ユニフロー掃気ディーゼルエンジン

ユニフロー掃気ディーゼルエンジン：その歴史、構造、そして未来

ユニフロー掃気ディーゼルエンジンは、2ストロークディーゼルエンジンの進化形であり、シリンダー内を下方から上方へ、一方向の気流とすることで、排気残留を最小限に抑え、燃焼効率と出力を向上させたエンジンです。

歴史

1930年代、ゼネラルモーターズ傘下のデトロイトディーゼルとEMCによって開発された頭上弁式ユニフローディーゼルエンジンは、大型自動車や機関車に搭載され、クルップ・ユンカース式対向ピストン型ディーゼルエンジンを凌駕する軽量性、高回転性、高出力性で、第二次世界大戦後には世界的に普及しました。

その後、排出ガス規制の強化や4ストロークディーゼルエンジンの進歩により、自動車用高速ディーゼルエンジンとしての役割を終えることになりますが、鉄道車両の中速機関や、特に大型船舶用の低速機関では現在も生産が続けられており、低速機関においてはユニフロー掃気方式が唯一の方式となっています。

鉄道車両用

EMD（Electro-Motive Diesel）のE-ユニットやF-ユニットといったディーゼル機関車は、EMD 567系V型12気筒ユニフローディーゼルエンジン2基を搭載し、第二次世界大戦後も長く活躍しました。その流線型のデザインは、アメリカ型機関車の代名詞となっています。その後も645系、710系エンジンへと改良が重ねられ、現在もEMD製ディーゼル機関車の標準エンジンとして生産が続けられています。

自動車用

デトロイトディーゼルの「シリーズ71」は、1938年に発表された自動車用ユニフローディーゼルエンジンの先駆けです。GMCの「トランジットバス」をはじめ、多くのバスや大型トラックに搭載され、その独特の音声と高い信頼性から、現在でも北米で保存車両や中南米で現役車両が多く見られます。日本でも日産ディーゼル工業（現UDトラックス）がライセンス生産を行っていました。シリーズ71の特徴として、ユニットインジェクター方式の採用、モジュラー設計による気筒数の柔軟な変更などが挙げられます。その後、シリーズ92へと発展し、1990年代まで製造されました。

船舶用

大型船舶用の低速ユニフロー掃気ディーゼルエンジンは、低回転で高出力を発揮し、熱効率50％を超えるものも存在します。特に製油残渣であるB、C重油を使用しても、高い効率を維持できる点が大きな特徴です。現在、この種のエンジンのライセンサーは、マン社、バルチラ社、ジャパンエンジンコーポレーションの3社のみとなっています。

特徴

基本構造

ユニフロー掃気方式は、その名の通り、シリンダーへの吸気と排気を一方向に行う方式です。頭上弁(OHV)方式の排気弁と、強制掃気のためのルーツ式スーパーチャージャーを備えています。この方式は、クロスフロー掃気方式に比べ掃気効率が高く、排気残留が少なく、燃焼が安定し、出力を高めることができます。また、ループ式掃気と比べても、シリンダーライナーの温度分布を均一にできるため、熱歪みが発生しにくいというメリットがあります。ルーツブロアを使用することで、クランクケース圧縮が不要となり、4ストロークエンジンと同様の潤滑方式を採用できるため、エンジンの耐久性向上と排気ガスへの未燃焼オイルの混入防止に貢献します。

出力強化

出力を強化する際には、ボアアップやシリンダー追加に加え、ターボチャージャーとインタークーラーの追加装着が一般的です。ターボチャージャー単体では低回転時の排気ガスの逆流を防ぐことが難しいので、ルーツブロアはターボチャージャー装着時でも使用されます。

船舶用エンジンの詳細

大型船舶用低速ユニフローディーゼルエンジンは、BまたはC重油を燃料とし、毎分200回転以下の低速回転で動作します。クロスヘッド構造により、シリンダー部とクランクケース部が分離され、エンジンオイルの汚染を防ぎます。また、静圧過給により、排気弁は中央に一つで済みます。燃料噴射弁は排気弁の周囲に複数配置されるサイドインジェクション方式となっています。

船舶用潤滑油

クロスヘッド構造では、シリンダーライナーに供給されるシリンダ油と、その他の部品を潤滑するシステム油を使用します。シリンダ油は、C重油中の不純物で汚染されるため全損式で、高アルカリ価のものが用いられます。システム油は、シリンダ油よりも低アルカリ価、低粘度のものが用いられます。トランクピストン機関では、シリンダ油とシステム油の両方の性能を併せ持つオイルを使用します。

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です。C重油は低質化が進むため、燃料油清浄機の高性能化が求められています。

2ストロークエンジンの利点とユニフロー掃気方式の利点

2ストロークエンジンは、4ストロークエンジンに比べ、同一回転数での爆発回数が2倍であること、低回転時でも十分なトルクを発揮すること、気筒数を少なくできること、回転上昇が速いことなど多くの利点があります。ユニフロー掃気方式は、他の掃気方式に比べ、掃気能力が高いという利点があります。

欠点

従来の車両用ユニフロー機関では、オイルたまりや未燃焼炭化水素の排出、機械式スーパーチャージャーによる騒音や馬力損失などが欠点として挙げられていました。しかし、現在の舶用大型機関ではこれらの問題は解消されています。

ガソリンエンジンへの応用

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は製作可能ですが、クランクケース圧縮方式で十分なため、量産されていません。しかし、ユニフロー掃気方式は4ストロークと同様の潤滑系を採用できるメリットがあり、ガソリンエンジンの高効率化、低排出ガス化に貢献する可能性があります。

日産ディーゼル（UDトラックス）とUDエンジン

日産ディーゼル工業（現UDトラックス）は、GMとライセンス契約を結び、1955年にUDエンジンを発表しました。これは、日本で唯一の自動車用ユニフロー掃気ディーゼルエンジンでした。UDはUniflow scavenging Diesel engineの略であり、現在でもUDトラックスのブランド名として使用されています。

バリエーション

ユニフローディーゼルエンジンは、直列型3～6気筒、V型8～12気筒などのバリエーションが存在します。

もう一度検索