焼玉エンジン

焼玉エンジンとは

焼玉エンジンは、「焼玉（hot bulb）」と呼ばれる鋳鉄製の球状部品をシリンダーヘッドに備えたレシプロ式内燃機関です。この焼玉は燃料を気化させる機能と燃焼室の役割を兼ねており、焼玉の高温によって吸入された空気と気化燃料の混合気に熱面着火を起こさせて燃焼を行います。焼玉機関、あるいは「セミ・ディーゼル」と称されることもあります。構造としては、4ストローク型と2ストローク型の両方が存在しました。

一般的なディーゼルエンジンが、圧縮により高温高圧になった空気中に液体燃料を噴射し、その微細な粒子周囲で自己着火と拡散燃焼を起こすのに対し、焼玉エンジンは焼玉の内表面の熱に触れることで混合気が着火し、主に予混合燃焼が進む点に大きな違いがあります。燃料はどちらのエンジンも霧状に噴射されますが、焼玉エンジンに用いられる燃料加圧装置はディーゼルエンジンのような精巧な高圧噴射ポンプではなく、比較的低い圧力のものを使用します。また、燃料噴射のタイミングも異なります。ディーゼルエンジンがシリンダーの圧縮行程末期に瞬間的に噴射するのに対し、焼玉エンジンの4ストローク型は吸気行程中、2ストローク型は掃気行程（排気と新気吸入を同時に行う工程）中に噴射が行われます。

焼玉エンジンでは、焼玉内に噴射された液体燃料は高温の焼玉内面に触れて瞬時に気化します。これがシリンダー内の空気と混ざり合い、予混合気を形成。この混合気が焼玉表面からの熱により着火・燃焼します。一方、ディーゼルエンジンでは、噴射された燃料粒子が完全に気化する前に、その周囲で燃焼が始まる拡散燃焼が主体となります。

歴史とその発展

焼玉エンジンの基本概念は、イギリスのハーバート・アクロイド=スチュアートが考案しました。彼は1886年に試作機を製作し、1890年に特許を申請。この特許に基づき、1892年にイギリスのリチャード・ホーンスビー・アンド・サンズ社が世界初の商品化を行い、「ホーンスビー・アクロイド式機関」と呼ばれる4ストロークエンジンが誕生しました。

その後、イギリスのジョセフ・デイが開発した、吸気バルブがなくクランクケース圧縮を利用する2ストロークエンジンのアイデアを取り入れ、アメリカのミーツとワイスが2ストローク焼玉エンジンを開発しました。彼らの会社、ミーツ・アンド・ワイス・ワークス社から商品化されたこの「ミーツ式機関」は、シリンダー内に水を滴下する注水式と呼ばれるタイプでした。これは、燃焼温度を下げることで高負荷時の焼玉の過熱を防ぎ、滴下した水の蒸発・膨張がさらに出力を高める効果もありましたが、負荷や回転数に応じた注水量の調整が必要で、専任の操作員が必要でした。また、当時の石油系燃料に含まれる硫黄分と水蒸気が反応して硫酸を生じ、エンジン内部が腐食するという欠点もありました。

ミーツ式機関と同様の2ストロークエンジンは、スウェーデンのボリンダー社も製造しましたが、同社は注水が不要な無注水式焼玉エンジンを開発・商品化しました。これは、焼玉の下半分を水冷する構造とすることで、注水なしに焼玉の温度を適切に保つことができ、注水式の欠点を克服しました。「ボリンダー式機関」と呼ばれたこのタイプは、特に日本で小型漁船用エンジンとして広く普及し、焼玉エンジンの代名詞的存在となりました。日本の小型船用焼玉エンジンの多くは1～4気筒の竪型（シリンダーが直立したもの）で、1気筒あたり3～30日本馬力程度の出力でした。

ドイツでは、ハインリッヒ ランツAGが1921年から1957年にかけ、「ランツ・ブルドッグ」の商標で焼玉エンジン搭載の農業用トラクターを製造・販売し、人気を博しました。

構造と動作

焼玉エンジンの最も特徴的な部分は、シリンダーヘッドに取り付けられた焼玉です。この球殻状の焼玉は、内部が燃焼室となり、燃料気化と点火の役割を担います。焼玉とシリンダー上部は狭まった通路で繋がっています。

4ストローク型エンジンのサイクルは以下のようになります。

1. 吸気行程: ピストンが下降する間、焼玉内に燃料が霧状に噴射されます。高温の焼玉内面に触れた燃料は瞬時に気化し、シリンダー内に吸入された空気と混ざり合い、混合気を形成します。
2. 圧縮行程: ピストンが上昇すると、形成された混合気が圧縮され、圧力と温度が上昇します。
3. 着火・燃焼行程: 混合気の圧縮による温度上昇に伴い、着火に必要な最低温度（最小熱面着火温度）が低下し、焼玉内表面の温度と一致した時点で熱面着火が起こります。焼玉内で発生した燃焼ガスは、焼玉自身を加熱すると同時に、狭い通路を通じてシリンダー内に勢いよく噴出し、ピストンを押し下げます。燃焼は予混合燃焼が中心です。エンジンの効率を最大にするためには、着火はピストンの上死点よりわずかに手前で行われるのが理想ですが、焼玉エンジンではその制御が困難でした。
4. 排気行程: 燃焼ガスによりピストンが押し下げられた後、ピストンが上昇し排気ガスをシリンダー外へ押し出します。この行程は他の4ストローク機関と同様です。

始動方法

焼玉エンジンの始動は、その構造ゆえに独特の操作を必要としました。比較的小型のものでは、まずシリンダーヘッドの焼玉を外部からバーナーなどで十分に加熱します。次に、焼玉を貫通する排気コックを開放してシリンダー内の圧力を逃がし（デコンプ）、ピストンの動きを軽くします。この状態で、はずみ車を手で回転させてクランクシャフトを回し、勢いをつけます。十分な勢いがついたところで、排気コックを閉めつつ燃料噴射を開始します。焼玉内面が適切な温度で、燃料が気化・着火可能なピストン位置であればエンジンが始動します。

幾分大型の、例えば小型船舶用の単気筒竪型エンジンでは、部品が重く摩擦も大きいため、はずみ車を単に回すのは困難でした。まず焼玉を外部加熱し、排気コックを開放してガスを抜きます。ピストンが自重で下死点まで下がった後、コックを閉じます。次にはずみ車を左右に大きく（180度程度）揺らし、勢いをつけたところで一気に逆回転させます。同時に燃料を噴射することで、逆回転中の早い段階で着火（プレイグニッション）を起こし、その爆発力でクランクシャフトを正回転方向に勢いよく回して始動させました。さらに大型のエンジン（概ね30馬力以上）では、始動用の圧縮空気ボンベを使用するのが一般的でした。

いずれの方法にしても、一度起動すれば、連続運転中に焼玉を外部から加熱し続ける必要がないのが焼玉エンジンの特徴です。

利点と欠点、そして衰退

焼玉エンジンは、火花点火式の石油発動機に必須な点火プラグやマグネトーといった電装部品、キャブレターのような燃料供給装置を持たず、またディーゼルエンジンのような高価で複雑な燃料噴射機構も不要でした。構造が簡便であるため製造が容易で、エンジン本体の価格を比較的安価に抑えることができたため、20世紀前半には世界中で汎用エンジンとして広く普及しました。また、適切な圧縮比と焼玉内での燃料気化が可能であれば、燃料費の安い低質の重油でも稼働させることができたのは大きな利点でした。極端な場合には、石油系燃料が不足した太平洋戦争中には植物油を混ぜて使用した例も知られています。

一方で欠点もありました。焼玉エンジンは早期着火（プレイグニッション）の問題からディーゼルエンジンほど高い圧縮比にできませんでした。また、ガソリンと比較して自発火温度が低くアンチノック性にも劣るため、火花点火式ガソリンエンジンと比べても圧縮比は低くなりがちでした。これにより、燃料消費率が高く（燃費が悪く）、熱効率が低いという経済性の問題がありました。さらに、正味平均有効圧力が低いため、同排気量で比較した場合のトルクが小さく、同じトルクを得るためには排気量を大きくする必要があり、結果としてエンジンが大型化し、燃料消費量が増加しました。大型化による部品の慣性力増加から回転数を上げられず、高出力を得るのも困難でした。

1950年代に入り、石油精製技術の発展によりガソリンや軽油が安価かつ容易に入手できるようになり、さらに経済性と熱効率に優れるユニフロー掃気ディーゼルエンジンが普及したことで、焼玉エンジンはその役目を終え、世界的に衰退していきました。

日本での焼玉エンジン

焼玉エンジンの初期型であるホーンスビー・アクロイド式機関は19世紀末期に日本にも輸入されました。20世紀に入ると、欧米で開発されたミーツ式やボリンダー式などの焼玉エンジンを模倣し、国産化が始まりました。その構造の簡易さから高い工作精度を必要とせず、多くの中小メーカーが製造に参入しました。ボイラー設備が不要で、小規模な動力源として手頃だったため、第二次世界大戦以前の日本では、据え置き動力や小型船舶用として広く普及しました。始動にはある程度の熟練を要しましたが、取り扱いや整備にディーゼルエンジンほどの高度な技術を必要としなかったことも普及を後押ししました。

焼玉船（ポンポン船）

焼玉エンジンは、特に明治時代末期から動力化が進められた小型漁船や渡船に多く搭載されました。この種の動力船は、焼玉エンジンの独特な排気音がリズミカルに響くことから「ポンポン船」と呼ばれ、親しまれましたが、1960年代までにはほとんど姿を消しました。構造的には2ストロークで、主に重油を燃料とするものが主流でした。

太平洋戦争中、日本では小型船だけでなく、内航航路向けの大型船にも焼玉エンジンが使用される例がありました。1942年に制定された戦時標準船の一つ、870総トン級の貨物船（2ED型）には、400馬力級の焼玉エンジンが搭載されたものも存在します。これは最高速力9.4ノットという低速でしたが、高性能なディーゼルエンジンが軍艦向けに優先供給される状況下で、中小の鉄工所でも製造可能な焼玉エンジンが代用された実情を反映しています。また、輸送船の機関整備員に、焼玉エンジンの扱いに慣れた民間の船員が徴用されたことも採用理由の一つでした。これは、生産上の制約から在来技術が再評価された戦時下の特殊な事例と言えます。

興味深い点として、焼玉エンジンの低圧縮比に起因する水中騒音の小ささは、沿岸捕鯨におけるキャッチャーボートの動力としてディーゼルエンジンよりも好まれた理由の一つとなりました。

鉄道での利用

鉄道車両に焼玉エンジンが使用された例は限られますが、日本においては早い時期に実現しています。1904年から1910年にかけて、福岡鉄工所（大阪）が焼玉エンジン搭載の「石油発動車」と呼ばれる内燃機関車を開発・製造しました。これは日本で初めて内燃機関が鉄道車両に用いられた事例とされています。機関車は前部にエンジンフードを備え、後方の運転台から操作する構造で、主に九州地方の914mm軌間の非電化軌道で数社に使用されました。特に筑後軌道が多数導入し、総計60両以上が製造されました。

これらの機関車は非力で故障も多かったものの、当時主流だった馬力や人力による動力と比べれば低コストな動力化手段として注目されました。しかし、1907年頃から国産小型蒸気機関車の量産が始まり、鉄道車両の連結両数規制が緩和されると、より強力で信頼性の高い蒸気機関車への置き換えが進みました。残った車両も、1920年代中期以降の乗合自動車の普及による軌道線自体の廃止に伴い姿を消しました。最後の使用例は南筑軌道で、1914年の導入から1940年の廃止まで25年以上使用された記録があります。

その他、鉄道の保線用モーターカーにも使用事例が見られます。現在では、愛好家によって庭園鉄道サイズの石油発動機関車が焼玉エンジンを使って再現され、運転イベントが行われることもあります。

産業遺産として

ガソリンエンジンや高速ディーゼルエンジンの普及により役目を終えた焼玉エンジンの大半は、金属資源としてスクラップになりました。しかし、一部の個体は産業遺産としての価値や機械そのものの魅力が再認識され、特に欧米の愛好家の手によって稼働可能な状態で保存されています。据え置き型やトラクターに搭載された状態での運転イベントが開催されることもあります。日本でも、類似の古い内燃機関（石油発動機など）のレストア・運転イベントが盛んに行われており、そうした場に再生された焼玉エンジンが持ち込まれ、その独特な姿と音を披露する事例も見られます。

ランオン（ディーゼリング）との関連

ガソリンエンジンで、燃焼室内が高温になり、点火プラグによる火花点火なしに、高温になった燃焼室壁に触れた混合気が着火し、エンジンが停止しなくなる現象を「ランオン」または「ディーゼリング」と呼びます。この現象における点火メカニズムは、焼玉エンジンの熱面着火と同様の原理ですが、ディーゼルエンジンの自己着火とは異なります。これは、燃焼室内の混合気温度が発火点に達していないためです。「ディーゼリング」という呼称は、自己着火を起こすディーゼルエンジンを連想させますが、メカニズム的には焼玉エンジンの着火方式に近いと言えます。

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関連項目

燃焼室
ディーゼルエンジン
噴射ポンプ
浦安市郷土博物館（動態保存されている焼玉機関がある）

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