反トルク対策を行っているということである。

最近（2008/07/30）、「日経Tech-on」で「零戦の垂直尾翼の断面が左右非対称である件について」という、興味深い記事が出ていた。

記事では、靖国神社の博物館「遊就館」に展示してある零戦52型の、垂直安定板の左側の方が厚く見えるとのこと。
プロペラはパイロットからから見て時計回りに回転している、機体はその反動で反時計回りに回転し、左主翼が下がる。すると機体は左旋回する。
一方、垂直尾翼の左側が膨らんでいるということは、左側に「揚力」が生じ、尾翼部分は左に引っ張られる。その結果機首は右を向き、プロペラの反トルクの影響を打ち消すということになる。
この方法はメッサーシュミットBf109において有名である。

なお、戦闘機などを扱う専門サイトでは、零戦は上記のような対策を行ってはいないとある。

このような反トルク対策は様々ある。
1.垂直尾翼そのもののオフセット（1～3度程度角度をつけて取り付ける）。
2.エンジンの取り付け角のオフセット（1～3度程度角度をつけて取り付ける）。
3.オフセットのない垂直尾翼のラダーに左に反らした固定小タブを取り付ける。
4.左主翼の長さを右主翼よりも長くする。
5.二重反転プロペラ。

所で、双発機などのマルチプロペラ機、また、ジェット戦闘機、ジェットエンジンのヘリコプターはどうなんだという疑問が涌いてくる。

双発機ならば、互いに逆回転させてトルクを打ち消せばいいと考えるが、実際には、そういったタイプの双発機は極少数らしい。製造コストか？。ロッキードP-38ライトニングは少ない例だという。

現在では、おそらく電子制御による自動補正が行われているのだろう（ここではこれ以上踏み込むのをよそう）。
古い時代のメカニズムはエンジニアの苦労が滲んでいるのがダイレクトに感じられる。何しろ判りやすく、ロマンチックでいい。

阿蘇地域では、JR九州が蒸気機関車を走らせていた。最近目にしなかったのだが、老朽化によって傷んだボイラーの修理をしているということをニュースで知った。

蒸気機関車の修理画面を見て思ったのは、その昔、実用化させた時分から一般化した頃まで、ピストンとシリンダーのシーリングはどうなっているのだろうということだった。

蒸気機関車や、映画で有名なタイタニックの蒸気機関は、蒸気でピストンを押す。押されたピストンは逆方向からの蒸気によって元の位置に戻る。つまり、ピストンの往復運動の両方向で蒸気の圧力を用いている。
膨大な重量のある車両を引っ張る動輪を回すためのピストンを押す蒸気圧を得るため、おそらく、ボイラーは圧力鍋状態にしてあり、強大な蒸気圧を発生させているに違いないなと思った。その時にシーリングに関心を持った次第・・・（多少調べたが出て来なかったから、終わりにした）。

所で、タイタニックなどの大型船舶に用いられた蒸気機関だが、ボイラーからの高圧蒸気は最初のシリンダーに送られてピストンを押して排出される。しかし、まだ高圧状態でエネルギーを持っているため、さらに低圧用のシリンダーに送られてピストンを押す。高圧、中圧、低圧の3段階のシリンダーを備える蒸気機関もある。
蒸気は圧力が下がっていくごとに膨張していくためシリンダーの直径は増えていき、直径はおよそ、1.5m（高圧用）～2.5m（低圧用）程度。ストロークは2m程度（実に巨大）。
（ちなみに、タイタニックは4シリンダー3段膨張機関。現在の大型タンカーのジーゼル機関のシリンダー径は、およそ1m前後だと記憶している）

ロンドンにあるサイエンスミュージアムには、巨大な蒸気エンジンが展示してあり圧倒される。これらのシリンダーやエンジンを加工した、当時のマザーマシンも大したものだと思う。やはり、蒸気駆動なのだろう。

余談だが、機関車の動輪にはデファレンシャルギアがない。軌道にはカーブがあるので当然内外輪には回転差が生じる。これをどうやって吸収しているのかということだが、外側の直径が小さく、円錐状になっている列車特有の車輪に、その秘密がある。
また、軌道のレール幅は、カーブの曲率によって若干広く作られている。列車がカーブに差し掛かると遠心力で車輪や車体はレールの外側に移動し、車輪のつば部分で押えられる。カーブ外側の車輪は車輪内側の最も直径が大きい部分でレールで接し、内側の車輪はレールが広がった分だけ外側の、若干直径が小さくなった部分で接する。この円周差によってスムースに曲がるのである。
つまり、あるカーブの軌道は、曲率、通過速度、レールの開き幅、軌道カント（軌道の傾斜角）、カントへのアプローチ（勾配）が厳密に決められている。これによって、スムースにカーブを通過することができる。
（記憶違いによる間違いがあるかもしれません。その場合はご指摘下さい）

鉄道は今となればローテクかもしれないが、、蒸気機関そのものの開発も大変重要な要素であるし、上記の軌道設計を始め、安全を保障する運行管理、保守管理等、輸送システム全体の構築ということを考えると、当時としては大変な事業だったに違いないと思う。

植民地時代のヨーロッパの覇権主義は、時にいまいましい。しかし、彼らが旧植民地に残した鉄道は、基礎技術確立までの苦労など、まるでイメージさえできない、のどかな機関手が、今日も古い蒸気機関車を走らせ、ローテクであろうが何であろうが、ローコストな輸送手段として途上国の庶民の生活を支え続ける。

車の新技術に関し、割と気軽な気持ちで書こうと思っていた。所が、書くにあたって調べると、知らないことや、解説を読んでも理解できない説明も多く、個人的なブログとはいえ簡単には書けなかった（注1）。

ミラーサイクルにしてもそうだし、ポンピングロスというのは燃費を1割前後落としているという事実さえ知らなかった（知ってもどうなることでもないのかもしれないが・・・（ポンピングロスの少ない領域を使用して燃費を向上させる運転方法のサジェッションを記しているサイトもあったが（注2）・・））。

温暖化への対応で、自動車の燃費規制は2020年に20km/L（車両平均）に達する可能性があるそうである。法規制も厳しくなっているし、販売に直結するメーカー間の燃費競争もあり、実に様々な技術が研究され、試され、また搭載されているのは驚きである。しかし、ハイブリッド技術をしてで国産メーカーにはアドバンテージがあるような報道があり、割と安心している我々ではあるが、実は、採算が見込まれる有力技術は欧州企業が先行し、国内メーカーはむしろ出遅れているという。
現在、日本の自動車の生産台数が多いとはいえ、アングロサクソンの粘り強さを決して侮ってはいけないのである（注3）。生産台数に限っていえば、いずれ中国にその座を明け渡すのは明らか。カブタイプのモーターサイクルのように・・。

参考までに、前回書けなかった新技術の動向と部分的な解説を補足的に述べると・・

2010年度燃費基準と達成に必要な技術は・・
摩擦低減
可変バルブタイミング
CVT etc・・

2015年度燃費基準と達成に必要な技術は・・
可変バルブリフト
直噴化
アイドリングストップ（注4）
DTC（注5）

2020年度燃費基準と達成に必要な技術は・・
可変圧縮比エンジン（注6）
HCCI燃焼（注7）
希薄燃焼

省エネのための新しい技術革新には驚くが、その一方で、3、4、5リッターのエンジンを載せた新型車が世界的に矢継ぎ早に登場している（特にここで触れたくもない・・）。

余談だが、ターボチャージャー装着エンジンはガソリンの気化熱で冷却する場合が多いという。このような技術に対しては、ポジティブな評価を与えたくない。
所で、木工作業において木材を昇降盤で縦に切断する場合、切断された部分が締まる（閉じる）場合がある。木材内部の含水率が低く、内部応力が残っていることが原因だが、閉じた木材が高速で回転する鋸刃を締めることにより、鋸刃の回転力によって材料が作業者の方向へ激しく戻り、非常に危険である。
このとき、送材を止めると摩擦熱で鋸刃がぐにゃぐにゃに変形する。そこで、鋸刃が発熱してきたと感じたら、いっそう強い力で材料を押し、木材中の水分で鋸刃を冷却すると切断を続行できる場合がある。ただし、押したほうが良いのか、すぐにスイッチを切ったほうが良いのかはケースバイケースだからビギナーには薦められない。

注1：そういうわけで、この記事を書くためにかなりの時間を割いた。自分でも何をやっているのだろうという疑問を抑えながら・・。

注2：アドレスを控えていなかったので裏覚えだが、大雑把に言うと、アクセルを開けていないほうがポンピングロスは大きいので、多少開けて走るというもの。勿論、開けすぎるのは禁。

注3：国産に多い綺麗なだけで味のないスタイル。アイデア段階から醸成へ昇華していない「生」なデザインのままの「オロチ」や三菱「コンセプトcX」は、はまさしく稚拙の一言（加えると、今話題のN社のスーパーカーのパッケージも、くどくて整理されていないと、個人的には思う）。
欧州車もトーイ化してきたとはいえ、完成度の違いは明らか。上記の新型国産車は、基本的に普遍への理解と要求度が違うことを実感させる一例。また、メルセデスの安全思想車体に追いつくまでにトヨタをして10年かかったという話を聞いた。水抜き一つにしても防錆への些細な配慮の違いなど、結局は民族の文化の質が設計の質を決定付けているのは間違いない事実。

注4：アイドリングストップ
興味ある事例：日経BP技術賞「機械システム部門賞」受賞。マツダ「スマート アイドリング ストップ システム」
この技術は、エンジンストップのたび、スタートにスターターを使用しないシステムである。直噴ガソリンエンジンでしかできないが、実に発想がいい。
作動原理は、先ずピストンをシリンダーの中間あたりで、ほぼ同じ高さになるように止める（これには正確な制御が必要）。
次に、圧縮行程にある（つまり上昇途中の）シリンダーに燃料を微量噴射して点火する。圧縮行程とは言っても，しばらく止めれば圧縮は落ちている。圧縮しないのだから大した力は出ないが、それでもちょっとは回る。ここがミソ。圧縮行程にあるピストンを押し戻すのだから逆回転になる。その時、膨張行程（下降途中）にあったピストンは逆に上昇を始める。そこに点火。爆発はささやかだが、1回目の点火より大きな力が出る。このときの回転方向は普段と同じ。これがセルモーターの代わりになる。3回目以降は通常回転である。これが0.3秒の間に起こるのでドライバーのストレスはない。

注5：DLC（Diamond Like Carbon）
DLC膜の構造は通常水素を若干含有した非晶質(アモルファス)構造でダイヤモンド結合やグラファイト結合などを持つものと言われている。ダイヤモンド状の炭素結合を持った非晶質炭素膜の総称。
DLCは、高硬度で優れた耐摩耗性。無潤滑下で低い摩擦係数。摺動時、相手材を磨耗、損傷させない（低相手攻撃性）。化学的に不活性で安定。焼付き、凝着、溶着を起こさない。腐食性雰囲気中でも侵されない等の性質を持ち、物理蒸着法や化学蒸着法等によってコーティング皮膜を形成する。
日産が開発した、水素フリーDLCコーティングを、エンジン部品である、バルブリフター、ピストンリング、ピントンピンの3点に行うと、摩擦損失を従来より25％低減でき、燃費を3～4％改善する効果があるという。

注6：可変圧縮比（VCR：Variable Compression Ratio）エンジン
走行中に圧縮比を8：1～14：1程度に変化させる機構を持つエンジン。
エンジンは、圧縮比を高くしたほうが効率は高まり燃費が良くなるが、ノッキングが起こりやすくなる。しかし実際には、ノッキングが起こりやすいのは高負荷・高回転の運転領域で、それほど負荷の高くない常用域では、圧縮比を14：1程度まで上げてもノッキングは起こらない。このような実用領域で、可能な限り高い圧縮比にしてエンジン効率を上げようとするのがVCRエンジンである。
圧縮行程の距離を変化させて圧縮比を変えるが、機構が複雑、重量増加で実用には至っていない。最近日産が開発したものはマルチ・リンク・コンロッドと呼ばれるもので、コンロッドの長さをリンク機構により変化させ、ストローク量を変えるもの。これにより、上死点位置を5.5mm変化させる。ターボエンジンとの組み合わせでは「燃費・出力ともに10％以上向上できる」という。
ストローク量を変えるとはいえ、前記事のアトキンソンサイクルエンジンとは考え方が違う。

注7：HCCI燃焼（予混合圧縮着火）（HCCI：Homogeneous Charge Compression Ignition）
ヂーゼルエンジンのように圧縮による発熱で着火する燃焼システム。昔、キーを回してエンジンを切った後、暫くエンジンが回っていたアフターランと同じ原理。優れた効率と排出ガスの大幅な低公害化を実現できる興味深い技術だが、制御が難しいらしい。

前回と今回の記事のソースの多くは、「Tech-On」のAutomotive Technologyを参照させて頂きました。

モーターショーの影響からか、部品メーカーからの提案を含め、車に関する新技術を目にする機会が多かった。それは効率改善、燃費向上、軽量化、高品質化などである。
先進技術や新しいメカニズムが好きな私にとってたいへん興味深い。

言うまでもないが、CO2排出削減が大きな目的であり、また石油需要増加に伴う燃料価格上昇対策でもある。
ちなみに、世界のCO2排出量は、50％が発電所と工業部門によるもので、自動車のCO2排出量は全体の15％前後。しかし、車両の燃費改善にもかかわらず、途上国での販売増加により自動車が排出するCO2排出量は増え続けている。

新技術はエンジン本体は勿論、車体全ての構成要素に及んでいるが、全ての補助装置の電動化（バイワイヤ技術）が進んでいることを感じた。エンジン補機類の電動化により、直接エンジンからパワーの供給を受けないことにより効率を上げるということである。
最初はパワステがそれまでの油圧からバイワイヤに変わった。同様の理由でウォーターポンプやオイルポンプも電動化されそうである。

余談だが、ステアリング（操舵装置）もモーター駆動の提案がされ（注1）、ブレーキも電動化の提案がされている。
ステアリングは軽量化や電子制御による最適なコントロールが可能であるということか？。また、ブレーキの電動化はオイルラインの廃止による生産性の向上、また４輪のインディビジュアルな制御による安全性、操縦安定性の向上ということか？。

最も望まれるエンジン電動化の一つは電磁バルブであろう。多大なバルブ駆動のエネルギーロスから解放され、最適なタイミングとリフト量の電子制御による圧倒的な効率改善に繋がることは素人の私にも理解できるが、実現は当分先？。

エンジン自体の改良のトピックには実に様々あって素人ながら興味深い。
その一つがミラーサイクルエンジンである。
通常のレシプロエンジンの場合、吸入された混合気が爆発し、ピストンが押し下げられる。もしも、押し下げる余力が残っているならば、そして、さらにピストンが下がり続けることが可能ならば、まだまだ、爆発エネルギーを利用（回収）することができる。しかし、現在のレシプロエンジンの形式では、ピストンのストローク量は決まっているので、爆発した膨張ガスの圧力が残っていても、ガスは排気弁から強制的に排出されてしまう。この捨てられているエネルギーを回収しようとしたのが、アトキンソンサイクルエンジン（膨張比が圧縮比よりも大きくなる状態を実現したもの）である。ただし、構造が複雑になるなどという理由でレシプロエンジンとして実用化（一般化）されていない。

所が、ある技術者（R.H.Miller氏）がインレットバルブ（吸気バルブ）の動作により、擬似的にアトキンソンサイクルを実現するというアイデアを思いついた。
例えば、通常の吸入行程の半分で吸入を停止する（インレットバルブを閉じる）（注2）と、吸入量よりも膨張量のほうが大きくなり、効率が上がるわけである（圧縮が落ち、圧縮比よりも膨張比のほうが大きくなる）。これを通常ミラーサイクルエンジンと呼んでいる。

マツダの新型デミオはミラーサイクルエンジンとCVT（Continuously Variable Transmission）の組み合わせにより、燃費は10・15モードで23.0km/Lを達成している。

スズキの3次元カムエンジンも面白い。
3次元カムは、低速から高速用まで形状の違う通常のカムを何枚か合わせてきれいにつないだものと思えばいい。この立体的（3次元）になったカムをボールネジで左右に制御し、カムのどの部分がフォロアに当たるかを決定する。
BMW社の「バルブトロニック」、トヨタ自動車の「バルブマチック」などと競合することになるが、機構がシンプルで摩擦損失も小さいということがメリットだが、カムの製造にコストがかかりそうである。

ちなみにカムは塑性加工で造り、研削し、最後に精密ショットピーニングをして仕上げる。外周が曲線になった砥石で3次元形状を研削する。一般的な研削盤を使うが、加工には4分かかり、NCデータ量は一般のカムの200倍に達するという。
ミラーサイクルにもでき、燃費は20％、トルクは6％向上する。数年後の実用化を目指すという。

注1：日本精工製のステアバイワイヤは、二つのモータの回転力で前輪のタイロッドを直接動かすことにより操舵する。今回試作発表されたものは、左右輪それぞれを、ピットマンアームと呼ばれるロットで操舵する。ステアリングシャフトが省けるのはもちろん、ラックとピニオンも不要で従来よりも大幅に機構が簡略化でき、スペース効率も向上するのが特徴。モータを二つ備えるため、どちらかのモータに不具合が生じても残りのモータで操舵できるので安全性も高い。

注2：バルブを早閉じにすると、その後無理に膨張させなければならず、これがポンピングロスとなって効率を落とすので、遅閉じにすることが多い。遅閉じの場合、通常よりポンピングロスは低減される。この場合、混合気はインテークマニホールドに吹き返すことになる。

最近の車はすごいことになっている。大排気量、大出力化である。
ベンツやレクサスを始めとする高性能マシンが矢継ぎ早に発売され、シェアの覇を競う。片方で環境対策が叫ばれ、売りにするが、その自己矛盾に対する批評が聞こえることは殆どない。

今、それを批判するつもりはない。大袈裟に言えば、さながら、民族の優劣を競うに等しい戦いが展開されているようにも見える（だから批判をしないということでもないが）。

所で、多くの内外の高性能エンジンでは、ターボチャージャーという過給器が取り付けられ、排気ガスの力を利用してタービン（回転翼）を回し、その回転力を用いて空気を多量にエンジンへ送り込んで出力を増すということが行なわれ、ターボを謳い文句にし高性能をアピールしてきた。

過給器には、エンジンの排気ガスでタービンを回す方法と、エンジン自体や、モーターでタービンを回す方法がある。詳しくは触れないが、共に一長一短があり、ターボチャージャーは、排ガスの勢いの弱い低速域では効果が低く、機械式チャージャー（今日の日本ではこのことをスーパーチャージャーと呼ぶ）は高回転域でロスが発生する。

最近発売されたゴルフGT TSIには、排気と機械式の二つの過給器が装備されているという。つまり、二つの過給方式の弱点を補って高性能化を図るということらしい。
更なる、高性能化と穿ってしまいがちであるが、その設計意図は、単なる高性能化ではなく、小型エンジンの高効率化にあるという。

欧州では、現在、エンジンをコンパクトに作ることは、省エネルギー上きわめて有効な手段であることから、省燃費と高出力を両立させたストイキ（ストイキオメトリー＝理論空燃費）ターボが脚光を浴びている（RESPONSE：【VW ゴルフ GT TSI 日本発表】高出力と低燃費を両立（2007年1月22日）より）。

このような考え方であるのなら納得できると思えた。
例えばの話、1500CCの運動性能を必要としている営業担当者が、燃費に優れ、パワー（馬力とトルク）が同等であれば、過給器付きの1000CCで問題ないはずであるし、更に、製造上及び、廃棄までに使われるエネルギー総量が低減されれば環境にとって実にいいわけである。もしも、そのような意図のための過給器エンジンであれば実に素晴らしいことだと、個人的には思えたのだ。

話は違うが、友人のリトルカブは普通でリッター１００kmほど走るという。暖かくなったら、カブや125ccでいいから買い物に使いたいと思った。走ると少し寒い、早春の風を切るのは清々しいだろうなと・・。