内燃機関 エンジン ピストン 両頭ピストンヘッド

Question

最近、米国で往年の内燃機関の形式である水平対向ピストンエンジンが再評価されている旨の記事を読みました。

スバルやポルシェや往年のビートルの水平対向ボクサーエンジンではなく、
同じ1本のシリンダーに2本のピストンヘッドが向かい合わせにお見合いしているタイプです。 燃焼室は共用。

そこで思い出したのですが、昔の船舶用ディーゼルエンジンで、上記とは逆に 1本のシリンダーに1本のピストンなのですが、シリンダーの両端が燃焼室となっていて、ピストンの両端が夫々ピストンヘッドとなっているタイプがありました。両頭ピストンエンジン という名前だったと記憶しているのですが、このエンジンは素人的には、場所も取らず、効率的に思えるのですが、このエンジンの特長と欠点は何で、何故廃れたのかを御教示下さい。

Answer 1

水平対向エンジンは、対抗したピストンが同軸に配置されている訳では有りませんよ。
対向するピストンとクランクを繋ぐコネケティングロッドが干渉し合わない様に、必ずその分だけ対向するピストンの軸がずれて配置されています。
水平対向や、V型配列のエンジンは、隣のシリンダーとは位置がずれていて、すぐ隣に並ぶシリンダーはもう一つ隣のシリンダーになります。
シリンダーとシリンダーの間には、冷却の為のウォータージャケットを設けなければならないので、水平対向やV型に配置する事で、エンジンの全長を抑える事が出来ます。
クランクが短くなれば、クランクの捻じれ剛性を高め易くなるので、より高出力にしやすくなります。

V型と水平対向では、V型は隣のシリンダーとの角度が、90°が普通で、それより大きかったり小さかったりする物も有りますが。
対向するシリンダーを同じ角度のクランクに接続すると、爆発間隔が等間隔になりません。
鋏角90°のV型8気筒で有れば、8本のシリンダー全ての爆発間隔を1/4回転毎に揃えられますが、それ以外の鋏角や気筒数だと、対向するシリンダーの間もクランクの角度を変えてやらないと、等間隔爆発にならない訳です。
これでは、クランクの形状が複雑になり、対向するシリンダーのコネクティングロッドを、密接に配置する事が出来なくなります。
対して、水平対向ならば、対向するシリンダーのコネクティングロッドを同じ角度のクランクに密接して配置した場合、対向するシリンダーとの爆発間隔を270°にすれば、隣の対向する1セットとのズレを合わせると、4気筒でも等間隔爆発に出来ます。
単純な形状のクランクで、V型よりも少ないシリンダー数で等間隔爆発に出来る訳です。
これが水平対向配置のメリットです。

両頭ピストンが無くなったのは、対向するピストンヘッドの間に、出力を取り出すコネクティングロッドを設けなくてはならないので、ピストンが単純なピストンの倍以上に大きく重くなってしまう事。
爆発により発生する力の方向と、クランク軸がズレているので、ピストンには常にクランク軸から離れる方向の負荷が掛かる事。
これでは、高回転、高出力なエンジンが作れませんので、消滅してしまいました。

質問者からのお礼コメント

各回答者の皆様　大変専門的な御回答を頂き有難う御座いました。文系の小生には完全には理解出来ない点も多々御座いましたが、ピストンとシリンダーだけでの簡略化だけではなく、爆発力の取り出し方との取り合いも考える必要が有る事、それを含めると結局複雑化し過ぎて淘汰され現在の形式に至った　という事は十分理解出来ました。ＢＡは最初に回答を下さったＣＲＡＦＴＭＡＮ様に差し上げますので御了承下さい。

Answer 2

複動式ディーゼル機関と呼ばれるものです。サイズの割に大出力が得られるので旧海軍の潜水艦等に使われていましたが、構造が複雑で故障しやすくメンテナンスも難しかったので普及しませんでした。今はありません。
添付資料に詳細解説があります。

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jime/49/3/49_387/_pdf/-char/ja

Answer 3

もう既に回答されている通りですが、もう少し書けそうなので、参考になさって下さいな。

>同じ1本のシリンダーに2本のピストンヘッドが向かい合わせに
>お見合いしているタイプです。燃焼室は共用。
これの究極的な物が
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8D%E3%82%A4%E3%83%94%E3%82%A2_%E3%83%87%E3%83%AB%E3%83%86%E3%82%A3%E3%83%83%E3%82%AF

でしょうか。2stに限られてしまいますが、燃料を壁に触れさせず、宙に浮かせたまま燃やすべき、という点からすると案外悪くない構造だったりします。d(^^)

しかし、ヘンタイの英人らしいと言うか。。。d(^o^;)
http://www.craftsmanshipmuseum.com/Tomlinson.htm

で、

>1本のシリンダーに1本のピストン
>シリンダーの両端が燃焼室となっていて、
>ピストンの両端が夫々ピストンヘッドとなっている
>両頭ピストンエンジン
ですかぁ (^.^;)
何故そうしたのか? 何を難儀に思ってそんな事に至ったのか、背景が知りたいです。よね?

>場所も取らず、効率的に思える
>何故廃れたのか
と言うより、メジャーな存在に成れているんでしょうか? 異端で終わってる様に愚考します。

>欠点は何
そりゃ何と言っても、動力の取り出しをどうやるか、でしょうね。
シリンダー筒の横っ腹に長く溝を切って、ピストンに通したピンを横に出して来て、そこにコンロッドを繋ぐ。
と想定してみると、ピンには剪断の力が掛かる事に成ります。「片持ち梁」ですから、辛いでしょうねぇ。
だし、ピストンも「捻られる」ので、シリンダーの中で摺動するのが辛く成る。
今のエンジンは皆、真っ直ぐにコンロッドを押してますよね? 単に押す以上の、衝撃荷重に耐える為にも、無理の無い構造である事が大事なのです。

ピンを両側に出して、コンロッドを2本にするかY字型にする事も考えられますが、隙間無く精度良く作れるのか。。。
2気筒を横並べに配置して、そのピストン間にピンを渡す構造も考えられますが、そう成ると「同じ力」を発生させる為には同爆と成り、何の為に多気筒化したのか解らなく成ってしまいます。
(ここ迄をイメージ出来ますか?)

メリットを考える以前の問題で、作れるのか、壊れないで運転出来るのか、という疑問が生じる構造なのでした。

物事には絶対的な物は無い。全て利害得失を天秤に掛けた上で、無理の無い物だけが生き残って行くのです。