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続，人生を決めた汽笛の音
解説 続，人生を決めた汽笛の音 岩 本 太 郎 Taro IWAMOTO 理工学部電子情報学科 教授 Professor, Department of Electronics and Informatics 1．はじめに 蒸気機関車はほぼ退役した過去の機械である．私 は蒸気機関車に魅せられ，機械屋としての人生を歩 むきっかけになったことはすでに前稿で述べた．本 稿では私が学んだ蒸気機関車の技術について，とく に現在多用されている内燃機関との違いを含めて述 べてみたいと思う． 2．往復機関（reciprocating engine） 2. 1 ピストンとクランク 図1 エネルギー源から機械的動力（主として回転運 単動機関と複動機関 動）を取り出す代表的な方法として蒸気機関や内燃 機関に用いられているのは，ピストンの往復運動を これに対し，蒸気機関の場合はピストンの両側に クランク軸で回転運動に変換する方法である．図 1 蒸気の圧力が作用し，押しと引きができる複動機関 に内燃機関と外燃機関である蒸気機関の構造の比較 である．内燃機関が押ししかできないのに比べる を示す． と，内燃機関の 2 サイクルエンジンに対して 2 倍， 内燃機関の場合は，コネクティングロッドにより 4 サイクルエンジンに対して 4 倍の時間，連続して ピストンが直接クランク軸につながっていて，運動 出力が出せる．しかし，蒸気機関車ではクランク軸 する部分の質量が小さいために高速化に適してい は車輪につながっていて，内燃機関のように減速機 る．また，ピストンには一方向からだけ力が作用す を用いて回転力を増大することができない． る単動ピストンであり，爆発力が作用していないと シリンダから蒸気が漏れないようにシールするた きは慣性力または他のピストンの力で回転力を維持 めには，ピストンロッドはスイングできないので， している． ピストンとクランク軸の間に直線運動するクロスヘ ― ６０ ― 内燃機関の場合は弁の開閉にはカムを用いてい ッドを介在させて運動を伝達している． 往復の力が等しくなるためには，蒸気の圧力を受 て，カム軸とクランク軸との位相角を可変にした けるピストン両側の受圧面積が等しくなければなら り，カムを切り替えたりして弁の動作を制御してい ない．ピストンの後ろ側の受圧面積はピストン面積 る． からピストンロッドの断面積を引くので，ピストン 蒸気機関車の場合，蒸気の制御は車輪の回転に合 の前側にはピストンロッドと直径が等しい尻棒を取 わせてピストンバルブを前後に動かすことで行って りつけて，受圧面積を等しくしている．蒸気機関車 いる．この方式にも大別してリンクモーション，ラ のシリンダ前面に棒が突き出しているのは何だろう ジアル，ワルシャートの 3 形式があるが，近代的な と思っていたが，この尻棒とこれをカバーする尻棒 形式であるワルシャート式バルブギヤを図 3 に示 案内だったのである． す． コネクティングロッドがつながる動輪のクランク 2. 2 ピンの先端にはにはリターンクランクが取りつけら バルブギヤ バルブは機関の出力を制御する重要な役割を負っ れていて，その先端はクランクより 90 度位相がず ている．4 サイクル内燃機関の場合はきのこ形弁体 れ，クランク径よりも小さい半径の円運動を行う． を用いるポペットバルブであるが，蒸気機関では古 この運動をエクセントリックロッドが拾い，加減リ くは図 2 に示す D 型バルブであったが，現代の主 ンクを揺動させる．加減リンクは円弧状のリンク 流はピストンバルブである．いずれも弁の開閉のタ で，その内側の溝にピストンバルブにつながるラジ イミングと開き量が重要である． アスロッドのピンがはまっていて，加減リンクの動 D 型弁はワットの会社で働いていたウィリアム きをスライドバルブに伝える．これがスライドバル ・マードックが開発したものである．それまで蒸気 ブの主となる動きになる．これにクロスヘッドから 機関は吸気と排気の二つの弁を個々に作動させてい つながるリンクの動きを少し加えることで，スライ たが，それを一つの弁で代替した D 型弁は，その ドバルブの動作の位相を少し早めている．ラジアス 後 100 年間使われた．D 型弁は弁の外側から給気 ロッドの先端は上から吊り下げられていて，その位 し，内側から排気するが，ピストンバルブは内側か 置が変わると加減リンクの振れ幅が変化し出力を加 ら給気し外側から排気するので，バルブの動作は逆 減できる．加減リンクの中心に来れば停止，また中 になる． 心より上にあげるとピストンバルブが逆に動くの で，機関車をバックさせることができる． 停止も逆転もできるところは内燃機関のエンジン とは異なるところである．内燃機関にはエンジンと 車輪の結合を分離するクラッチやトルクコンバータ と逆転ギヤが不可欠であるが，蒸気機関車にはそれ 図2 バルブの形式 図3 ― ６１ ― ワルシャート式バルブギヤの動き 図4 グレズリー式バルブギヤ 図5 が無く，機関の出力が車輪に直結している． 蒸気機関のサイクル 後述する 3 気筒機関の場合，車体の中央にある 3 つ目のシリンダの弁装置は車輪から直接運動を取り 込むことができない．そこで，3 つのシリンダが 120 度位相がずれていることを利用し，左右 2 つのバル ブ軸の動きから，図 4 に示すリンク機構を用いて 3 つ目の弁の運動を作り出している． A, B, C の 3 点を水平移動して集めると，図の右 図6 ラップ に示すように 120 度位相がずれた回転運動になる． したがって，A と C のバルブ軸の動きから，B の 体の前後に厚みを増やすことでラップを設けてい バルブ軸の動きを作ることができる．リンク機構の て，バルブが閉じるのを早めている．また，基本と 巧みな使い方である． してバルブはピストンより位相が 90 度先行してい るが，実際はリードの分だけさらに位相を進めてい 2. 3 るのである． バルブタイミング 蒸気の持つエネルギーを有効に使用するために バルブタイミングは蒸気機関の性能に大きく影響 は，高圧の蒸気をシリンダに閉じ込めて膨張させ， するので，長年の経験からこのような工夫がなさ 低圧にして排気することが必要である．ワットは， れ，ワルシャート方式のような複雑なリンク機構に 蒸気は膨張する力があるので，途中で蒸気の供給を 発展してきたものと思われる． 止め，残りの工程は膨張力で作用させることを思い つき，1776 年に特許を取った．このカットオフは 蒸気の消費量を抑制し，蒸気機関の効率を高めるの 2. 4 蒸気機関の運転 機関車の出力を制御する要素はもう一つある．図 7 に示すように，背中にあるこぶの一つは水から蒸 に貢献している． 図 5 に蒸気機関のサイクルを示すが，給気をピス 気を分離する蒸気溜になっていて，その中に蒸気量 トンの戻り行程の終端より少し早めに開き（リー を調整する加減弁がある．つまり，自動車のアクセ ド），往き行程の途中で締め切って（カットオフ） ルに相当するのがこの加減弁であり，変速機に対応 膨張させる．排気は往き行程の終端より早めに開 するのが加減リンクである．この二つを使って速度 き，戻り行程の途中で締め切って給気が始まるまで の制御を行っているのである． 出発時のトルクが必要なところでは，バルブが大 圧縮する． バルブの弁の厚みは給，排気口の幅と同じに取る きく開くように加減リンクを下げ，加減弁を大きく のが基本であるが，このようにバルブ開閉のタイミ 開く，速度が速くなれば加減リンクを中央位置に近 ングを調整するため，図 6 に示すようにバルブの弁 づけ，加減弁を絞る．惰性で走行するときは加減リ ― ６２ ― 図8 図7 コンパウンド配置 蒸気溜の中の加減弁 ンクを中央位置（ミッドギヤ）にする． 前述したように，トルコンやクラッチのある内燃 機関とは異なり，蒸気機関車ではピストンと動輪が 直接結び付いている．このため，蒸気の供給を停止 図9 3 気筒配置 して惰性運転する場合もピストンは前後に動き，排 気口から逆に煙を吸い込んだり，シリンダ内に真空 が発生して走行抵抗となる．これを避けるため，ピ ストン前後の蒸気室をつなぐバイパス装置や外気を 吸い込む蒸気室空気弁が設けられている． 2. 5 図 10 コンパウンドとマレー マレー式機関車 日本の蒸気機関車はほとんどが 2 気筒である．し かし，外国では 3 気筒や 4 気筒の機関車がある．高 見えない．C 53 は私の好きな機関車であるが，台 圧蒸気を 2 段階で使用すると効率がいい．つまり， 車枠内にシリンダとクランクがあるので保守性に難 高圧シリンダからの排気をさらに低圧シリンダに入 点があり，ほかの形式では 3 気筒は採用されなかっ れて，2 段階で蒸気圧を利用するのである．当然大 た． 出力が達成できる．これがコンパウンド・エンジン マレー式複式機関車は，図 10 に示すように，シ である．圧力が低い分だけ低圧シリンダは高圧シリ リンダと駆動輪のセットを前後に 2 式持つ機関車で ンダに比べて直径が大きい．2 気筒だけれど，左右 ある．9020 形式などいくつかのマレー式蒸気機関 でシリンダ径を変えてコンパウンドにしているもの 車が輸入された．一方を高圧シリンダとし，他方を や，図 8 に示すように，外国では 4 気筒にして内側 低圧シリンダとする場合が多い．箱根など勾配が厳 シリンダと外側シリンダで低圧と高圧を使い分けて しい路線に投入された．日本では輸入したものは少 いるものがある． しあるが，国産はされなかった．前の台車は本体か 日本で 2 気筒ではない数少ない国産機関車は，幹 ら切り離されて首を振るので，蒸気を送る管には複 線で特急列車を引いて活躍した 3 気筒の C 53 と， 雑な構造の球面継手が必要となり，保守も難しい． これを作るため参考として輸入した機関車 8200（C このため，日本ではマレー式は根付かなかった． 52）がある．ただし，これはコンパウンドではな く，蒸気圧が等しい単式である．図 9 のように中央 に斜めに 1 気筒配置されているが外からはほとんど ― ６３ ― 3．走行装置 3. 1 イコライザー 機関車には動輪や先台車，従台車があり，多くの 車輪でその重量が支えられている．これらの車輪は 接地性を良くするためばねで支えられているが，伸 図 11 イコライザ びたばねのところは荷重が少なくスリップしやす い．そこで図 11 に示すような車輪の荷重を均等化 するイコライザが適用されている．前後の車輪の板 ばねをリンクで結び天秤のように一点で支える．こ 図 12 れにより接地力は均等化される．結合される車輪は ワイパーブレードのイコライザ機構 2 つの領域に分けられ，つまり 3 点支持となって安 定化するのである．イコライザはばねがない場合も 接地力を均等化する効果があり，自動車では図 12 に示すように，ワイパーのゴムをウインドシールド に密着させるために応用されている． 接地力を均等化するイコライザ（equalizer）は， 図 13 先台車 ばねを使わず簡単な構造で実現できるサスペンショ ン機構として強く印象に残った技術である． 3. 2 先台車と従台車 図 13 に示すように，動輪の前後に小径の先台車 や従台車を置くことがある．その車輪の数や配置は 車両形式により異なるが，目的は機関車の重量を分 図 14 散して軸重を減らすことと，カーブで動輪のフラン 復元機構 ジにかかる横荷重を軽減することにある．このた め，台車はイコライザ機構の中に組み込まれ，荷重 の配分を受けている．また，台車には重力やばね力 を利用して車体の中心に戻るような復元力を発生さ 4．その他 4. 1 連結器 せる機構が付いており，これによって車体をカーブ 昔の車両の連結器は，図 15 に示すようにチェー の内側に寄せる効果があるので，動輪のフランジの ンをフックに引っかけ，順ねじと逆ねじを組み合わ レールとの接触力を軽減している．図 14 の左側は せたターンバックルで締め上げるというものであっ 斜面を利用して重力により中心位置に復元する力を た．連結に人手が必要で，時間もかかり作業の危険 発生させる方式，右側は平行リンク機構により復元 も伴った．その後，げんこつのような形の自動連結 力を発生させる方式である． 器が開発された．これは車両を押し当てるだけで結 合ができる． 連結器はどの車両とも結合できることが求められ る．このため，一部の車両だけ新型連結器に変更す ― ６４ ― ターンバックル バッファ フランジ 図 16 図 15 双頭レールと T 型レール 車輪は単純な円筒形であったが，レールの進化と 連結器 ともに車輪の内側端面にレールから外れないための 出っ張り（フランジ）が設けられた．動輪の数が多 ると，運用に支障が出る．日本ではいち早く，1925 い蒸気機関車ではカーブを走行するときに中央の動 年 7 月 17 日，たった 1 日だけ列車の運行を全面休 輪のフランジがカーブの内側のレールに強く当た 止して，本州各線の全車両の連結器が同時に一斉に る．このため，中央の動輪だけフランジを無くして 自動連結器に交換された．他国に先駆けて思い切っ いるものもある． た改革を行った歴史的快挙として記録されている． 蒸気機関車では車輪の輪心とタイヤは組み立て式 従来のねじ式連結器はばねが内蔵されたバッファ になっているものが一般的である．輪心はスポーク を押し当てることで車両間のガタつきを除いてい 式からボックス式になった．軽量で強度が高い構造 る．自動連結器は連結作業を簡単で素早くできるよ である． うにした功績は大きいが，連結器の間にすき間があ るのでガタつきがあり，車両の間に小さな衝突が生 5．まとめ じて乗り心地が良くない欠点がある．現在は連結器 蒸気機関車の魅力を機構の面から解説した．蒸気 が密着する改良型自動連結器が開発され，電車には 機関車は産業の発展時期に進化し，社会の発展に大 これが適用されている． いに寄与した．しかし，私には機構の宝庫としての 魅力が大きい．すでに役割を終えた機械ではある 4. 2 が，先人の知恵がここかしこに見える．この知恵を レールと車輪 現在のレールは図 16 の右側に示すように，上部 借りて，今後の研究活動に生かしていきたい． が太くて下部が幅広い T 字型をしているが，初期 のレールは L 字型であったり，鉄と木材を重ねた 参考文献 ものであったりした．その後，図 16 の左側に示す 斎藤 ように上下対称で，すり減ったら逆向きに取り付け て 2 度使える鉄製の双頭レールが使われたこともあ 晃 細川武志 片野正巳 蒸気機関車 200 年史，NTT 出版 蒸気機関車メカニズム図鑑，グランプリ出版 1 号機関車から C 63 まで Ltd る．鋳鉄から鋼のレールになって，初めて安定して 蒸気機関車スタイルブック 走行できるレールになった． 蒸気機関車全史①，② ― ６５ ― 機芸出版社 学習研究社 NEKO PUB. Co.