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Single- and double-acting cylinders - Wikipedia

レシプロ・エンジン (reciprocating engine) のシリンダーは、動作流体がピストンに 作用する方法により、単動式 (single-acting) あるいは複動式 (double-acting) のいずれかに、しばしば分類される。

大気圧ビーム・エンジン 最初の単動式動力シリンダーの一つ。

レシプロ・エンジンの単動式シリンダー (single-acting cylinder) は 動作流体がピストンの一方の側のみに作用するシリンダーである。 単動式シリンダーが、ピストンを反対側に押し戻す時に依存するのは： 負荷、バネ、別のシリンダー、あるいは、はずみ車の惰性である。 単動式シリンダーは大半のレシプロ・エンジンに見いだされる。 これらは内燃エンジン (すなわちガソリン・エンジンとディーゼル・エンジン) ではほとんど普遍的であり、 多くの外燃エンジン -- 例えば スターリング・エンジン (Stirling engine) と幾つかの蒸気エンジン) -- で見いだされる。

複動式シリンダーは動作流体がピストンの両側に交互に作用するシリンダーである。 複動式シリンダーのピストンを外部の機械 -- 例えばクランク軸 -- に接続するために、 シリンダーの一方の端に、ピストン棒 (piston rod) のための穴を提供しなければならない。 そして、これには袖 (gland) あるいは詰め箱 (stuffing box) を装着して、動作流体が逃げるのを 防止する。 複動式シリンダーは蒸気エンジンでは普通であるが、他の形式のエンジンでは普通でない。 多くの水圧 (油圧) あるいは圧縮空気のシリンダーは双方向への力の生成が必要な時にこれらを使用する。 複動式水圧 (油圧) シリンダーには両端に取り入れ口があり、動作流体がピストンの引き込みと引き出しの両方に使用される。 複動式シリンダーが使用されるのは、ピストンを引き込むための外部の力を利用できない場合、 あるいは強い力が双方向の移動で必要な場合に使用される。

蒸気エンジンは通常は複動式シリンダーを使用する。 しかしながら、初期の蒸気エンジン -- 例えば大気圧エンジンと ビーム・エンジンによっては -- 単動式であった。 これらは、しばしば、鎖と "アーチ・ヘッド" によって、力を伝達した、 というのは、一方向のテンション (tension) のみが必要であったからである。

典型的な水平蒸気エンジン 複動式シリンダー	ウェスティングハウスの 単動式高速蒸気エンジン

これらが鉱山のシャフトで排水するのに使用され、一方向の負荷に対して 作動する必要があれば、単動式デザインは長年の間、使用され続ける。 複動式シリンダーへの主な要因は、ジェームズ・ワットが回転ビーム・エンジンを開発しようとした時に 登場し、これは出力シャフトを経由して機械を駆動することに使用された。 単一シリンダーのエンジンでは、複動式シリンダーは滑らかな出力を与える。 高圧エンジンは、リチャード・トレビシックによって開発されたように、 複動式ピストンを使用し、後の蒸気エンジンのモデルとなった。

後世の蒸気エンジンによっては -- 高速蒸気エンジン -- 新しいデザインの単動式ピストンを使用した。 クロスヘッドはピストンの一部分となり、もはやピストン棒が無くなった。 これは内燃エンジンと類似の理由で、 ピストン棒を避けるためで、密閉によりもっと効果的なクランクケースの潤滑システムが可能になるのである。

小さなモデルとおもちゃは、上の理由から単動式シリンダーをしばしば使用するが、 製造コストを削減するためでもある。

単動式首振りシリンダー蒸気エンジン (oscillating-cylinder steam engine)

蒸気エンジンとは対照的に、ほとんどすべての内燃エンジンは単動式シリンダーを使用した。

これらのピストンは通常、トランク・ピストン (trunk piston) であり、 連接棒 (connecting rod) のピストンピンの継ぎ目 (gudeon pin joint) は ピストン自身の中にある。 これはクロスヘッド、ピストン棒 (piston rod) 及び、この密閉袖 (sealing gland) を避けるが、 単動式ピストンをほとんど本質的なものにもしている。 これは、今度は、潤滑オイルのためにピストンの底部に簡単にアクセスできる利点があり、 これは重要な冷却機能もある。 これはピストンとリング (ring) の局所的な加熱を避ける。

小さな 2 ストローク・ガソリンエンジン -- 例えばオートバイ -- はクランクケース圧縮 (crankcase compression) を使用し、分離した過給機 (supercharger) と 掃気送風機 (scavenge blower) を使用しない。 これは、ピストンの両側を動作面 (working face) として使用し、 ピストンの下の部分はピストンの圧縮装置 (compressor) として作用し、 次のストロークの準備のために、吸気ガス (inlet charge) を圧縮する。 このピストンは単動式と見なされ、それは一方の側面のみが動力を生成するからである。

典型的な現代のディーゼル・カー・ エンジンの単動式ピストン	ケルティング (Körting) の 複動式ガス・エンジン	ケルティング (Körting) の ガス・エンジン断面

初期のガス・エンジン (gas engine) -- 例えば 1860 年頃のルノアール (Lenoir) のオリジナル・エンジン -- は複動式エンジンで、デザインは蒸気エンジンに従った。

内燃エンジンはまもなく単動式エンジンに切り替えた。 これには 2 つの理由がある： 高速蒸気エンジンに関しては、 各ピストンと連接棒の力は非常に大きいので、 軸受けに大きな負担がかかる。 単動式ピストンは -- 力の方向は連接棒に沿って首尾一貫して圧縮である -- 軸受けの余地 (bearing clearance) がきつくなる。 第 2 に良好なガスの流れを提供するための大きなバルブ領域の必要性は、 一方で良好な圧縮を提供するための燃焼室の小さな体積が必要となるため、 利用可能なスペースを独占した。 ルノアール (Lenoir) の蒸気エンジン由来のシリンダーはガソリン・エンジンには不適切で、 新しいデザインが、 ポペット・バルブ (poppet valve) と単動式トランク・ピストンの周辺に基礎を置いて、 その代わりに登場した。

極端に大きなガス・エンジンも、高炉の送風エンジンとして建設され、 1 台あるいは 2 台の極端に大きなシリンダーを持ち、 高炉ガスの燃焼を動力にした。 これらは、とりわけケルティング (Körting) により建設されたものは、複動式シリンダーを使用した。 ガス・エンジンはガソリン・エンジンあるいは圧縮点火エンジン (compression-ignition engine) と 比較すると、ほとんど、あるいは全くガスの圧縮が必要ではなく、 従って、複動式シリンダーのデザインは、 これらの狭く、捻じれた通路にもかかわらず、なお適切であった。

それ以来、複動式シリンダーは内燃エンジンには稀に使用された、 もっともバーマイスター & ウェイン (Burmeister & Wain) は 1930 年より前に、海洋推進のために 2 - ストローク・サイクル複動式 (2 - SCDA) ディーゼルを使用した。 最初のものは 7000 馬力で、1929 年に英国の MV アメリカ (MV Amerika) (ユナイテッド・バルティック社製造 (United Baltic Co.)) に装着された。 2 台の B & W SCDA エンジンは 1937 年の MV スターリング・キャッスル (MV Stirling Castle) に装着され、 各々 24,000 馬力を生成した。

1935 年に米国潜水艦の USS ポンパノ (USS Pompano) がパーチ・クラス (Perch class) の一部分として注文された。 6 隻のボートが建造され、 3 種類の異なるエンジンが、異なるメーカーのデザインで建造された。 ポンパノ (Pompano) は H.O.R. (フーヴェン - オーエンス - レンチュラー (Hooven-Owens-Rentschler)) の 8 シリンダー複動式エンジンを装着され、 このエンジンは巡洋艦ライプツィヒ (Leipzig) の MAN 補助エンジンの特許で建設したバージョンであった。 潜水艦の中で利用可能なスペースが限られていたため、 対向ピストン (opposed-piston) ないしは、この場合であれば複動式エンジンが、もっとコンパクトであるために好まれた。 ポンパノ (Pompano) のエンジンは完全な失敗で、 メア・アイランド海軍造船所 (Mare Island Navy yard) を離れる前に試行中に破壊された。 ポンパノ (Pompano) は 1938 年までの 8 ヵ月間係船され、その間にエンジンが取り換えられた。 これでさえ、エンジンは不十分と見なされ、1942 年にフェアバンクス-モース (Fairbanks-Morse) エンジンで交換された。 ポンパノ (Pompano) がなお建造中に、サーモン・クラス (Salmon class) の潜水艦が注文された。 これらの 3 隻はエレクトリック・ボート (Electric Boat) により建設され、 エンジンは H.O.R. エンジンの 9 シリンダーの発展型であった。 ポンパノ (Pompano) のエンジンのように大失敗ではなかったが、 このバージョンも問題があり、ボートは姉妹船と同様に、同じ単動式のゼネラル・モーターズ (General Motors) の 16-248 V16 エンジンで付け替えられた。 他のエレクトリック・ボート (Electric Boat) が建造したサーゴ・クラス (Sargo) とシードラゴン・クラス (Seadragon) も、この 9 シリンダーの H.O.R. エンジンで建造されたが、 後にエンジンを交換した。

水圧シリンダーの記事 (未翻訳) を参照。

複動式水圧シリンダー