月刊ポピュラーサイエンス/第57巻/1900年10月/ガソリン自動車

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ガソリン自動車
ウィリアム・バクスターJr.著

ガソリン自動車の動作を理解するためには、ガソリンエンジンが作用する原理をある程度知っておく必要がある。簡単に言えば、次のような原理である。ガソリンは蒸気に変換され、この状態で十分な量の空気と混合され、適切な温度に加熱されると発火する。この空気と蒸気の混合物は、ピストンが自由に動くシリンダーの中に入れられる。この混合気は、電気火花や火炎管によって点火され、激しく燃焼して、事実上、爆発のように急速に燃焼生成物を膨張させることになる。この爆発の力でピストンがシリンダーの奥に押し出され、コネクティングロッドとクランクによって駆動軸に回転運動が与えられるのである。

図.1 ガソリンエンジンの断面図

この動作の全体像は、図1の単筒エンジンの簡単な図を見ればよくわかる。R室にはガソリンが入っている。空気は、矢印で示したように、チューブbを通ってこのチャンバーに入り、プレートcとガソリンの表面との間を通過する。フロートdは、リザーバー内の液体の量にかかわらず、プレートcを適切な位置に保ちる。シリンダーから排出された加熱されたガスはパイプrを通過し、ガソリンを加熱して自由に気化させ、cの下を通過する空気に必要な割合の蒸気を含ませる。混合された空気と蒸気は弁室Sに入り、そこからハンドルaの動きによってパイプeへの流れが調整される。この弁室には独立したハンドルで操作する別の弁があり、必要に応じてこの弁を使って混合物にさらに空気を入れることができる。パイプeとバルブfを通って蒸気はQ室に入り、Q室はシリンダーの上部につながっている。駆動軸Gが回転しているとすると、ピストンは図の位置から引き下げられ、Q室は真空になる。この瞬間にバルブfが閉じ、その後、ピストンの上昇運動によってQ室内の混合気が圧縮される。ピストンが下降ストロークと上昇ストロークを終えて上限位置に達すると、レバーlと接点pが一緒になり、誘導コイルMに発生した電流が電線jとkを通り、暗い陰影で示されている絶縁材料のプラグを通過する金属端子の端の間のiで火花が発生する。この火花により、混合された空気と蒸気が点火され、爆発が起こり、ピストンが2回目の下降を余儀なくされる。バルブhとレバーlは、駆動軸mに取り付けられたカムによって操作され、チャンバーQが混合気で満たされ、ピストンがシリンダーの最上部にあるときにiのスパークが起こるように設定されている。バルブが開くのは、爆発によってピストンが最下部に位置した後、上方に移動し始めたときである。

このように、混合気を吸い込むためにピストンは下降し、次に圧縮するために上昇し、2回目の下降では爆発の力で押されるという仕組みになっている。この動作から、エンジンの動力は、駆動軸が交互に回転するたびに爆発する力によって得られることがよくわかりる。そのため、バルブhとレバーlを動かすカムは別の軸に置かれており、その軸は主軸と2対1の割合で歯合されている。エンジンが力を発揮するためには、ピストンが下降して爆発性のガスを吸い込み、上昇してガスを圧縮して爆発させる必要がある。始動の際には、車輪Oを手で回す。

図.2 ガソリン噴射機関

チャンバーQとシリンダーの上端でのガソリン蒸気の燃焼は、大量の熱を発生させ、その熱を逃がす手段がない限り、温度はすぐにエンジンの正常な動作を妨げるほどに上昇する。熱を逃がすには2つの方法がある。1つはNNの図のようにシリンダーをウォータージャケットで囲む方法、もう1つはシリンダーの外側に多数の細い冷却ひれを設け、空気に触れる面を増やして放射量を増やす方法である。

電気火花は混合物の点火に非常に有効であり、カムnを適切に設定することにより、最も望ましいと思われるピストンの位置で爆発を起こすことができる。しかし、iの点は故障しやすく、誘導コイルMを作動させる電池やコイル自体が多かれ少なかれトラブルの原因となる。この場合、カムn、レバーI、装置の電気部分は必要ない。その代わりに、Q室の上側にチューブが置かれ、このチューブの外面に衝突する炎によって赤熱に保たれる。爆発性混合物が圧縮されると、高温の管の内部を上昇し、燃焼を起こすのに十分な温度の部分に達すると爆発が起こる。多くの技術者は、この仕組みが電気火花よりもシンプルで優れていると考えている。

図.3 逆転装置

ガソリンエンジンには、1つのシリンダー、2つ以上のシリンダーがあるが、それぞれのシリンダーで行われる動作は上述の通りである。エンジンの実際の構造は、図1の外観から想像されるほど単純ではなく、ここでは示されていない多くの詳細が必要である。ガソリンエンジンの実際の構造については、最近ヨーロッパで発明された製品の作動図である図2から、より完璧なアイデアを得ることができる。この設計では、シリンダーが周囲の空気への放射によって冷却されていることに気づくだろう。多数の円形冷却ひれによって外面を増やし、さらにピストンの上側から中空のトランクを延長することで、放射面を増やすだけでなく、クランクディスクが回転する部屋Tから熱い空気を逃がすことができるようになっている。この図でEは爆発室で、図1のQに相当し、バルブsはfに対応し、s'はバルブhに対応する。上側のパイプtは図1のパイプe、下側のパイプt'は同図のパイプrである。クランクディスクやコンロッドなど、細部の形状は異なるが、それらの関係が同じであることは容易に理解できるだろう。

図.4 機関の配置

ガソリンエンジンは自分では始動できないので、これを使用する車両では、エンジンが常に同じ方向に動くように駆動装置を配置する必要があり、したがって車両の方向を逆転させるためには、エンジンとは独立した逆転機構を設ける必要がある。平歯車のみを使用したガソリン車の最も簡単な機構を図3に示する。この図では、Aはエンジンのシリンダー、Bはクランクディスク室、Mは一般にキャブレターと呼ばれる気化器を表している。エンジン駆動軸の端にあるピニオンCは、駆動軸Gの周りを自由に回転するスリーブEに取り付けられたギアDに噛み合っている。このスリーブは、その端が駆動軸Gに取り付けられたギアと噛み合うように形成されており、図示されていないが、溝aで働くレバーによって、クラッチsまたはssを対応するギアに噛み合わせることができる。図に示すように、sをギアに入れると、車輪FがHを回し、ピニオンIがキャリッジの車軸に取り付けられたギアJを回転させる。クラッチのssを噛み合わせれば、歯車GがKを回転させ、この車輪がlを回転させる。しかし、よくわかるように、lが回転する方向は、FとHを介して駆動されるときの動きとは逆になる。したがって、Fが駆動するときには車両は前進し、Gが駆動するときには後進することになり、Eが中央位置に移動してsもssもそれぞれの歯車と噛み合わないようにすると、車両は静止するが、エンジンは回転し続ける。

この図式的な配置は、実際に使用されているギアリングよりも単純で、多くの装置ほど完全な動作ではない。なぜなら、車軸の回転方向を変える手段を提供しているだけで、多くの車両では、ギアリングがエンジンと駆動輪の速度の間の比率も変えているからである。また、平歯車やスプロケットホイール、場合によってはベルトなどを組み合わせて使用することもよくある。図4は、ナント市のアンダーバーグ社が製造したフランス製ガソリン自動車である。第1図は側面図、第2図はトラックと駆動機構の平面図である。

モータ軸の先端のピニオンは、軸Aの先端の車輪と噛み合っている。この軸には4つの歯車があり、レバーCで動かして軸Bの対応する歯車と噛み合わせることで、4つの異なる速度を得ることができる。Bの動きは、プーリーpとPの上を走るベルトによって後車軸に伝達され、Pはディファレンシャル・ギアによって運ばれ、2つの駆動輪を適切な速度で走らせる。

エンジンシリンダーを囲む円形の冷却ひれは、図によく示されており、その中にはCのキャブレターも見られる。エンジンのハウジングは、空気の流れが自由になるように、側面が開いている。図4では、変速ギアが示されているが、逆転トレインは省略されている。しかし、もしそれも描かれていたら、図3よりもはるかに精巧な図になるでしょう。

図.5. 2速変速機

別の形式の可変速ギアを図5に示する。これは、2つの速度を備えている。軸Oには2つの摩擦クラッチC Dがあり、Cが作用するとピニオンFがEを駆動し、Dが作用するとピニオンGがHを駆動し、そのHがIを駆動する。

有名なガソリン車メーカーの中には、可変ギアを採用せず、エンジンの速度の変化だけで速度を変えているものがある。デディオン社のキャリッジはこの方法で作られており、ギアリングは実質的に図3のようになっている。

図.6. Panhard & Levassor Vehicle.

図6は、フランスで最も有名な自動車メーカーであるPanhard & Levassor社のガソリン車で、ここ数年の著名なレースではすべて同社の車が優勝している。彼らが使用しているエンジンは、図7に示されており、すぐにわかるように、図1と同様にウォータージャケットで冷却された2気筒タイプである。

図.7. 車両のエンジン

爆発は、前記の図に関連して説明したように、火炎管を用いて行われる。このエンジンは車体の下に設置され、駆動輪につながるスプロケットホイールとチェーンで終わる歯車列によって後車軸と接続されており、それぞれのチェーンは個別に作動する。図6では、スプロケットホイールとチェーンが明確に示されており、これらの前方にはギアリングを囲む覆いの輪郭が見えている。

図.8. ルノー Voiturette.

図8は、ヨーロッパの別のデザインで、可変速ギアが使用されている。機構の一般的な配置を示す車台の平面図を図9に，可変速装置の詳細を図10に示す。エンジンはAに配置され、摩擦クラッチBと可変速ギアCを介して、車両の縦方向に延びる駆動軸Hを回転させる。車軸上の大きな傘歯車は差動式で、車輪R Rを適切な速度で駆動する。

図.9. 車台 　　　　　　　　　　図.10. 可変速歯車

高速で走行したい場合には、図10の可変速ギアを設定して、軸MでNを直接駆動し、Eのクラッチを動かして連動させる。Nは駆動軸Hの端で、この接続により、Dのアクスルギアに噛み合うベベルピニオンが、エンジン駆動軸と同じ速度で回転する。図9のハンドルVを右に動かすと中間の速度が得られ、左に動かすと最も低い速度で走行する。ハンドルVを右に回すと、図10のクラッチEを形成する端部MとNが離れ、同時に下軸HがMの方に移動して、歯車1が歯車2に、また3が7に噛み合うようになる。ハンドルVを左に回すと、軸IはM方向に移動し、ギア1はギア4に、ギア6は8に噛み合い、ギア6は軸駆動軸の端Nに固定される。これらの変化によって得られる速度は、ほぼ1、2、4の比率になる。

図.11. Turgan-Foy Voituretteのしくみ

図11は、軽便なフランス製の車両の平面図である。この車両には、前車軸の上方に水平に設置され、ベルトによって後車軸に運動を与えるように配置された二気筒エンジンが搭載されている。Aに設置されたエンジンは垂直軸を回転させ、これが平歯車を介して水平のフライホイールBを回転させる。エンジン軸には2つのプーリーが取り付けられており、このプーリーからベルトが反対方向の駆動軸Sのタイトプーリーとルーズプーリーに送られる。ベルトによってさらに2つの速度が得られ、合計4つの異なる速度が得られる。hの部分には消音室があり、エンジンの排気口になっているので、騒音を抑えることができる。

図.12. Valléeの自動車

図12は、フランスの有名なレーシング・マシンの一つであるヴァレー・カーの立面図と平面図である。このマシンのエンジンは16馬力で、4つのシリンダーを持ち、1本の幅広ベルトで後輪の車軸に運動を与えるように接続されている。エンジン軸の駆動プーリーはHに、車軸プーリーはH'にある。後者の中には、車軸の回転方向を反転させ、2つの駆動輪の差動速度を得るための歯車列がある。速度を変化させる機構はなく、すべてエンジンの速度の変化によって得られる。エンジンの速度は、4つのシリンダーを使用することで広い範囲で変化させることができ、1つまたは2つのシリンダーを使用した場合には機械を停止させる可能性があるほど速度を下げることができる。エンジン速度の変化は、Aのチャンバーにあるガバナーの働きと、火花が出る時間を変えられるように配置された電気点火装置の働きによって得られる。後車軸は、レバーDを操作することにより、水平方向に短い距離を移動できるように保持されており、これによりベルトGを締めたり緩めたりすることができ、速度を変化させる別の手段となっている。また、アクスルプーリーHの内側にはブレーキが設けられている。通常はこのブレーキを使用するが、緊急時にはベルトの両側に挟まれた車輪の外側に押し付ける別のブレーキを作動させることができる。この車両では、機械的な変速装置をなくしたことで大幅な軽量化が図られており、4つのシリンダーを使用したことによるエンジンの重量増を補うには十分すぎるほどだと主張している。多くのガソリン車両では、通常の速度ではエンジンが十分な力を発揮できないため、登坂用の低速ギアを用意する必要がある。しかし、このレーシングマシンでは、エンジンのパワーが大きいため、そのようなギアは必要ない。

図.13. Winton Phaeton.

わが国では、ガソリン自動車が数多く製造されているが、蒸気車両や電気車両と同様に、芸術的効果という点では、ヨーロッパの最高級品と比較しても遜色ない。そのことは、図13と図14をご覧になれば一目瞭然である。これらの乗り物のメカニズムを図示できないのは残念だが、メーカーは設計の詳細を公表したくないようだというのが実情だ。図13のフェートン号では、単気筒エンジンを使用しているが、異なる速度で走行できるように配置されているため、上り坂を走行するときに作動する1列の歯車を除いて、可変速機構は必要ない。エンジン自体は、毎分200～800回転の間で任意の速度で動かすことができ、4対1の速度変化を実現している。フランスのパリからリヨンまでの国際自動車レースにこの車両が出場し、1位にはなれなかったが、事故でリタイアしなければ、さらに大きな成果をあげたであろう。

図.14. Oakman Vehicle.

図14に示す車両は、小型で軽量な構造であるが、目的とする用途には十分な強度がある。座席の下に設置されたエンジンの動力は、摩擦車輪によって伝達される。図を見ると、後輪の内側には車輪よりもやや小さい直径の円形の縁が付いていることがわかる。このリムの内側に、2つの小さな摩擦輪が押し付けられるように設置されている。リムの形状と小さな車輪の形状は、お互いにしっかりと抱き合うようになっているので、リムは摩擦輪の回転方向と一致する方向に運ばれる。車両を走らせるには、エンジンを起動させ、前進か後進かに応じて、2つの摩擦車のどちらか一方を駆動輪のリムに押し付ける。重い乗り物にこの方式を採用してもうまくいかないかもしれないが、軽い乗り物には必要十分な機能を備えているようである。

三輪自動車もあるが、この構造には長所と短所があり、その価値については意見が分かれている。しかし、未舗装の田舎道では、車両の車輪が滑らかな路面を転がり、その間が轍となり荒れた状態になっているので、第三の車輪がこの凹凸の上を通過すると、かなりの確率で車体が揺さぶられることも同様に明らかである。滑らかな舗装の上では、三輪車は四輪車と同じように走れるが、逆にそのような舗装の上では、三輪車は四輪車と同じように力を入れずに操縦できるので、デザインの優劣は個人の好みによると思われる。

この記事と前の2つの記事で述べた自動車の説明から、特にフランスでは多くの自動車が使用されているが、不快な特徴が全くないわけではないことがわかる。電気自動車は最も簡単で耐久性のある機械を備え、無音、無臭、無煙であり、運転に関しては望むところであるが、重く、充電池の充電ができる場所でしか使用できない。蒸気自動車は、軽くて機構が簡単で、どこでも走れるが、空気中に蒸気を排出するので、寒冷地や雨天時にははっきり見えるし、少なくとも夏場はエンジンやボイラーの熱が邪魔になる。ガソリン車はよく走るが、音がうるさいし、ガソリンの臭いも気になる。