エンジン理論: オイル

(この記事は元々、Kitplanesmagazine の 2016 年 4 月号に掲載されたものです。編)今月は、エンジン技術への継続的な紹介として、潤滑システムが送り出すもの、つまりオイルを考慮して潤滑システムの検討を開始します。 平均的なパイロットにとって潤滑は背景上の懸念事項ですが、潤滑がなければ金属同士の磨耗により、すぐにエンジンが溶けたベアリングと醜い金属の削りくずで無用の混乱に陥るため、これは必須です。 実際には、油の温度を正確に維持することは、ほとんどの実験用航空機製造者とパイロットにとって直接の課題です。

内燃機関の命である石油は、空冷航空機の動力装置において二重の存在をもたらします。 これは潤滑システムにおける明らかな作動流体であると同時に、見落とされがちではあるが冷却システムにおいても重要な役割を果たします。 時には、制御可能なピッチ プロペラ システムの代替作動油として月明かりを灯すこともあります。

潤滑剤として、オイルは主にエンジンの可動部品間の摩擦を減らす役割を果たしますが、不純物を浮かせて取り除き、メッキも塗装もされていないエンジンの金属を腐食から保護し、ピストンリングをシリンダーにシールするのにも役立ちます。

オイルは冷却剤として、脆弱で地獄のように熱いピストンとピストンピンから燃焼熱をオイルクーラーに伝え、そこで大気中に放出されます。 また、エンジンの下端全体、つまりクランクシャフト、コネクティングロッド、そして最も注目すべきメインベアリング、ロッドベアリング、スラストベアリングの主な冷却源でもあり、さらにバルブトレインの主冷却剤でもあります。バルブスプリングは特に必要です。 実際、一般的な航空機エンジンは空冷と表示されていますが、主に空冷されている部品はシリンダー ヘッドだけです。 面倒ではあるが、これらは空冷エンジンと油冷エンジンであると言ったほうが適切だろう。 同じことは水冷エンジンにも同様に当てはまりますが、通常、水の密度が高いため、エンジンの廃熱のより多くの割合が処理されます。

私たちの目的のために、鉱物油（伝統的なもの）は原油から精製されたものであり、合成油はより高度に精製された同じもの、または非原油から合成されたまったく異なる材料であることに注意してください。 合成油は分子構造がより均一で、鉱物油に含まれる、エンジンの潤滑に関係のない余分なもの（ワックスなど）がはるかに少なく含まれています。 合成油には、その高価を相殺するために望ましい特性がいくつかあります。最も注目すべき点は、高温でも安定性を維持し、ゴム状の残留物に分解しないことです。 鉱物油は華氏 240 度付近で顕著に分解し始めますが、合成油は多くの場合数百度以上の温度に耐えます。 実際、高い油温はまず鉱物油にとって脅威ですが、一部の合成油の場合、最初に影響を受けるのはエンジンの軸受材料です。

最初に飛行士に販売された合成油の欠点の 1 つは、溶液中の 100LL ガソリンからの無関係な鉛を運ぶ能力が最小限であることでした。 添加剤の問題であると言われ、100%合成油ではスラッジの生成が問題になっていると言われており、合成油は現在、主に30%合成油/70%鉱物ブレンドとして半合成油を形成する形で提供されている。 スラッジ生成の問題もありません。

オイルは粘度によっても分類されます。粘度は、特定の温度で注ぐときの抵抗によって測定される液体の厚さです。 粘度は、金属同士の接触に対してクッションとなる「本体」を提供するため、重要です。 自動車周りでは、オイルの粘度は「30重量」のように「重量」と呼ばれ、自動車技術者協会（SAE）が定めた基準に従って定められています。 航空業界では、この特性は正式には「グレード」として知られており、その数値は SAE 重量の約 2 倍になります。 したがって、たとえば 100 のグレードは 50 の重みに対応します。 当然のことながら、最近空港周辺では「グレード」よりも「重量」の方がよく聞かれます。

オイルの重量またはグレードは主にオイルの動作温度範囲に適合しますが、エンジンの内部ギャップ (クランクシャフトジャーナルとそのベアリングの間、またはピストンリングとシリンダー壁の間) も同様に大きな役割を果たします。 したがって、自動車エンジンの負荷サイクルが軽いということは、油温が比較的低いことを意味します。さらに、これらの堅固に構築されたエンジンはオイルクリアランスが小さいため、使用するオイルの重量は多くても 20 ～ 30 です。 当社の油冷/空冷航空機エンジンは、激しく長時間作動し、オイルにたっぷりの熱を加えます。そのオイルは非常に厚く、重量 50 が一般的ですが、一部のレガシー ラジアルでは、海綿状のオイル クリアランスのおかげで重量 60 になります。

単一重量またはグレードのオイルはその名の通り、動作温度 (212°F) で特定の粘度を持つオイルです。 寒い温度でははるかに厚くなります。 マルチウェイトまたはマルチグレード オイル、たとえば 15W-50 は、粘度向上剤が添加された 15 ウェイトの薄いオイルです。 VI 化合物は文字通り、低温ではコイル状に小さなボールになり、高温ではコイルが解けて長いストランドになります。 VI 化合物は、ボール状になっているときはオイルの流しやすさを妨げませんが、伸ばすとオイルが濃くなります。

15W-50 の例では、0F では 15 重量のオイル、212F では 50 重量のオイルのようにオイルが注がれます。 他のものと同様に、オイルにも動作温度範囲があるため、これが役に立ちます。 航空機エンジンの濃厚な 50 重量のオイルは、流動しないため、低温 (華氏 45 度以下のコールド スタートを考えてください) ではほとんど潤滑剤として機能しません。 オイルをエンジンの小さな通路に送り込むのが非常に難しく、一時的にオイルがまったく流れなくなることがあります。 エンジンの予熱は素晴らしい解決策ですが、低温での流動性が大幅に改善された多粘度オイルも非常に便利です。

どのような種類であっても、オイルが冷えていると非常に懸念されます。 オイルが少し熱を帯びるまで流れが悪くなるだけでなく、粘度の高いオイルはエンジン内部に重大な抵抗を引き起こします。 これにより、スターターモーターの寿命が難しくなり、バッテリーが消耗します。 また、エンジンの出力が奪われ、過剰な抵抗を克服してガソリンが無駄になります。 しかし、最悪の問題は、オイル流量がない、または少ないために起こるエンジンの金属間の急速な摩耗です。 予熱を行わずに、多粘度オイルを使用し、油温計に動きが見られるまでエンジンを始動領域で暖めることが実際的な解決策です。

温度計のもう一方の端では、過剰な熱は鉱物油にとって致命的です。 温度が上昇すると、鉱物油は分解し、加熱し、燃焼します。呼び方は何でも構いませんが、永久に潤滑のない粘液に変わります。 このプロセスは 225F から始まりますが、240F あたりで意味を持ち始め、従来のモーター オイルが 260F を超えると、急速にモーター オイルではなくなります。 そのため、過熱した鉱物油は交換する必要があります。 これは総合的な大きな利点でもあります。 油温が高くてもあまり心配ありません。

明らかに、ゴルディロックスの油温は 185F ～ 215F が目標です。 1 時間の飛行時間を考えると、これは燃焼によって形成された大量の水汚染を焼き切るのに十分な温度ですが、オイルを分解するほど熱くはありません。

すべてのモーター オイルには、オイル メーカーが選択した添加剤が添加されています。 これらはオイルの使用目的によって大きく異なりますが、知っておく必要があるのは、ほとんどの添加剤は犠牲的なものであるということです。 これらはエンジンの動作によって使い果たされるため、クランクケースにさらに添加剤を注入するか (長距離トラック輸送や産業用エンジンでは知られていませんが、航空や自動車用途では行われていません)、オイルを交換する必要があります。

一般的なモーター オイル添加剤は高圧潤滑性に対応していますが (カムシャフトとリフターのインターフェースがここで重要な役割を果たします)、航空機エンジンには、有鉛ガソリン、水、および緩いエンジン公差によって形成される灰色の粘液と戦うために、スラッジ防止添加剤も多量に使用されています。酸中和剤と一緒に。

次に、よく知られている無灰分散剤添加剤があります。 灰は、エンジンがオイルを燃焼させるときに燃焼室内で形成される燃焼副産物です。 灰の形成の主な要因は洗剤添加剤であるため、本質的に油密な燃焼室を備えた自動車エンジンとは異なり、航空機用油は洗剤を避けます。 空冷航空機エンジンは、必然的に緩いピストン、ピストン リング、およびシリンダー壁の公差のおかげでオイルを燃焼します。そのため、灰を形成する洗剤添加剤は航空業界では禁止されています (航空機エンジンに自動車オイルを使用しない理由も同様です)。 無灰分散添加剤は、溶液中に形成される灰を保持するので、オイルを交換するまで、オイルフィルターでこすり落としたり、（驚くべきことに）オイルフィルターが故障したりすることができます。

ライカミングとコンチネンタルは、油温が低すぎる場合と高すぎる場合の両方に対応します。 ベルナサーム (ライカミング エンジンに搭載) と呼ばれるサーモスタットは、185°F で開くように設定されています。 冷たいオイルを直接エンジンに送り、熱いオイルをオイルツーエアのオイルクーラーを通してエンジンに送ります。 したがって、これらのエンジンのオイル温度は、エンジンが冷間始動してからオイルが 185°F に温まるまでの間を除き、最低 185°F になります。 これは大きな「例外」であり、オイルが冷たすぎる（華氏 100 度未満）ときにエンジンに高い負荷がかかること（離陸時など）を避けるのはパイロットの責任です。 冷油エンジンの運転を避ける規律を持っているパイロットはほとんどいないようで、低性能の標準カテゴリーのアプリケーションとそれに相当する実験用アプリケーションは、そのような蛮行を生き延びているようです。 しかし、エンジンの性能が向上するにつれて、高負荷での冷たいオイルでの動作を避けることが、エンジンの寿命に違いをもたらします。

最高油温はオイルクーラーによって制御され、航空機では必然的にオイルクーラーが使用されます。 水冷エンジンは、油から水への熱交換器を介して油の熱を冷却水に放出できることを意味します。 これはおそらく優れた戦略ですが、空冷エンジンでは明らかに非実用的です。

排気システムと同様に、遠隔に取り付けられたライカミング オイル クーラーは、エンジン メーカーと機体メーカーの責任の間の灰色の境界内にあり、そのため、多くの用途にはまだ改善の余地が残されています。 実験用航空機製造者として、私たちはすべてに責任を負い、効率的な油冷却システムを構築する際の多くの変数に対処することは、私たちにとって創造的な主要な領域です。

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Rotax エンジンは供給されており、通常はサーモスタット (vernatherm) なしで動作します。 しかし、人気のある Rotax 4 ストロークもドライサンプ式です。 ドライサンプは、より多くのオイル供給があることを意味するため、オイルはエンジンの外のタンク内で比較的多くの時間を費やすため、従来のウェットサンプのコンチネンタルやライカミングよりも自然に多くの熱を放出します。 Rotax は水冷式でもあるため、そもそもシリンダー ヘッドの熱がオイルに伝わることが少なくなります。

コンチネンタルはクーラーをエンジンに直接取り付けます。 また、熱伝達効率が高く、物理的に耐久性の高いバーアンドプレート スタイルのクーラー構造も使用されています。 したがって、エンジンと機体の統合が簡素化されます。 通常は、適切なインレットとカウル フラップで十分です。

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ドレンオイルを厳密に検査すると、エンジン内部で何が起こっているかを知ることができます。 専門のラボがそのようなサービスを提供します。 彼らは分光法やその他の高度な方法を使用して、オイル、ひいてはエンジンに含まれる成分を微量で正確に詳細に調べます。

鋼材の量が多すぎると、たとえばカムやリフターの故障が発生する可能性があります。 アルミニウムの含有量が多い場合はピストンまたはピストン プラグの摩耗が考えられ、鉄はピストン リングから、錫は通常ベアリングから発生する可能性があります。 オイルの組成も簡単に追跡できるため、添加剤の枯渇や汚染を簡単に発見できます。

オイル分析は、特に定期的に使用すると、変化を迅速かつ正確に特定できる強力なツールです。 もちろん追加費用もかかるため、ほとんどの民間事業者は時折、または問題が疑われる場合に使用します。 少なくともこれは注意すべきもう 1 つのツールであり、せいぜい、安心感を与え、再販に適しているように見え、差し迫った災害をキャッチする可能性がある徹底的なエンジン操作プログラムの定期的な一部です。

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オイル交換中に典型的な飛行機のエンジンに燃料を充填するのは、超大型タンカーに燃料を補給するようなものです。そもそも、なぜ燃料をこれほど多く積めるのでしょうか?

理由はいくつかあります。 第一に、利用可能なオイルが多ければ多いほど、一定量のオイルが単位時間あたりにエンジンを通過する回数が減ります。 したがって、オイルの量が増えると、汚染が減り、オイルの急激な加熱が減り、おそらくオイルの総温度が少し下がることになります。 しかし主に、当社の古き良き公差の緩い空冷航空機エンジンは、オイルをピストンリングを通過させて燃焼室内で燃焼させ、時には劇的に燃焼させます。

数十年前に規制が作成されたとき、シリンダーのシールが今日ほど良くなかったため、大量のオイル消費はごく普通のことでした。 したがって、一般的な 6 気筒では 1 時間あたり 1 クォート近くのオイルを消費することが許可されており (!)、長距離燃料タンクを備えた 7 時間の行程では、そのような旅行中に 5 クォートを消費する可能性があることを意味します。

現代世界では、石油消費量は 10 時間ごとに 1 クォート程度になるはずです。また、540 ライカミングに 12 クォート、360 に 8 クォートを投入すると、1 クォートがエンジンのブリーザーを吹き飛ばして航空機の腹部に落ちてしまうこともわかります。 1時間くらいで。 これが、古い針が常にプラカードの最大値よりも 1 クォート低い値を実行する理由です。

この記事は元々、Kitplanesmagazine の 2016 年 4 月号に掲載されました。

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