エンジン・機関(ガソリン、蒸気、ディーゼル)

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船や飛行機、車両などで等しく動力源として搭載されるエンジン・機関。
太平洋戦争時、機関にはガソリンを燃料とするガソリンエンジン、蒸気(主にボイラーで発生させる)でタービンを回して動力とする蒸気タービン、圧縮空気に自然発火の燃料を噴射させて燃焼したエネルギーを用いるディーゼルエンジンが主として存在した。
船には蒸気タービンディーゼルエンジンが、航空機にはガソリンエンジンが、そして車両にはガソリンエンジンディーゼルエンジンが多く使われた。
いずれも長所短所があり、各国様々な事情を踏まえて各兵器の動力として研究を惜しまなかった。

蒸気タービン+ボイラー

まず唯一の外燃機関である蒸気タービンについて説明する。
その前に外燃機関についてであるが、外燃機関とは「機関外部で発生した熱エネルギーを機関に取り込んで運動エネルギーに転換、動力とする」機関である。
つまり、蒸気タービン蒸気タービンに燃料を投入して動くものではなく、他から熱エネルギーを供給してもらって動く機関ということである。
なので外燃機関には必ず熱エネルギーを発生させる別の設備が必要となる。
産業革命の象徴である蒸気機関を起源とし、ディーゼルエンジンの普及とコスト改善までの間、大型機関の象徴であり、発電所や船の機関として幅広く使用された。

蒸気タービンの相棒となる熱源発生設備はほぼボイラーが占める。
ボイラーは燃焼室に投入した燃料と圧縮空気をを燃焼させて水を沸騰させ、蒸気を得る設備である。
これも蒸気タービン同様、単独では意味をなさないが、ここで得た蒸気(熱エネルギー)を蒸気タービンに送ってタービンを回すのである。
なので、蒸気タービン方式の機関を有する船は必ずと言っていい程ボイラーが搭載されている。

蒸気タービンのメリットは構造が簡易であることである。
構造が簡略化されればコストダウンされるため、財政にやさしい機関である。
簡単に言えば蒸気を使ってタービンを回すだけなので、ガソリンエンジンなどのようにピストン方式の構造を採る必要がない。
蒸気タービンで困難なのは構造よりも燃焼効率を上げることで、燃費はディーゼルエンジンに比べると格段に悪い。

しかし一方で外燃機関の問題の一つである、熱エネルギーの無駄を蒸気タービンは極力抑えることができている。
ボイラーからの熱エネルギーは他に使われることがないまま配管を通じてタービンに送られるため、燃費は悪いが、発生したエネルギーはあまり無駄になっていない。
また高出力を生み出すことにも長けていて、例えば最も出力を欲する最大速度の上限を上げる場合は、ディーゼルエンジンよりも蒸気タービンのほうが向いている。

小型化はどのような場所で使われても必ず求められる条件であるが、蒸気タービンそのものは意外とそれほど大きくない。
ただしボイラーとセットで使う必要があることを考えると、場所をとることは避けられない。
また蒸気タービンとボイラーのいずれか一方が損傷すると運動に支障をきたすため、防御区画を広く取る必要もあった。
蒸気タービンとボイラーの組み合わせは、速度を求められて構造が小さく、数が多い駆逐艦などの小型艦に最も適していた。

蒸気タービンとボイラーが使われている船は必ず大型の煙突が取り付けられている。
当然ボイラーで発生した煙の排煙用で、煙突の大きさ、数はその他の外見条件と合わせてその船の能力を予測する上で重要な要素であった。

ガソリンエンジン

ガソリンエンジンは兵器では大多数の航空機が搭載している。
戦争末期にジェットエンジン、ロケットエンジンを搭載した機体が複数誕生しているが、いずれも戦いに影響を及ぼすものではなく、これらは戦後に大きく発展した。
特にジェットエンジンはレシプロ(ガソリン)エンジンのほとんどを淘汰している。

ガソリンエンジンは内燃機関であり、ガソリンエンジンにガソリンを入れ、それと空気を混合させて圧縮、そこで点火プラグを使って燃焼させ、発生した熱エネルギーを直接運動エネルギーとして利用するエンジンである。
吸入→圧縮→燃焼・膨張→排気の4つの流れで熱源を得るエンジンを「4ストロークエンジン」と呼び、この4回のピストンの動きによって1回燃焼するタイプのものである。
「4ストロークエンジン」は今日でも一般的なガソリンエンジンとして知られている。

ガソリンエンジンは小型のため、兵器は当然、民間航空機や車のエンジンとしても広く普及していた。
他にも高速回転が可能な構造で、騒音・振動が少ないことも兵器動力には向いていた。
ただし、1気筒あたりの行程容積が600mlを超えると燃焼効率が悪くなることから、出力を上げるにはどうしても気筒数を増やす必要があった。
気筒数が増えるとサイズが大きくなる、サイズが大きくなると冷却性能を上げなければならない、そこで別項で紹介している「空冷・液冷」の冷却方式の違いにつながっていく。
逆に言えば、気筒数を増やすことができればそれだけ出力を上げることができるので、エンジンの小型化と機体の設計・大型化のバランスが取れれば、ガソリンエンジンはどこまでも出力を向上させることができる。

ガソリンエンジンのデメリットは、エンジンそのものではなく燃料であるガソリンにあると言える。
ガソリンは常温で揮発するという性質があり、また引火点は-38℃と非常に低い。
つまり、ガソリンが漏れ出すとすぐにガソリンは気化して充満、そしてほんの少しの火種で気化したガソリンに一気に引火して結果的に大爆発につながる、非常に危険な燃料なのである。
ガソリンはとにかく漏れないようにするのが最も重要だった。

例えばガソリンタンクに被弾するとする。
するとガソリンタンクからガソリンが漏れ出して、ガソリンはすぐに気化。
そして再び被弾をし、例えば何かが燃えるとか、被弾時の火花などが気化したガソリンに触れるとおしまいである。

他にもガソリンはガソリンそのものの質も問われた。
オクタン価といわれるガソリンの性質を示す値がある。
これは自己着火のしにくさ、ノッキングのしにくさを示す値で、これが悪いと熱量によって勝手に着火することが懸念される。
これで爆発をするわけではないが、エンジンに負荷がかかったり燃焼効率が著しく低下したりする。
なので戦争末期の良質なガソリン不足は航空機の性能発揮に大きく影響し、また終戦後にアメリカが接収して実験飛行を行った日本の航空機が抜群の性能を発揮したという例も、燃料の質の問題である。

ディーゼルエンジン

ディーゼルエンジンガソリンエンジンに次いで発明された内燃機関である。
現在の内燃機関の中では最も汎用性に優れ、また後述する出力の低さも年々改善され続けている。

ディーゼルエンジンの特徴は様々ある。
まずエネルギーの抽出方法であるが、ディーゼル機関に用いることができる燃料は基本的には軽油であり、大型タンカーなどで重油も使われる。
軽油と重油は共に石油を常圧蒸留した際に発生する燃料で、いろいろ違いはあるが、比重が軽い方を軽油、比重が重いほうを重油と呼ぶ。
軽油よりも1つ上には灯油がある。
重油はボイラーの燃料でも使用されていて、前述の蒸気タービン用のボイラーの燃料も当然重油である。
また、ディーゼルエンジンを搭載した帝国海軍の艦船も重油を燃料としている。

ディーゼルエンジンはまず空気をピストンで圧縮過熱し、搭載している燃料の発火点まで温度を上げる。
そしてそれを突破した後、燃料をその圧縮した空気に吹き付けて発火させるという方式である。
これによって発生した燃焼ガスの膨張がピストンを動かして動力とする。
なので燃料そのものを熱することはしない。
このように、ディーゼル機関の大きな特徴として、「点火装置が不要な内燃機関」であることが挙げられる。

続いて燃費が圧倒的に良いという点がある。
圧縮比が高く、空気過剰率が大きいため熱効率が良く、特にディーゼルエンジンに最も適している大型・低速の機械においてその真価を発揮する。
このため現代の大型タンカーなどではまず間違いなくディーゼルエンジンが搭載されている。
一方で大出力を生み出すには小型では限界があるため、小型高速艦には燃費の面でもサイズの面でも向いていない。
当時のディーゼル機関は大型艦船用と言ってもいいほどで、まだ小型高速艦に搭載できるメリットは大きくなかった。

しかし例外的に潜水艦にはディーゼルエンジンが搭載されている。
蒸気機関を搭載すると排煙の問題を解決しなければならないが、隠蔽性がなければ存在価値がないと言ってもいい潜水艦で、水上艦よろしく煙突から煙を吐き出すというのは全く馬鹿げた話であった。
そこで、水上高速性を忍んで排煙が極僅少で済むディーゼルエンジンの搭載とその精度向上が各国で行われたのである。
日本の潜水艦の水上速度は最大23ノットであったが、これでも十分速いほうだった。

なお、このように排煙がかなり少ないことから、搭載された艦船の煙突は細く、外からでははっきり煙突とわからないほどのサイズですむ。
日本のディーゼルエンジン搭載の水上艦だと、【水上機母艦 日進】「二等輸送艦」がある。
特に「二等輸送艦」は初期の6隻だけがディーゼル、残りがタービン式となっていて外見上の違いが分かりやすい。

また、サイズは大型とは言え蒸気タービン+ボイラーよりかは小型化できる面も見逃せない。
船はあらゆる意味で小型に勝ることはない。
内部構造が小型化できれば設計に余裕ができ、兵装に余裕ができる。
そのスペースを強化に使うか、船全体の小型化につなげるかなど可能性が広がっていくのである。
加えて小型化は防御区画を減らすことにもつながるため、あちこちにべたべたと重く分厚い装甲を貼る必要も減る。

このようにメリットが多いディーゼルエンジンであるが、反面デメリットも重い。
まずとにかく高いこと、精度の高さが求められることが挙げられる。
構造全体は複雑すぎるというわけではないが、各機材が特殊で部品が高価、また燃焼制御が繊細だったのである。
精密に造らなければ不調を発生させやすく、初めて軍艦に本格的なディーゼルエンジンを搭載させたドイツの「ドイッチュラント級装甲艦」は、ディーゼル先進国のドイツにあってさえエンジントラブルに長年悩まされ、計画通りの数値を発揮するのは非常に難しかった。

日本でも艦船では【水上機母艦 瑞穂、剣埼】【潜水母艦 大鯨】ディーゼルエンジンを搭載するも失敗に終わり、【水上機母艦 日進】においてようやく一定の成功を収めた。
日本は自国で燃料を調達できない国であることから、多少出力≒速力が落ちても燃費が段違いのディーゼルエンジンを何としても標準化させたい事情があったが、結局戦艦や巡洋艦などの主力艦には搭載することができなかった。

続いて前述した出力が不足する点が挙げられる。
ディーゼルエンジンは大型化すればするほど出力は上げることができるが、エンジンの回転数を比例して上げることができない。
そのため大型化すればするほど速力は伸び悩むのである。
なので高速性能を高めたいのであればディーゼルエンジンは搭載することができないに等しかった。
ディーゼルエンジンの性能が良好だった【日進】の最高速度は28ノットで、これは補助艦艇だから許される速度であった。
また「大和型戦艦」へのディーゼルエンジン搭載案についても、これもまた30ノット以上を求められる船ではなかったために計画案として盛り込まれた。
しかし35ノット程の速度が求められた巡洋艦以下の船だとディーゼルエンジンでは明らかに速度不足であった。
当時のディーゼルエンジンは燃費はよくても馬力は足りないのである。

そして振動・騒音が大きいという問題もあった。
振動が大きいのは船の航行の安定性を損なうことにつながり、また特に戦闘中の過酷な操艦にも悪影響を及ぼしかねない。
もちろん周辺機材が振動の影響を受けることも想定されたため、「ドイッチュラント級」【瑞穂】では出力を抑えて航行せざるを得なかった。

騒音は艦船の場合は船内に影響はあるものの隠蔽性が阻害されることはあまりない。
しかし戦闘用車両(以後、便宜上「戦車」に統一)にとっては大きな問題だった。
「戦車」は強い兵器ではあるものの、敵前に堂々と姿をさらしても全く動じない無敵の兵器ではない。
敵に見つからないように歩兵と共に動くのは基本中の基本で、その隠密行動を騒音が邪魔をしてくるのである。

これらを簡単にまとめると、以下のようになる。

蒸気タービンガソリンエンジンディーゼルエンジン
構 造単純少し複雑少し複雑
サイズ小型
(ボイラー別)
小型
(航空機・車両向け)
小型~大型
コスト安価そこそこ高価
燃 料重油ガソリン軽油・重油など
燃 費悪い普通良い
出 力高い高い
(冷却とセットで)
低~中

さて、エンジンについてだが、「戦車」のエンジンはディーゼルエンジンを採用している。
実は諸外国の多くはガソリンエンジンを採用していて、当時ディーゼルエンジンを採用している国は珍しかった。

まず、当然ながら燃費がいいという理由が1つ。
続いて燃料である軽油が他の兵器の燃料と干渉しない点がある。
ガソリンエンジンにすると航空機と燃料の取り合いになってしまうからである。
やがて鉄資源の取り合いも現実となった日本にとって、この判断は正しいものだった。

被弾による引火の危険性がないという面も生存率を高める上では重要である。
ガソリンは前述の通り揮発性が高く、すぐに引火してしまう。
一方で軽油は引火点が高いため、爆発的な威力の砲撃などで火災が発生しない限りは燃料が燃えることはない。
被弾に強いという面では冷却装置が必然的に空冷式になる点も連動している。
ガソリンエンジンでもそうだが、空冷式は装備が少ない反面冷却性能が水冷・液冷に劣り、水冷・液冷式は装備が多い一方で冷却性能が高い。
水冷・液冷の弱点は防御が必要な個所が多い点にあった。
また、対ソ戦を想定していた陸軍にとって、寒冷地での戦いが予想されるために水冷・液冷式は凍結の恐れがあったために回避したかった。
このように、ディーゼルエンジンはあらゆる面で被弾に強かった。

「戦車」のディーゼルエンジンの有用性はドイツでも認められるほどのことで、国内では一気に軍用車両全般のディーゼルエンジン化が叫ばれた。
しかし残念ながらディーゼルエンジンそのものが高価であるという点は解消することができず、「戦車」系統以外のディーゼルエンジン化はほとんど進まなかった。

以上が3つの主要機関の比較である。
いずれも何を重視し、何を妥協するかで選択された機関であるが、当時と今では大きく時代が変わっているため、あくまで太平洋戦争時の比較として認識していただきたい。