4. 潤滑油、燃料油、冷却水
整備士として必要なことを説明する。
4.1 潤滑油
1) ディーゼルエンジンの潤滑油の作用
(1) 潤滑作用
互いに接触し摺動する金属面の間に油膜を形成し、金属同士が接触しないようにして摩擦を防ぎ、摩耗を減少させる。もちろん高い荷重面においては焼き付きの防止も兼ねている。
(2) 冷却作用
“潤滑とは冷却なり”と言われるほど重要な役目があり軸受等で発生した摩擦熱を運び去ると同時に、ピストン内部ではピストンが燃焼面から受ける熱やピストンリングの熱を取り去り焼割れや、摩耗の防止をする。
(3) 密封作用
ピストンリングとシリンダライナの間で油膜を形成し、燃焼ガスや圧縮空気の漏れを防止する。
(4) 清浄、分散作用
クランク室内に落下した燃焼生成物や潤滑油自身の劣化により生ずるスラッジなどを分散し洗い流す清浄作用をする。
(5) 防錆作用
金属面に油膜を作り酸化作用を防止する。
(6) 応力分散作用
軸受面に油膜を形成し、集中的に加わる応力や衝撃を油膜を介して分散させる。
2) 潤滑油の消費
潤滑油は使用することによって、酸の中和や燃焼生成物の油中への分散等により徐々に汚れ、粘度が増加してアルカリ価が低下する。このため適度の消費による消費分を補給することは、潤滑油の性能維持のために必要である。
また、ピストンとシリンダライナの間を通して燃焼して消費もするが、この消費はピストン、ピストンリングとシリンダライナの潤滑を促進し、ピストンリング溝の堆積物を清浄する作用も兼ね機関の耐久性向上のためにも必要なことである。
なお、潤滑油の消費量が多いと思われたり、消費がないときは機関メーカヘ相談されたい。
3) 分類
一般に、潤滑油は2・13表に示すようにJIS、慣用呼称やAPIサービス分類で分けられている。
2・13表 潤滑油の分類
JIS 規格 |
慣用呼称
添加剤の作用 |
APIサービス分類 |
用途 |
JIS 2215 1種 3号
(2、4、5号もある) |
ストレート(S) |
CA |
超軽負荷用
システム油 |
JIS 2215 2種 3号
(2、4、5号もある) |
プレミアム(PM)
酸化防止性が改善されている |
CB |
軽負荷用
システム油 |
JIS 2215 3種 3号
(4、5号もある) |
ヘビーデューティー(HD)
酸化防止性と清浄性が改善されている |
CC |
中負荷用
システム、シリンダ共用油 |
JIS 2215 4種 3号
(4、5号もある) |
スーパ
ヘビーデューティー(SHD)
酸化防止性が与えられ清浄性が高度に改善されている |
CD |
重負荷用
主としてシリンダ油 |
4) 潤滑油に求められる性質
(1) 粘度が適正で粘度指数が高いこと。
粘度が高すぎると潤滑油自身の抵抗によって発熱し、軸受温度の上昇や動力の損失を招く。逆に粘度が低すぎると油膜が破れ金属接触を起こす恐れがある。
また、機関内部の温度は始動時と運転時或いは海水温度の違い等で大きな変化があるので温度変化の影響を受けにくい粘度指数の高いものを選ぶ。
(2) 清浄分散性に優れていること。
潤滑油中に混合した燃焼生成物や自身が酸化して生じたスラッジを油中に凝縮させず、微細な分子として分散させ、ピストンリング、リング溝やピストンヘッドの内部にそれらの汚れが膠着したり付着するのを防ぐ必要がある。
(3) 酸中和性に優れていること。
燃料油中の硫黄分により生成された硫酸分が油中に入り、各部を腐食させる恐れがある。 特に海水が混入した場合、硫酸は海水中の塩分と反応して更に腐食性の強い塩酸を生成する。この極めて有害な腐食を防ぐために強力な酸中和性が要求される。
(4) 酸化安定性に優れていること。
潤滑油は空気中の酸素と結びついて酸化反応を起こし変質して行く。また、潤滑油の温度自身が高いと、これに水や金属粉が混入するとそれらが触媒となって酸化が促進される。 酸化が進むと粘度が上がり色相も悪くなり、スラッジが出て付着沈積し、機関に被害を与える。この酸化をくいとめるために酸化防止剤を添加する。
(5) 熱安定性に優れていること。
潤滑油が高温にさらされると熱分解をしてカーボンを発生する。特にピストン冷却をしている場合は高温にさらされるので熱安定性の優れたものが要求される。
(6) 錆止め性に優れていること。
機関の開放時等に誤って潤滑油に水が混入する心配があるので、錆止め性が要求される。
(7) 水分離性に優れていること。
油中に水が混入した場合、直ちに水と油を分離して除去する必要がある。
(8) 消泡性に優れていること。
泡立ちしにくい性質が必要であり、油中に泡の発生が多くなると軸受等の損傷の原因となる。
5) 潤滑油の選定
(1) 選定基準
最近はHDタイプを使用することが当り前となり、前述の求められる性質を満足する添加剤が含まれている。よって、選定基準としては
[1] ピストン冷却の有無。
[2] 使用燃料油の種類とシリンダ注油の有無(アルカリ価)。
[3] 航海区域の温度条件(粘度)。
[4] 外国に行く場合は日本のメーカと業務提携している潤滑油が簡単に入手できるか。
[5] 運転条件が過酷であるか、比較的楽であるか。
(2) 粘度およびアルカリ価
[1] 粘度
通常、SAE30〜40が使用されるが、寒冷地で運転される場合はSAE30ないしSAE10W/30が望ましい。
[2] アルカリ価
基本的には燃料油中に含まれる硫黄分によって決められるが、常に一定の硫黄分の燃料油が入手できると限らないので慎重に決定する。なお、最近はアッシュレスタイプが当り前で高アルカリの被害はあまり心配しなくて良い。
以上を基準に機関メーカかオイルメーカと相談して決める。
6) 潤滑油の更油
(1) 更油時期
[1] 更油時期の基準としては潤滑油の汚れによる色相や機関内部の汚れ、機関の使用時間等で判断してきたが、清浄分散剤が添加された潤滑油は色相による判断は不適当になってきた。
[2] 機関が高過給化、高出力となり、燃料油も低質化してきている現在、使用潤滑油の性状に関係なく時間のみで管理することは不適当である。
[3] 最適な方法としては定期的に使用潤滑油をメーカに出して性状分析してもらい継続使用の判断をしてもらうのがよい。
[4] 試料油は通常サンプル缶(1リットル)に一杯あればよく、清潔な缶に常に一定の場所から取る。できるだけコシ器のエア抜き等から取り油溜まりの底から取らないこと。
[5] 各性状の評価として以下のことに注意して調査すると良い。
(イ) 引火点↓ 引火点の低下は燃料油混入による希釈が考えられる。
(ロ) 粘度↓ 粘度低下の原因としては、燃料油の混入、粘度の低い油の混合が考えられる。↓ 粘度は一般に上昇するが、酸化の進行、粘度の高い油(シリンダ注油等)の混合および水分の混入によっても粘度が上がることがあるので注意を要する。
(ハ) 水分または塩分↓ 水分または塩分の混入は清水の場合はジャケットの亀裂、排気弁のOリングやパッキン不良、過給機ケーシングの亀裂および、停泊中に雨水が煙突から混入、また、塩分の反応がある場合は海水の混入であり潤滑油冷却器のチューブが破損していることが考えられる。
(ニ) アルカリ価↓ 低下は酸中和性、清浄分散性の低下であり、更油の重要な基準となる。
(2) 使用限界に対する各性状の評価
潤滑油の劣化の度合いは、種々の条件によって異なるので管理基準も一概に決めることは実情に即していないが、一応その基準を2・14表に示す。
2・14表 潤滑油の管理基準
試験項目 |
粘 度 |
全 酸 価 |
アルカリ価 |
強 酸 化 |
水 分 |
トランクタイプ |
+30%
−20% |
+1.5mg
KOH/gr |
1.5〜5.0
mgKOH/gr |
検出されない |
0.2%以下 |
更油は一項目のみで判定するのでなく総合的に決めることが重要である。
アルカリ価はHDタイプの場合使用油により違いがあるので幅を持たせた。
粘度はシリンダ注油のあるものは+50%とする。
簡易的な判定法としては各オイルメーカの提示するスポットテストによることもある。テストの方法、試薬、判定基準はメーカによって異なるので、よくメーカに相談すること。
7) 潤滑油更油時の注意
[1] 基本的には同一メーカの同種類(アルカリ価、粘度は違っても良い)の油を入れる。
ただしオイルメーカの許可があれば変えても構わない。
油中には多種の添加剤が入っているのでそれらが反応して乳化や沈澱物を作ることがある。またべースオイルが違うこともあるので注意する。
[2] 出来る限り油溜りや機関内部をきれいに掃除をする。
残油があったり内部が汚れていると、新油の清浄性によってスラッジが洗い出されパイプやコシ器を閉塞させるばかりか、折角の新油の性能が短期間で低下してしまう。
[3] 不純物やボロ切れが入らぬよう注意する。
4.2 燃料油
1) ディーゼルエンジンの燃料油としては
[1] 小型高速機関はほとんど軽油(J1S2号軽油相当)
[2] 中小型の中高速機関はA重油(J1S1種2号重油相当)
[3] 中型低速機関はA重油またはC重油(J1S3種2号重油相当)
[4] 大型低速機関はC重油
2) 燃料油の精製 燃料油の種類は原油の精製の過程で決まる。
2・184図に石油製品の製造過程の概念を示すが、原油から蒸留、分解、混合の過程を経て製品が作り出される。この製造過程の中で基本的な留分はガス、ガソリン、灯油、軽油、残渣油である。
A−C重油はこの中の軽油と残渣油を適当に混合して所定の粘度に混合したものである。
2・184図 常圧蒸留装置
A重油はその90%以上が軽油分であるがC重油は基材となる残査油の粘度と、軽油等の低粘度油との混合割合で必要な粘度が決まるので、その組み合わせは無数にある。
3) 分解重油の製法と注意
前述の常圧蒸留装置(或いは減圧蒸留装置)では軽質留分の比率が少なく、50%程度は残査油として残る。
一方近年は、ガソリン、軽油等の需要が増大しておりこの需要のバランスを確保するために残査分から軽油分、軽油分からはガソリンを取り出している。これが分解法と呼ばれるもので、この分解法(流動接触分解=FCC、熱分解=ビスブレーキング)で作られた製品には頭に分解を付け分解重油と呼び、蒸留法による製品を直留重油とか頭に直留を付ける。
その製法は2・185図の通りで、直留に比べ精製のより下流にあるため各成分が濃縮された形で密度が高く、硫黄分、残炭分、そしてバナジュウム、ナトリウム等の有害配分の比率が高くなっていることが特徴である。
流動接触分解で作られた重油はFCC油と呼ばれ、触媒のシリカーアルミナが油中に残存してその硬い金属自身が燃料ポンプやピストンとシリンダライナの狭い間に入り物理的な摩耗を短時間の内に起こすので、C重油使用船では補給の際に注意が必要である。
同様に分解軽油は直留軽油に比べると密度が高く着火、燃焼がしにくい特性をもっている。基本的には、分解重油は以上のような理由からボイラ用として使用され、船用としては使用しないことになっているが、外国では舶用機関に供給されたことがあり、国内では陸用のディーゼルエンジンに使用される可能性がある。
2・185図 接触分解装置とビスブレカを有する精製過程
4) 燃料油の性状
燃料油中には種々の成分が存在すると同時に、燃料油自身の性状は機関運転や船内設備に大きな影響を与える。2・15表にこれらの関係をまとめた。
2・15表 燃料油の成分、性状と機関への影響
性 状 |
性状変化 |
機 関 へ の 影 響 |
機 関 |
影 響 |
比 重
(密度) |
高比重化 |
遠心清浄機 |
・清浄困難
スラッジおよび水分離困難 |
タンク |
・水分離困難 |
粘 度 |
高粘度化 |
油加熱器 |
・加熱容量不足
・高温加熱による重油の分解 |
ポンプ |
・移送困難 |
遠心清浄機 |
・清浄困難 |
ディーゼル機関 |
・加熱不足による不整噴射
・燃焼不良による熱負荷増大 |
硫 黄 分 |
増 加 |
ディーゼル機関 |
・低温腐食
(シリンダライナ、 燃料弁、 過給器) |
残留炭素分 |
増 加 |
ディーゼル機関 |
・燃焼不良
・汚れ、堆積物増加 (燃焼室、 排気系統)
・摩耗増加
(シリンダライナ、 ピストンリング)
・カーボンフラワ生成 |
アスファルテン |
増 加 |
ディーゼル機関 |
・燃焼不良、 燃焼悪化
・ライナ壁衝撃荷重増大
・熱負荷増大
・すす発生
・スティック (燃料ポンプ、 燃料弁) |
灰 分 |
増 加 |
ディーゼル機関 |
・堆積物増加 (燃焼系、 排気系)
・摩耗増加
(シリンダライナ、 ピストンリング) |
水 分 |
増 加 |
ディーゼル機関 |
・燃焼不良
・高・低温腐食
・堆積物増加 |
バナジウム
ナトリウム |
増加 |
ディーゼル機関 |
・高温腐食 (燃焼室壁)
・堆積物増加 (排気系、 過給器) |
シ リ カ
アルミュニウム |
増 加 |
ディーゼル機関 |
・異常摩耗
(ピストンリング、 シリンダ・ ライナ等) |
セタン価
C C A I |
低 下
高 |
ディーゼル機関 |
・始動性不良
・燃焼性不良 |
混合安定性 |
低 下 |
タンク |
・スラッジ堆積 |
遠心清浄機 |
・清浄困難 |
ストレーナ |
・閉塞 |
ディーゼル機関 |
・燃焼残査の増加 |
ス ラ ッ ジ |
増 加 |
タンク |
・スラッジ堆積 |
遠心清浄機 |
・清浄困難 |
ストレーナ |
・閉塞 |
[1] 比重……比重そのものは機関の運転には影響しないが、高比重の燃料油は遠心清浄機による水分分離が困難になる。
[2] 粘度……ディーゼル機関は良好な燃焼を得るため、適切な粘度の燃料油を使用することが必要で、C重油を使用する場合は加熱をしている。
[3] 硫黄分……燃料油中の硫黄分は燃焼により亜硫酸ガスとなり、水と化合して硫酸となって各部に腐食を起こす。
[4] 残留炭素分…多いと燃焼が出来ず燃焼室内に堆積物を増加させる。
[5] アスファルテン……難燃焼性があるため触火面の近くで燃え、温度上昇をさせる。 また増加することにより熱安定性、混合安定性が低下し油中にスラッジを生じ易い。
[6] 灰分……燃焼しないため堆積物や摩耗の原因となる。
[7] 水分……燃焼不良や堆積物の原因となる。
[8] バナジュウム、ナトリウム……高温腐食の原因となる。
[9] 着火性(セタン価、セタン指数)……機関の始動や円滑な運転に必要。
[10] 混合安定性……分解油と直留油を混合すると、混合比によってスラッジが多量に発生することがある。
4.3 冷却水
近年では海水でエンジンを直接冷却することは、少なくなってきた。ここでは清水冷却についてのみ注意事項を述べる。
1) 冷却水の選定基準
清水であっても機関に使用される清水の選定には注意を要する。冷却水の水質基準を2・16表に示す。
2・16表 清水冷却の水質基準
No |
項目 |
単位 |
推奨値 |
1 |
濁度 |
  |
10 |
2 |
PH (25℃) |
  |
6-8.5 |
3 |
電気伝導度 |
μΩ/cm |
<400 |
4 |
Mアルカリ度 (CaCO3) |
ppm |
<150 |
5 |
全硬度 (CaCO3) |
ppm |
<100 |
6 |
塩素イオン (C1-) |
ppm |
<100 |
7 |
硫酸イオン (SO42-) |
ppm |
<100 |
8 |
アンモニアイオン (NH4+) |
ppm |
<10 |
9 |
硫黄イオン (SO2-) |
ppm |
-- |
10 |
硫化水素 (H2S) |
ppm |
<10 |
11 |
全鉄 (Fe) |
ppm |
<1.0 |
12 |
シリカ (SiO2) |
ppm |
<50 |
13 |
全蒸発残留物 |
ppm |
<400 |
14 |
マンガン |
ppm |
<0.2 |
[1] 冷却水中に溶けている物質によっては腐食、スケール、あるいはスイラム(藻)障害を生ずる。
[2] 腐食傷害は各種塩化物によることが多く、塩素イオンがその代表的なものである。
[3] その他腐食性を判断する要素としては、pH、電気伝導度、Mアルカリ度、アンモニア度を調べる必要がある。
[4] スケール障害はカルシュウム、マグネシュウムに起因することが多く、冷却器の冷却効果の低下や、高温部の亀裂の原因となる。
[5] アンモニア分は冷却器のアルブラック管を腐食させるので注意を要する。
[6] シリカ、マンガン、全鉄等も硬質スケールの原因となる。
2) 冷却水防錆剤
シリンダライナの外周部やシリンダジャケットの冷却部にみられる損傷は、一般にキャビテーションまたは電気化学的腐食によるものといわれている。
この腐食を防止するために、冷却水に防錆剤(インヒビタ)を適量投入することで金属表面に強い安定した保護被服膜を形成させる。
通常使用される防錆剤としては
(イ) 亜硝酸塩系……毒性は少ないが排水の投棄の際はpH及びCOD値規制の対象となる。一番良く使用されている。
(ロ) 珪酸塩系……毒性はまったく無く、排水の投棄は同上の注意が必要。
(ハ) 酵素系……毒性がまったく無く、そのまま投棄できる。
防錆剤の使用に当っては、次のような注意が必要である。
(イ) 防錆剤の投入法、濃度管理、廃液処理等は各メーカで差があるので、使用に際しては各メーカの指示に従うこと。
(ロ) 冷却水に不凍液が投入してあると互いに影響し合う場合があるのでメーカの指示によること。
(ハ) 濃度が適正でないと効果が発輝できないので各メーカの基準値に従うこと。
(ニ) 濃度基準値の測定は各メーカ指定の濃度測定器を使用すること。
(ホ) 冷却水中に塩分(海水混入)があると効果がでないので、投入前に塩分測定をする。
注記:COD値
廃水を清水(海水)中に添加すると、水中の酸素を還元し酸欠状態となる。
これを避けるために必要な酸素量をCOD−( )PPMとして表示する。このCOD値を満足させる方法としては、水での希釈、空気を吹き込む、酸化剤を投入するなどの方法がある。
3) 腐食を発生させない注意
冷却水への空気の混入は溶存酸素の含有量を増加させ腐食を助長させることになるため次のことに注意する。
[1] 空気の溜まる恐れのある場所(特に冷却水管系の最も高いところ)には必ず空気抜きを設ける。
[2] 清水膨張タンクには必要なヘッド(機関冷却水出口位置から3m以上)をもたせ、冷却水圧力を上げて気化現象を押さえる。
[3] 清水膨張タンク内には冷却水の動揺防止のために適当な仕切を設ける。