進歩の周縁に取り残された奇妙なエンジン

ヴァンケルエンジン、スターリングエンジン、そして各種ターボパワーユニットは、自動車の主流に入ることがなかった。マツダからGM、メルセデスからボルボまで、多くの著名企業が数十年にわたって研究を続けた。中小企業や個人発明家たちも諦めることなく取り組み続けた。しかし結局のところ、それぞれの代替設計には当初の予想をはるかに超える落とし穴が潜んでいた。だからといって、型破りな動力ユニットの開発が不可能というわけではない。愛好家たちはさまざまなアイデアを推し進め続けており、ここではこれまでに製作された最も斬新なエンジンコンセプトのいくつかを紹介する。

スプリットサイクルエンジン：2つのシリンダー、1つのパワーストローク

一部のエンジン設計者は、シリンダー・ピストン・コネクティングロッド・クランクシャフトという古典的な組み合わせが1世紀以上にわたって実績を積み重ねてきたと結論付け、内燃機関の改良には一から作り直すのではなく特定の側面を調整するだけで十分だと考えた。このリストの最初の例は、アメリカの企業Scuderi Groupが開発したエンジンで、古典的な吸気・圧縮・爆発・排気の4ストロークを維持しつつ、それらを2つの独立したシリンダーに分割している：

• コールド（コンプレッサー）シリンダー — 吸気と圧縮を担当
• ホット（作動）シリンダー — 爆発行程と排気を担当

作動シリンダーでガスが膨張する間、コールドコンプレッサーシリンダーでは吸気行程が行われる。作動シリンダーが排気する際、コンプレッサーシリンダーは圧縮を行う。圧縮行程の終わりに両ピストンが上死点に近づくと、混合気はバイパスチャンネルを通ってコールドシリンダーからホットシリンダーへと移送され、点火される。このスプリットサイクル——本質的には改良型オットーサイクル——は2006年に特許取得され、2009年にScuderi GroupはパイロットモデルであるScuderi Split Cycle Engineを製作した。

コンプレッサーシリンダーと作動シリンダーは異なる径とピストンストロークを持つことができ、エンジンパラメーターを柔軟に調整することが可能で、追加的なガス膨張を伴うミラーサイクルのアナログとして機能する。シリンダー間のチャンネルにバルブと高圧ボトルを備えた分岐を追加すれば、制動時にエネルギーを回収し、加速時に放出することもできる。しかし、数年来Scuderi Groupの活動はプロトタイプと見本市への出展に限定されている。実際の効率向上は、この設計の相当な複雑さを正当化するには至っていない。

クロアチアの企業Paut Motorもスプリット作動サイクルに着目した。その独自の設計はいくつかの理由で注目を集めた：

• 従来のエンジンと比べて可動部品が大幅に少ない
• 摩擦損失が低減
• 作動騒音の低減
• コンパクトな寸法：7リットル排気量で500×440×440 mm
• 重量は約135 kg — 同排気量の従来エンジンの約半分

クランクケースにオイルが不要な代わりに外部潤滑タンクが必要となるが、発明者たちはこれを許容できるトレードオフと見なした。複数のプロトタイプが製作されたが、最終的な出力は公式には発表されなかった。最後のプロトタイプは2011年に組み立てられ、その後プロジェクトは停滞している。

ボナー2ストロークエンジン：極限の複雑さと野心的な目標

ボナー2ストロークエンジン（スポンサーのBonner Motorにちなんで命名）は、2006年にアメリカでウォルター・シュミットによって発明され、機械的な複雑さをさらに高めた設計である。Paut Motorと同様にシリンダーはX字配置となっており、クランクシャフトはギアシステムを介して遊星運動を行う。主な特徴は以下の通りである：

• ガス分配のためのシリンダー底部のバルブとモーター本体内の回転スプールバルブ
• 油圧によってわずかに移動可能な外部ピストン（可変圧縮比を実現）
• 高い重量出力比を主要な設計目標とする

理論上、ボナーエンジンは魅力的に見える。しかし実際には、このプロジェクトから重要なニュースが聞かれなくなって久しく——期待に応えられなかったようである。

アキシャルエンジン：回転式拳銃のように並んだシリンダー

他の発明家たちは内燃機関の作動サイクルをそのまま維持しつつ、構成部品の物理的なレイアウトを再考した。1世紀以上の歴史を持つアキシャルエンジンはその好例である。細部は異なるが、共通の原理を持つ：シリンダーはリボルバーの弾倉のように、出力シャフトと同軸上に配置されている。傾斜ピンやテーパーワッシャーなどの各種機構によって、ピストンの往復運動がシャフトの回転運動に変換される。

ニュージーランドのDuke Enginesプロジェクトはその注目すべき一例で、排気量3リットルの5気筒4ストロークアキシャルエンジンである。同排気量の従来エンジンと比較して、Dukeユニットが提供するのは：

• 19%の重量軽減
• 36%のコンパクト化
• 自動車・船舶・航空分野にわたる多用途な応用可能性

広く普及するという野心的な約束がなされたが、世界を制覇するという夢は夢のままに終わった。

カナダの企業Reg TechnologiesによるRadMaxエンジンは、アキシャルのコンセプトをさらに発展させたものである。独立したシリンダーの代わりに、薄いブレードを使って共通のドラム内に十数個のコンパートメントが形成されている。ロータースロットに取り付けられたプレートがローターの回転とともにブレードに沿って移動し、ドラム端部の湾曲面がブレードの軌跡を定め、ガス交換を制御する。主な特徴は次の通りである：

• 複数の燃料タイプに対応しており、当初はディーゼルを重点としていた
• 2003年のプロトタイプは直径・全長ともわずか152 mmながら42馬力を発生——同サイズの従来エンジンをはるかに上回る出力
• 後期プロトタイプは127馬力および380馬力に達したと報告されている

こうした有望な数値にもかかわらず、RadMaxの活動はすべて実験段階にとどまっているようである。

トロイダルエンジン：シリンダーがドーナツ形になったとき

現在は解散したカナダの企業VGT TechnologiesによるVGTエンジン（可変形状トロイダルエンジン）は、理論が実践を上回るケーススタディのまた別の例である。2005年に初めてテストされたこのエンジンは、従来のシリンダーをトロイド——ドーナツ形のチャンバー——に置き換え、その内部で一対のピストンが取り付けられたローターが回転する。

ピストン用の切り欠きを持つ薄い分配ディスクがベルトドライブを介してトロイドを横切って回転し、圧縮行程とパワーストローク中に混合気を制限する。2009年、アメリカの起業家ゲイリー・ケリーとリック・アイバスが独立して、カナダの設計とほぼ同一のトロイダルエンジンを開発した。彼らの試算によれば、直径半メートルのトロイドは以下の性能を発揮するとされた：

• 230馬力
• 約1,000 N·mのトルク
• わずか1,050 rpmにて

彼らの会社Garric Enginesのウェブサイトには、現在こんなメッセージだけが表示されている：「ご関心をお寄せいただきありがとうございます。このページは将来更新される可能性があります。」

ニューテーティングエンジン：ピストンの代わりに揺動するディスク

2006年にアメリカのレナード・マイヤーが発明したニューテーティングエンジンには、もう少し有望な運命が待っているかもしれない——少なくとも複数の実動サンプルが製作されている。その名称はラテン語のnutatio（頷き、あるいは揺れ）に由来する。マイヤーの設計では、モーター本体とピストンとして機能するディスクの間に、容積が変化する4つの作動チャンバーが形成される。このディスクは直径方向で半分に切断されてZ字形の出力シャフトに装着されており、本体内のチャンネルとバルブがガス交換を管理する。

プロトタイプはBaker Engineeringとその姉妹会社Kinetic BEIによって製作され、印象的な結果を示した：

• 102 mm単体ディスク：7馬力
• 203 mmデュアルディスク：120馬力
• 2ディスクエンジンの寸法：全長500 mm、直径300 mm、排気量3.8リットル
• 重量出力比：2.5〜3 hp/kg（量産自然吸気エンジンの1〜2 hp/kgに対して）

リッターあたりの出力はそれほど印象的ではないが、パワー密度は注目に値する。BakerとKineticは設計の改良を続けているようだが、ウェブサイトでの活動は限られたままである。

LiquidPiston：裏返しにされたヴァンケルエンジン

ロータリーエンジンのコンセプトは、まるでお馴染みのピストン・シリンダー構造から離れること自体がより優れた性能を約束するかのように、革新者たちを魅了し続けている。アメリカに移住した元ソビエトのエンジニア、ニコライ・シュコルニクと息子のアレクサンダーは、ヴァンケルエンジンを裏返しにしたようなエンジンを開発した。ピーナッツ形のローターが三角形のチャンバー内で回転する——ヴァンケルと同じ基本形状——だが重要な違いとして、シールはローターではなくチャンバー壁に固定されている。

シュコルニク父子はこのコンセプトを開発するためにLiquidPistonを設立し、以下の用途を対象としてDARPAから共同資金を獲得した：

• 軽航空機およびドローン
• ポータブル発電機
• ハイブリッド車のパワートレイン

23 cm³のプロトタイプはすでに20%の熱効率を達成しており——その排気量クラスとしては印象的な数値である。チームは現在、約13 kgで40馬力を発生するディーゼルプロトタイプを目標とし、熱効率は45%まで向上すると見込んでいる。

スウィンギングピストンエンジン：四角形への挑戦

このレビューの最後のエンジンは、フラットでコンパクトなユニットへの魅力が本物であること——そしてロータリーだけがその実現手段ではないことを証明している。Pivotal Engineeringのスウィンギングピストンエンジンは、従来のピストンを単純に四角形にすることで、シリンダーを上面から見ると長方形にする。この2ストローク設計は数年の歴史を持ち、その間に複数のプロトタイプがオートバイと航空機の両方に搭載されている。

同社は主に航空用途を対象としており、この設計はいくつかの実質的な利点を提供している：

• 高い出力重量比および出力体積比
• ピストンの固定軸を通る液冷チャンネルによって実現される優れた過給ポテンシャル——従来のエンジン構造では困難な特徴
• 四角形のローターを非常に薄くできるため、フラットなフォームファクター

知っておく価値のあるその他の珍しいエンジンコンセプト

ここで取り上げた以外にも、注目すべき珍しいエンジン設計は数多く存在する。いくつかの特筆すべき例を挙げる：

• 12ローター ヴァンケルエンジン — マツダのロータリーコンセプトを極限まで発展させたもの
• ナイトスリーブバルブエンジン — ポペットバルブと一時的に競った1世紀前の設計
• 対向ピストンエンジン — シリンダーヘッドを持たず、1つのシリンダーに2つのピストンが共存する
• 可変圧縮比エンジン — 負荷状況に応じて効率を最適化するため、圧縮比をリアルタイムに調整可能
• 5ストロークエンジン — 燃焼ガスからより多くの仕事を取り出すための専用膨張シリンダーを追加
• ロータリーブレードエンジン — ローター部品が開閉するハサミの刃のように動く

なぜ代替エンジンは量産に至らないのか？

非従来型の内燃機関設計を簡単に概観するだけでも、際立ったパターンが浮かび上がる：巧みなアイデアは数十にのぼるが、量産車に採用されたものはほとんどない。繰り返し立ちはだかる障壁は一貫している：

• シールの摩耗 — ロータリー設計はアペックスシールの経時劣化によって頻繁に問題が生じる
• 交番機械荷重 — ロータリーブレードコンセプトはブレードとシャフトの接合部での疲労破壊に悩まされる
• 製造の複雑さ — 特殊な形状は量産が高価で困難
• 信頼性と耐久性 — 非従来型エンジンは、100年以上にわたって磨き上げられた従来型ピストンエンジンの耐久性記録に匹敵することがほとんどない

代替エンジンが苦境に立たされる第2の理由は、従来の内燃機関技術も停滞していないということである。ミラーサイクルを採用した最新のガソリンエンジンは、ターボチャージャーなしでも最大40%の熱効率を達成している——これは注目すべき数値であり、大半のガソリンエンジンが20〜30%、ディーゼルエンジンが30〜40%（大型船舶用ディーゼルは最大50%）であることを考えれば驚異的である。

最も重要なのは、内燃機関に代わるグローバルな選択肢がすでに登場していることである：電気モーターと燃料電池パワーユニット。これらの奇抜な設計の発明者たちが技術的な課題を早急に解決しなければ、彼らを待っている市場はもはや存在しないかもしれない——電気自動車がすでに道路を席巻しているだろうから。

これは翻訳です。原文はこちらでお読みいただけます：https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html