化 学 (無機化学)

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 ここでは,ガソリンエンジンなどの内燃機関に用いる材料に関連し,【内燃機関とは】【シリンダブロックに用いる材料】【シリンダヘッドに用いる材料】【ピストンに用いる材料】に項目を分けて紹介する。

 【内燃機関とは】

 ガソリンエンジンなどの内燃機関では,シリンダ内で燃料と空気の混合気体に点火し,その燃焼のエネルギーを利用しピストンを動かす。シリンダ内の燃焼温度は 2000 ℃程度といわれている。
 熱エネルギーを運動エネルギーに変換し,800 ℃程度になった排気ガスは,排気管を通じて排気ガス浄化装置,消音器に送り込まれ,最終的に大気に排出される。
 
 なお,燃焼排ガスの浄化で紹介した石炭火力発電で使用する排煙脱硝装置と同様に,自動車の排気ガス浄化装置に用いる触媒(三元触媒など)は 350℃以上の温度で効率よく動作するので,シリンダ構造や燃焼システムでは,排気ガス温度を高温で維持できる設計になっている。
 
 内燃機関の一例として,4 サイクル DOHC ( Double OverHead Camshaft )ピストンエンジンのシリンダ部の構造例を図に示した。
 エンジンのシリンダブロックやシリンダヘッドには,高温に耐える材料を用いているが,2000 ℃程度の燃焼ガスに耐える金属材料はない。
 このため,高温に耐え,耐摩耗性が高く,排気ガスによる劣化の小さい材料を用いつつ,シリンダライナ(エンジンブロックにはめ込まれる円筒形の部品)やピストンの適切な冷却と潤滑機構が必要となる。

DOHCピストンエンジンの概念図

DOHCピストンエンジンの概念図
元図出典:ウィキメディア・コモンズ "Four stroke engine diagram"

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 【シリンダブロックに用いる材料】

 シリンダブロックには,一般的には,鋳鉄が用いられる。近年は,エンジン軽量化を図るためアルミニウム合金( AC4CT6 )の鋳造品を用いる例も増えている。
 シリンダとピストンリングとの摩擦による摩耗防止を目的に,シリンダライナ挿入が通例であるが,小型エンジンでは,エンジンブロックそのものにライナーの性質を持たせるため,内壁を表面処理(例えば,トヨタ自動車のECM処理など)したライナーレスエンジンが普及している。
 JIS D 3103 「自動車機関用シリンダライナ」では,鋼又は鋳鉄を用いたシリンダライナ,及び適用できる表面処理として硬質クロムめっき,マンガン系リン酸塩処理が規定されている。

 【シリンダヘッドに用いる材料】

 シリンダヘッドは,軽量化目的のアルミニウム合金の鋳造品が主流で,一般的なエンジンでは,ピストンエンジンの概念図に示したように,ウォータージャケットを有し水冷される。
 従って,シリンダ水冷系では冷却されない点火(スパーク)プラグとポペットバブルは高温に曝されることになる。

シリンダ水冷の概念図

シリンダ水冷の概念図
元図出典:(株)ライジングサン ラジエター

 航空機用プラグを除く内燃機関に用いるスパークプラグは,JIS B 8031 「内燃機関−スパークプラグ:Internal combustion engines − Spark-plugs 」で,耐電圧,耐衝撃性,気密性,ねじ破断強度,端子引抜き強度,耐熱性,耐急熱性,耐急冷性などの性能と試験法が規定されている。
 例えば,耐熱性試験では, プラグの絶縁体の中心電極側の端部を,ガスバーナなどで 800 ℃に赤熱した後,常温まで徐冷し絶縁体に浸透探傷液を塗布して目視で割れなどの異状の有無を調べる。
 DOHC ピストンエンジンの概念図に示すように,ポペットバルブも水冷できない構造である。このため,素材には,鋼鉄などの頑丈な金属を用いるのが一般的であるが,一部の高出力エンジンでは,慣性重量を減らすため,チタンを用いることもある。
 高出力エンジンの場合に,高い温度の排気バルブ冷却(熱伝導特性向上)を目的に,ナトリウム封入バルブを用いることがある。
 ナトリウム封入バルブとは,軸を中空構造とし,ナトリウムを封入したもので,バルブの往復で溶融したナトリウムの往復で熱を逃がす構造になっている。

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 【ピストンに用いる材料】

 ピストンに用いる材料は,JIS D 3104-1996 「自動車用エンジン−ピストン: Automotive engines – Pistons 」に規定される JIS H 5202 「アルミニウム合金鋳物: Aluminium alloy castings 」規定の 5種( Al-Cu-Ni -Mg 系:新 JIS のAC5A ),8種( Al-Si-Ni-Cu-Mg 系:新 JIS のAC8A, AC8B, AC8C ),9種( Al-Si-Cu-Mg-Ni 系:新 JIS のAC9A, AC9B ),若しくは JIS H 4140 「アルミニウム及びアルミニウム合金鍛造品: Aluminium and Aluminium Alloy Forgings 」に規定する合金番号4032 (型打鍛造品 A4032FD )又はこれらに相当するものである。
 ピストンリングに用いる材料については,JIS B 8032-3 「内燃機関−小径ピストンリング−第 3 部:材料 :Internal combustion engines −Small diameter piston rings− Part 3 : Material specifications 」において,ねずみ鋳鉄,炭化物鋳鉄,可鍛鋳鉄,球状黒鉛鋳鉄,CrMoV鋼,CrSi鋼などが規定される。
 ピストンは,下図に示すように,水冷ができないので潤滑と冷却を兼ねてエンジンオイルを噴射する機構を有している。

エンジンオイル循環の概念図

エンジンオイル循環の概念図
元図出典:(株)トライポロジー エンジンオイル

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