短所 10.スターリングエンジン自動車について 1816年、スコットランドの牧師、ロバート・スターリングは当時、全盛であった蒸気機関に対抗して、新しい熱機関を発明しました。高圧の蒸気ボイラーが爆発する事故をしばしば引き起こしていた蒸気機関に対して、低圧空気を使うスターリングエンジンは爆発の危険性がないことで、当時注目を集め、たくさん生産されました。数十年後、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンが発明されてからは、スターリングエンジンは動力の主流でなくなりました。しかし、その後も、研究は続けられ、原理的に高い熱効率も実証されました。近年、省エネルギー、石油以外のエネルギー利用を目的とした研究の中で、スターリングエンジンの研究はさらに発展しました。資料：土浦工業高校理科研究部(ホームページ) ● スターリングエンジンのしくみスターリングエンジンは、右図に示すように２つのピストンで構成されており、バルブを設けずに作動ガスを繰り返して用いる密閉式の外燃機関です。熱エネルギーを有効に利用し、高効率を達成するために蓄熱式熱交換器（再生器）が採用されているのが大きな特徴です。発明当時は作動ガスに空気を用いたもので、エリクソンエンジンとともに『熱空気エンジン』と呼ばれていました。その後、様々な開発がなされ、現在の高性能スターリングエンジンは、作動ガスに高圧のヘリウムや水素などを用いることで高出力化・高効率化がなされています。このエンジンは、エンジン重量が重いこと、製作コストが高いことなどの問題があるため、未だ民生レベルでの実用化には至っていません。暖かい空気冷たい空気 ● 重さ大きさ（比出力）気体の熱膨張・熱収縮を利用するのですから、たくさんの仕事をさせるために必要な気体の量は多くなります。したがって、どうしても出力の割に大型なエンジンになってしまいます。このことは初期のスターリングエンジンがガソリンエンジンなどの手軽な内燃機関に押されてしまった原因の一つです。現在では、中身の作動気体として大気圧の空気ではなく、ヘリウムガス等を高圧で詰め込み、この問題を解決できる事が知られています。しかし、それに伴って、気体漏れなどの新たな問題点も生まれます。 ● シーリングの難しさヘリウムガスなどを使用する理由は、軽い分子（小さな分子）の方が熱の伝わる速度が速いためです。また、ピストンの力は気体の圧力に比例して大きくなるので、気体をたくさん詰め込み、高圧（10気圧∼100気圧程度）にしています。こうして、小型でも出力の大きなスターリングエンジンを作ることが出来ます。しかし、スターリングエンジンは気体を気密に保ったままで膨張・収縮を行なわなければなりません。小さな分子の気体はせまい隙間を通過して漏れやすいのです。そういう気体を高圧に詰め込んで高レベルな気密を保ちながら、ピストンや出力軸を摩擦なく動かすようにすることは、非常に難しい技術になります。資料：土浦工業高校理科研究部(ホームページ) 高温側ピストン低温側ピストンフライホイルクランク軸回転方向ここに90度の位相差をつけておく。 11.ガスタービンエンジン自動車について航空機用エンジンの主流となっているガスタービンエンジンは、さまざまな燃料を使用でき、排出ガスの清浄化が比較的容易、かつ小型軽量といった長所があります。反面、レスポンスが悪い、構造が複雑などの短所もあるため、現時点ではまだ実用化されていません。しかし、タービンの高熱部分に耐熱性に優れたセラミックスを用いたセラミックスガスタービンが次世代エンジン候補の１つとして注目されています。燃料圧縮機資料：独立行政法人海上技術安全研究所 ● スターリングエンジンの特徴燃焼室ノズルタービン排気空気長所 ● 静かなエンジン車やバイクのエンジンは爆発音のために騒音が発生します。そのため、消音マフラーや遮音材などの工夫をしていますが、完全に消すことは出来ません。スターリングエンジンは爆発音が発生しないので、きわめて静かです。燃料 ▲航空機用ジェットエンジン ● 原理的に高効率熱エネルギーの何％を仕事に変えられるか、という値が熱効率です。スターリングエンジンは爆発を行わずスムーズに気体を変化させるので、原理的に非常に熱効率の高いエンジンです。企業が実際に試作した際のデータでも、ディーゼルエンジン並みの熱効率がすでに得られています。燃料タービンタービン ● 排気ガスがクリーンガソリンやディーゼルの内燃機関は燃料と空気を混ぜて、密室で爆発させるため、高温高圧下で様々な化合物が生じてしまい、窒素酸化物（ＮＯｘ）をはじめ有害な成分が排気ガスに含まれてしまいます。スターリングエンジンでは、燃料を使う場合でも爆発によって発生する有害成分は出ません。静かに燃焼させクリーンな排ガスを得ることが可能です。 ● 熱源を選ばないスターリングエンジンは温度差を作り出せば動くので、バイオマスなどのあらゆる可燃物、地熱、太陽熱など、色々な熱源の利用が可能です。また、設計によって数十度、あるいは数度の温度差でも動く低温度差型のエンジンを製作することが出来ます。温排水などの現在捨てられている熱を利用する方法の一つになります。加熱器燃焼器軸軸負荷空気放熱器負荷排気 ▲開放サイクルガスタービン ▲密閉サイクルガスタービン資料：独立行政法人海上技術安全研究所（ホームページ）