ディーゼルエンジンの燃料に含まれる全エネルギーのうち、摩擦損失は約10%を占める[1].摩擦損失の40-55%はパワーシリンダーシステムから生じている。この摩擦によるエネルギー損失は、パワーシリンダーシステムで発生するトライボロジー的相互作用をより良く理解することで減少させることができる。
パワーシリンダシステムにおける摩擦損失の大部分は、ピストンスカートとシリンダライナの接触に起因している。実際のエンジンでは、力、温度、速度が常に変化しているため、ピストンスカート、潤滑油、シリンダー界面の相互作用は非常に複雑です。最適なエンジン性能を得るためには、各要因を最適化することが重要です。本研究では、ピストンスカート-潤滑油-シリンダーライナー（P-L-C）界面における摩擦力と摩耗を引き起こすメカニズムを再現することに焦点を当てます。
パワーシリンダーシステムとピストンスカート-潤滑剤-シリンダーライナーの界面の概略図。
[1] Bai, Dongfang.内燃機関のピストンスカート潤滑のモデリング。Diss.MIT, 2012
モーターオイルは、その用途に応じて設計された潤滑油である。ベースオイルに加え、洗浄剤、分散剤、粘度向上剤（VI）、耐摩耗剤・耐摩擦剤、腐食防止剤などの添加剤を加えて性能を高めている。これらの添加剤は、さまざまな運転条件下でのオイルの挙動に影響を与える。オイルの挙動はP-L-C界面に影響を与え、金属と金属の接触による著しい摩耗が発生するか、流体力学的潤滑（摩耗が非常に少ない）が発生するかを決定する。
P-L-Cのインターフェースは、その領域を外部変数から切り離さないと理解することが難しい。実際の用途を代表するような条件でシミュレーションを行う方が現実的です。その ナノビア トライボメータ これには最適です。複数の力センサー、深さセンサー、滴下潤滑剤モジュール、および直線往復ステージを備えた、 ナノビア T2000は、エンジンブロック内で発生する事象を忠実に再現し、P-L-C界面をより深く理解するための貴重なデータを得ることができます。
NANOVEA T2000トライボメータに搭載された液状モジュール
この研究には、ドロップバイドロップモジュールが非常に重要です。ピストンは非常に速い速度で動くため（3000rpm以上）、サンプルを浸して潤滑油の薄い膜を作ることは困難です。この問題を解決するために、滴下式モジュールはピストンスカートの表面に一定量の潤滑油を安定して塗布することができます。
また、新しい潤滑油を使用することで、外れた摩耗粉が潤滑油の特性に影響を与える心配もありません。
NANOVEA T2000
高荷重トライボメータ
測定目的
本報告では，ピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面について検討する．この界面は、潤滑油の滴下による直線往復摩耗試験で再現される。
潤滑剤を室温と加温状態で塗布し、コールドスタートと最適な運転条件を比較する予定です。COFと摩耗率を観察し、実際の用途における界面の挙動をより深く理解します。
テストパラメーター
LOAD 100 N
テスト期間 ............................30分
スピード ............................2000 rpm
アンプリチュード ............................10mm
トータルディスタンス 1200 m
スカートのコーティング ............................ポリグラファイト
ピン素材 ............................アルミニウム合金 5052
ピン径 ............................10mm
ルーブリック ............................モーターオイル (10W-30)
APPROX.フローレート ............................60 mL/min
温度 室温および90
今回の実験では、対向材としてA5052を使用しました。エンジンブロックは通常A356などの鋳造アルミニウムで作られていますが、A5052は今回の模擬実験ではA356と同様の機械的特性を有しています[2]。
試験条件下では、著しい摩耗が
室温でのピストンスカートの観察
は，90℃のときと比較してサンプルに見られる深い傷は、静止材料とピストンスカートの接触が試験中頻繁に起こっていることを示唆している。室温では粘度が高いため、オイルが界面の隙間を完全に埋めることができず、金属と金属が接触している可能性がある。高温になるとオイルは薄くなり、ピストンとピストンの間を流れるようになる。その結果、高温での摩耗が大幅に減少することが確認された。図5では、摩耗痕の片側がもう片側よりも著しく摩耗していることがわかる。これは、オイルの出口の位置によるものと思われる。潤滑油の膜厚が片方で厚くなり、偏摩耗が発生したのである。
[2] "5052アルミニウム対356.0アルミニウム".MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminum/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminum
表1: ピストンの潤滑式摩耗試験結果。
図1: 常温油膜摩耗試験におけるCOFグラフ A生プロファイル Bハイパス Cローパス
図2: 90℃摩耗油テストのCOFグラフ A raw profile B high pass C low pass.
図3: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の光学画像。
図4: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析の巻。
図5: RTモーターオイルの摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。
図6: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の光学像
図7: 90℃モーターオイル摩耗試験による摩耗痕の穴埋め解析のボリューム。
図8: 90℃のモーターオイル摩耗試験による摩耗痕のプロフィロメトリースキャン。
ピストンでの潤滑直線往復運動摩耗試験を実施し，実機で発生する事象を模擬した。
実稼働しているエンジンピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面は、エンジンの運転に極めて重要な役割を担っています。ピストンスカートとシリンダーライナー間の摩擦や摩耗によるエネルギー損失は、この界面における潤滑油の厚みに起因している。エンジンを最適化するためには、ピストンスカートとシリンダーライナーを接触させることなく、できるだけ薄い膜厚にする必要がある。しかし、温度、速度、力の変化がP-L-C界面にどのような影響を与えるかが課題である。
NANOVEA T2000トライボメータは、幅広い荷重範囲（最大2000N）と回転数（最大15000rpm）を備えており、エンジン内で起こりうるさまざまな状況をシミュレートすることができます。将来的には、一定負荷、振動負荷、潤滑油温度、回転数、潤滑油の塗布方法などを変えた場合にP-L-Cインターフェースがどのような挙動を示すかを研究することも可能です。これらのパラメータは、NANOVEA T2000トライボメータで簡単に調整でき、ピストンスカート-潤滑油-シリンダライナーの界面のメカニズムについて完全に理解することができます。
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