ユニフロー掃気ディーゼルエンジン

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最も単純なユニフロー掃気ディーゼルエンジンの概念図

ユニフロー掃気ディーゼルエンジン(ユニフローそうきディーゼルエンジン、Uniflow scavenging Diesel engine)は、2ストロークディーゼルエンジンの一形式。シリンダー内の吸排気の流れを下方から上方への一方向とし、排気の残留を無くしたもの。「単流掃気方式」とも呼ばれ、単にユニフローディーゼルと省略される場合もある。

現在、生産されている唯一の2ストロークディーゼル機関の形式である。

概要[編集]

船舶用超大型ユニフローディーゼルの一例。マン社製10K90MC-C型直列10気筒

高速ディーゼルエンジンの分野では、ゼネラルモーターズ・グループの一部門であったデトロイトディーゼルと、傘下の協力企業であったEMC1930年代にそれぞれ開発した頭上弁式のものが代表的存在である。大型自動車やディーゼル機関車用として大量生産され、軽量・高回転・高出力であるため、クルップユンカース対向ピストン型ディーゼルエンジンを駆逐し、第二次世界大戦後は世界的に普及した。

中速、高速機関としては4ストロークディーゼルエンジンの進歩により、現在では姿を消しているが、大型船舶用の低速機関としてはユニフロー掃気ディーゼルだけが生産され続けている。

なお、広義の意味においてはユンカース ユモ 205に代表される、前述の対向ピストン型ディーゼルもユニフローディーゼルに含まれる[1]が、今日ではユニフローディーゼルといえばGM発祥の頭上弁方式の事を示すのが一般的である。

鉄道車両用では、EMD 567系V型12気筒エンジンを2基搭載したディーゼル機関車であるEMDE-ユニットF-ユニットは、共に大ヒットとなり、戦後も長く生産が続き、流線形の「ドッグノーズ」はアメリカ型機関車を代表する顔となった。後に645系エンジン、さらに710系エンジンへと改良され、GM系列を離れた現在もEMD製のディーゼル機関車の標準エンジンとして生産が続いている。

一方、自動車用としてはデトロイトディーゼルが1938年に発表した「シリーズ 71」が始祖となる。この2ストロークディーゼルエンジンは、1940年に生産が開始された画期的なリアエンジンバスである、GMCトランジット」に横置き搭載されフレームレスモノコック構造の車体、トランスミッションを45度偏向配置とした「アングルドライブ」と共に、パッケージングの鍵となった。「トランジット」はバスの新時代を拓き、以降、爆発的に普及し、1969年まで生産が続けられた。

シリーズ71エンジンは、グレイハウンド黄金期のシーニクルーザー (V8-71) や、金魚鉢メトロ窓(引き違い窓の事)のあだ名を持つニュールックトランジット (V6-71) など、GMCのほとんどのバスをはじめ、大型トラックに採用され、映画ドラマに独特のブロアー音と共に登場することや、現在でも北米での保存車両や中南米での現役車両で見られる事、また日系メーカーの日産ディーゼルが1974年までライセンス生産を行った事などもあり、日本のファンにもよく知られる存在となっている。

なお、シリーズ71を初めとするデトロイトディーゼル製ユニフローディーゼルは、噴射ポンプユニットインジェクター方式を採用していた事や、シリンダーを追加する事で大きな設計変更を要することなくエンジンの気筒数を増大する事が出来るブロック構造を採用していた為、バリエーションが単気筒からV型24気筒まで極めて多岐に渡った事も特筆すべき点であろう。その後デトロイトディーゼルは、自動車向けには1974年にシリーズ71V型エンジンをベースに、ターボチャージャーの追加やECUによる電子制御などで高速バス向けの改良を施した「シリーズ 92」を発表。シリーズ71もインタークーラーターボが採用され、共に1990年代まで製造し続けられた。

毎分数十回転から200回転程度で運転される大型舶用低速ディーゼル機関では、この形式だけが生産されている。大型舶用低速ユニフロー掃気2ストロークディーゼル機関は製油残渣に過ぎない劣悪な燃料を使用して内燃機関として最大の熱効率50%以上を誇る。B&W社(デンマーク)を買収したマン社(ドイツ) 、ズルツァー社(スイス)を買収したバルチラ社(フィンランド)、三菱重工(日本)の3社だけがライセンサーとして生き残っている。実際の製造はライセンシーの造船所で行われることが多い。

特徴[編集]

基本構造[編集]

ユニフローディーゼルにおけるルーツ式スーパーチャージャー装着の概念図(写真は機関車用エンジンの一例)

構造上の特徴は、その名のとおり単(ユニ)流(フロー)掃気(スカベンジング)方式を採用したことにある。燃料供給は直噴式で、2ストローク機関ではあるが、頭上弁 (OHV) 方式の排気を持ち、強制掃気を行なうためのルーツ式スーパーチャージャー(ルーツブロア)が備えられる[2]

このような方式は、新気がシリンダーを横断する為に燃焼室上部に燃焼ガスが残りやすいクロス式掃気とは異なり、シリンダー下側から頭上弁への一方的な流れで掃気が確実になることから、掃気効率がよく、排気の残留が無くなり、燃焼が安定し、出力を高めることができる。

また、クロス式掃気の掃気効率を改善する為に考案されたループ式掃気[3]と比較しても、向かい合った掃気ポートからの新気がぶつかり合うなどで、シリンダー内で新気が複雑なループを描く為にシリンダーライナーの温度が不均一になり、熱歪みが発生しやすくなる欠点を持つループ式掃気に対して、ユニフロー掃気はシリンダー端に掃気孔を等間隔で配置できるため掃気孔の面積を大きく取ることができ、シリンダーライナーの温度分布を均一にできることから熱歪みが発生しにくくなるという長所を持つ[4]

掃気用ルーツブロアをエンジンに併設する事で、クランクケース内に新気を通して予備圧縮する必要が無くなる。これにより、クランクケース圧縮方式のように燃料に2ストロークオイルを混合する必要が無くなり、4ストロークエンジンと同様のウエットサンプなどによるシリンダーブロック循環式の潤滑方式で、4ストロークエンジンと同じエンジンオイルを使用する事が可能となる。これはクランクベアリングの耐久性確保や、排気ガスへの未燃焼オイルの混入を防ぐ意味で大きな長所となる。

排気弁数は船舶用などは1バルブであるが、自動車用高速機関ではこれより多い数の弁数が用いられる(マルチバルブ)事が一般的で、2バルブから3バルブを経て4バルブになり、さらにカムシャフトをより高い位置に設置し、プッシュロッドを短くした、高回転対応型の『ハイカム』へと発展した(ハイマウントカムシャフトの意味であり、バルブリフトを増大させたハイリフトカムシャフトではない)。

なお、出力を強化するに当たってはボアアップやシリンダー追加以外には、ターボチャージャー及びインタークーラー追加装着する事が一般的であった。ターボ単体では低回転時に排気管エキゾーストマニホールドからの排気パルスによる、排気ガスのシリンダー内への押し戻しに対して十分な掃気が行えない為、掃気用ルーツブロアはターボ装着時も取り外されずにターボの下流側に直列に配置される。そして、どの回転域でもターボで過給された新気をシリンダー内に掃気する役割を持ち続ける為、ツインチャージャーにおけるスーパーチャージャーのような過給機というよりも、単に掃気に必要不可欠な補機送風機)と捉えるのが適切である。実際、デトロイトディーゼルのエンジンにおいては、ターボチャージャー仕様登場後の従来型のルーツブロアのみを持つエンジンは自然吸気と称されていた。

船舶用[編集]

クロスヘッド型2ストロークエンジン(左)
トランクピストン型4ストロークエンジン(右)
の比較図
Crosshead vs trunk.svg

1. 排気ポート
2. 掃気チャンバー
3. 排気バルブ
4. シリンダーヘッド
5. シリンダー
6. シリンダーライナー
7. ピストン
8. 掃気ポート

9. ピストンロッド
10. クロスヘッド
11. コラム(円柱)
12. コンロッド
13. クランクケース
14. ベッドプレート(台盤)
15. クランクシャフト
16. 吸気バルブ

大型船に用いられる極めて排気量の大きなユニフローディーゼルエンジンはC重油を燃料とし、毎分200回転以下の低速回転で大出力を生み出す。大型舶用ディーゼルは減速機を介さずスクリュープロペラに継手で直結される。プロペラ効率は低回転ほど良いので低回転の大出力が求められる。

頭上排気弁と強力な排気ターボ過給機を組み合わせた超ロングストロークにより熱効率は50%を超える。製油残渣に過ぎない極めて劣悪な燃料を使用していながら、内燃機関で最高の熱効率を実現している。

マン社製クロスヘッド型ユニフローディーゼルのピストンからクランクシャフト周りの部品

大型2ストロークディーゼル機関はシリンダー部とクランクケース部が遮蔽されたクロスヘッド機関である。C重油の燃焼残渣が汚く、エンジンオイル経路を分けて軸受けを汚さないようにするためである。クロスヘッド構造のためピストン俸(ピストンロッド)と連結棒(コネクティングロッド)に分かれたクランク構造になり、それぞれの接合回転部であるクロスヘッドピン軸受、クランクピン軸受、主軸受を守っている。クロスヘッド構造のため非常に背の高いエンジンになる。

ピストンロッドまでは往復直線運動だけをクランクケース内のクロスヘッドに伝え、クロスヘッドピン軸受とクランクピン軸受けの関節、回転運動でクランクシャフトに回転運動が成立する。

クロスヘッド機関のシリンダライナに給油される油をシリンダ油、クランクケース各部に給油される油をシステム油と言う。シリンダ油は一回限りの使用で廃油となる[5]

大量に硫黄分の残留するC重油を使う大型ディーゼルエンジンでは燃焼後に発生する硫酸成分を中和する為に塩基価(アルカリ価)の高い「高アルカリ価シリンダオイル」が求められる。中和しないとエンジン内部がすぐに腐食してしまう。システム油の塩基価は、より低く、循環して使われ、オイル交換を必要とする。

ちなみに上質燃料を使いシリンダーとクランクケースがつながっている通常の構造はトランクピストン機関と呼ぶ。舶用ディーゼルでも4ストローク機関はトランクピストン機関である。過去には2ストロークの舶用トランクピストン機関も存在したが、現在は無い。

効率の高い静圧過給が行われているため頭上排気弁は中央に一つで十分である。その代わり燃料噴射弁が排気弁の周囲3つほどのサイドインジェクション方式となっている。

  • 歴史
    • 1900年代からディーゼル船は試行され、1920年代には様々な形式のディーゼルエンジンが実用化されたが、今日的なユニフロー掃気2ストロークディーゼルエンジンは1950年代に開発された。
    • 1950年頃までの舶用大型ディーゼルエンジンにはある程度の高品質な重油が必要で、石炭や粗悪重油でも使用可能な蒸気ボイラーで作動する蒸気タービン船を駆逐するまでには至らなかった。
    • 1950年代前半に燃料としては最も廉価な「C重油」を予熱することで使用可能にした低速ディーゼルエンジンが開発、試用され、1950年代後半に実用化し、圧倒的な経済優位性は確立された。ただし1970年頃までは超大型化が進むタンカーの巨大動力に蒸気タービン機関しか用意できなかったため、出力ベースのシェアは一時低下した。
    • しかし石油危機が到来すると、運行コストの低減が至上命題となり、タンカーでも大型化する機運は失われ、ほぼ全ての商船は30万トン以下で十分とされ、ほとんどディーゼル動力化された。その間に大出力化と高効率化と高信頼性化を進めてきた。
燃料油清浄機
燃料油清浄機はC重油から不純物を取り除く装置。1950年ごろ舶用大型ディーゼルエンジンで安価なC重油を使うために開発された燃料の前処理装置。それまではA重油までしか使えなかった。燃料油清浄機はC重油を加熱して流動性を高めてから、水分や固形分を遠心分離機で取り除き、さらにフィルターで濾過して綺麗にする。
安価を求めるC重油は軽質油を蒸留した残り物なので、製油技術が向上すると、より低質化し、一定品質に止まらないため、燃料油清浄機も高性能化を求められる。1970年以降に製油法の進展によって導入された接触触媒分解装置からアルミナ、シリカ微粒子がC重油に混入するようになり、ピストンリング、シリンダライナ、燃料ポンプを短時間で損傷する事故が多発するようになった。燃料油分析サービスと併用して事故の防止を図っている[6]

2ストロークとしての利点[編集]

ユニフローディーゼルの動作解説図(ロシア語)。右から
上昇行程(に伴う圧縮)
(爆発に伴う)下降行程
排気バルブ解放
掃気ポートからの新気導入
  • 同一回転時の1シリンダーあたりの爆発回数が4ストロークエンジンの2倍であること。
  • 低回転時にも十分なトルクが発生する。自動車用の場合は発進加速で有利。
  • 必要トルクが同じ場合、4サイクルエンジンより気筒数を少なくできる。軽量コンパクトで、ダウンサイジングが可能。
    • 気筒数を減らさずに、ボア×ストロークを縮小する方法もあるが、その場合はスペースや部品点数、フリクションの面でメリットが無いため、気筒数を減ずる方法が一般的。
  • 回転上昇が速い(レスポンスが良い)。

ユニフロー掃気方式としての利点[編集]

  • 他の掃気方式に比べ、新気と排気が入り乱れることが無く、掃気口の造りによりらせん状の流れ(スワール)を作る事ができるので、掃気能力が高い。

欠点[編集]

以下の欠点は旧来の車両用ユニフロー機関についてであり、現在の舶用大型機関には当てはまらない。

  • インテークマニホールド内に掃気ポートから出たエンジンオイルがたまるため、定期的に抜く必要がある。
    • 始業点検にはマニホールドのオイルドレーンが含まれている。
  • 未燃焼ガスの排出が多く、排気中のHCが多い。
  • スーパーチャージャーによる馬力損失と騒音がある。
  • 欠点というほどではないが、アクセルオフ時の回転落ちが速い。フリクションの多い6気筒以上ではシフトアップ時にも中吹かしが必要な場合がある。

これらの問題により、燃費改善や排気ガス浄化、騒音抑制などが大きな課題となった1970年代以降は、4ストロークディーゼルエンジンに対抗できず、高速ディーゼル機関の主流からは外れた。

しかし、CO2排出量低減が求められるようになった今日、小排気量でもトルクを確保できる方式として再び注目が集まり始めている[要出典]

ガソリンエンジンへの応用[編集]

1910年代に考案されたユニフロー2ストローク単気筒ガソリンエンジン。ルーツブロワではなく、送気専用シリンダーを別途用意する事でユニフロー掃気を実現していた。なお、吸排気の方向はディーゼルとは上下逆である。

理論上、ユニフロー方式の2ストロークガソリンエンジンを製作することは難しくはない。しかし、2ストロークガソリンエンジンはシリンダー容積が小さいものが多いこともあり、クランクケース圧縮による掃気で十分であり、わざわざ動弁系を追加する必要も低いため、生産品として製造されたケースはない。

しかしながら、クランクケース圧縮式2ストロークエンジンは燃料潤滑油を混合して燃焼させる(混合給油、分離給油共)ため、ガソリンのみで燃やす4ストロークエンジンに対し、経済性や排ガス浄化の観点から不利である(ただし、それでもスズキ・LJ50型エンジンのように日本の排ガス規制をクリアして型式認定された例はある)。これに対し、ユニフロー掃気方式は4ストロークと同様の循環式の潤滑系とすることができるメリットがある。

また、クランクケース圧縮式の場合掃気時に未燃焼の生ガスが排気側へ放出されやすい欠点もあり、排気チャンバーでの反射波の利用や、排気デバイスによるポートタイミング可変での対応も行われてきたものの、排ガス浄化と同時に充填効率の面でもマイナス要因となっていた。これに対し、ユニフロー掃気方式は排気バルブの動弁機構が4ストロークと同一の為に、バルブタイミングの変更が比較的容易[1]で、尚かつ可変バルブタイミング機構等の利用により幅広いバルブタイミングが取れる余地がある。充填効率の面でもユニフロー掃気方式は事実上ターボエンジンとほぼ同義の構造の為に、(掃気効率はある程度犠牲になるが)排気バルブを早めに閉じて長めの掃気を行う事で、より大きな充填効率を容易に得る事が可能となる[3]

現在、ガソリンエンジンでも圧縮工程後に燃料をシリンダー内へ噴射する筒内噴射方式が実用化されているが、これにより、通常潤滑のユニフロー掃気式ガソリンエンジンが技術的には可能となる。BMWが研究開発を行っていたほか、トヨタ1980年代に「D-2」というネーミングでモーターショーなどに参考出品していた。しかし、現在まで実用化されることはなく、その噴射・燃焼理論を4ストロークに移植した、リーンバーンガソリン直噴エンジンが登場することになる。

なおクランクケース圧縮式ではあるが、広義の意味でのユニフロー(単流掃気)ガソリンエンジンに含まれるものとしては、1910年代から70年代に掛けてオートバイミニカーにて少数の採用例があるスプリット・シングルエンジンが存在する[1]

日産ディーゼル・UDエンジン[編集]

日産ディーゼル工業(現・UDトラックス)の前身である民生デイゼル工業は、GMと「シリーズ 71」に関するライセンス契約を結び、1955年昭和30年)、自動車用としては日本で唯一のユニフロー掃気ディーゼルエンジンとなるUDエンジンを発表した。それまでは民生の更なる前身企業である日本デイゼル鐘淵デイゼル)が、やはり2ストロークのクルップユンカース式対向ピストンディーゼルエンジンを国産化したND(後にKDへ改称)エンジンを使用していたが、UDエンジンの登場により、更なる高回転高出力化が実現した。

「UD」は、Uniflow scavenging Diesel engineの略称で、1974年(昭和49年)にUDエンジンの製造が終了した後も、現在まで同社のトラック・バスのCIとして親しまれているUDブランドの由来でもある。

バリエーション[編集]

  • 直列型
    • 3・4・5・6気筒
  • V型
    • 8・12気筒

搭載された車種[編集]

脚注[編集]

外部リンク[編集]