ガスエンジンの信頼性: エンジンオイルの消費量を理解する

Oct 08, 2023

定置式ガスエンジンにおける潤滑油消費量に影響を与えるメカニズムについて解説した。 石油消費によるプラスの影響とマイナスの影響について説明します。 この論文では、ガスエンジン潤滑油を選択する際にオイル灰分を考慮することの重要性について説明し、日常の運転におけるオイル消費量の監視の重要性を強調しています。

定置式ガスエンジンの潤滑油は、複数の重要な機能を果たします。 流体粘度測定によってこれらの表面を分離することで、相対運動する表面を潤滑し、ピストン リングとシリンダー ライナーの境界面をシールし、ピストンやベアリングなどのエンジン部品を冷却します。 潤滑油は、添加剤技術の助けを借りて、始動時の摩耗や、燃料またはオイルの劣化プロセスに起因する酸性種による腐食に対する保護も提供します。 最後に、重要なことですが、エンジンをクリーンに保つことができます。

一般的なガス エンジンの潤滑回路は、オイル サンプ、オイル ポンプ、オイル クーラー、圧力および温度制御バルブ、フルフロー オイル フィルター、および二次濾過システムで構成されます。 オイルポンプは、ストレーナを介してサンプから流体を吸い込みます。 次に、オイルはオイルクーラーで冷却されます。 サーモスタットバルブは、所望のオイル入口温度を達成するために、どれだけのオイルがクーラーを通過し、どのくらいのオイルがクーラーをバイパスするかを決定します。 オイルは、20 ミクロン (公称) から 40 ミクロン (絶対) の範囲の細かさでオイル フィルターを通過します。 オイルはオイルフィルターからエンジンに供給され、メインベアリングとロッドジャーナルベアリング、カムシャフトとフォロア、ギアトレイン、ターボチャージャー、ロッカーアームとシャフト、ピストン、ライナーに供給されます。 バルブステムとバルブガイドは、バルブデッキ上を自由に流れるロッカーアームからオイルを受け取るため、通常は加圧オイルシステムには含まれていません。 すべてのオイルは最終的に、エンジンに入ったときよりも約 10 ～ 15 ℃ (50 ～ 59 度) 高い温度でオイル サンプに戻ります。

油膜により、ベアリングとクランクシャフト ジャーナルが完全に分離されます。 流体力学的くさびは始動時に形成され、ベアリング内でのシャフトの回転が速いほど、または流体の粘度が重いほど、油膜は厚くなります。 速度の低下、粘度の低下、負荷の増加により、油膜の厚さは減少します。 ピストンリングとライナー壁の境界面の間にも流体力学的なウェッジが組み込まれ、これらの金属表面を分離します。 この油膜は燃焼ガスのシールとしても機能します。

吸気バルブステムと排気バルブステムおよびガイドを適切に潤滑するには、最小限のオイル流量が必要です。 ガイドとバルブステムの間の隙間を通って、少量のオイルがガス流に入ります。 このオイルは吸気バルブシートに到達し、これらを保護します。 しかし、排気側では、排気ガスの流れにより排気バルブシートに到達することができなくなります。 代わりに、これらは燃焼室内で燃焼したオイルの灰で保護されています。

定置式ガスエンジンのオイル消費は正常であり、健全な運転に必要な機能です。 特定の量のオイル消費が必要となるため、ガス エンジン メーカーはエンジンの設計時にこれを考慮します。 各エンジンメーカーには、消費率に関して許容できるか許容できないかの独自の範囲があり、多くの場合、キロワット時あたりのグラム数 (g/kWh) でオーナーに提供されます。 最新のエンジンでは、オイル消費率は 0.05 g/kWh ～ 0.15 g/kWh が一般的で、エンジンが計画されたオーバーホール間隔に近づくにつれて増加する傾向があります。 軽負荷エンジンのオイル消費率は通常、若干高くなります。

オイルの消費率も、オイル充填の耐用年数に影響を与える可能性があります。 オイルの消費量が少ないと、新しいオイルの配合量が少なくなり、オイルの潜在的な寿命が短くなる可能性があります。 エンジンオイルの消費量が増えると、新しいオイルの割合が増加し、オイル消費量の増加とブローバイの増加が同時に発生しない限り、オイルの耐用年数を長くすることができます。

エンジンによって消費されたオイルは燃焼室に入り、そこで燃焼します。 ただし、一部の金属含有添加剤は不燃性であり、灰として残ります。 定置用ガス エンジン オイルからの灰は、多くの場合、洗浄剤や耐摩耗性添加剤の化学薬品に使用されるカルシウム、マグネシウム、亜鉛、リン、ホウ素、モリブデンで構成されています。

オイル消費量と灰分含有量の組み合わせにより、燃焼室、ターボチャージャー、排気ガス触媒、熱回収ボイラーを通る全体的な灰のスループットが決まります。 したがって、定置式ガスエンジン潤滑剤は、灰分含有量に応じて分類されることがよくあります。 灰分（重量比）約 0.5% ～ 0.6% のいわゆる「低灰分」含有量のガス エンジン オイルがあります。 より多くの保護が必要なエンジンの場合は、灰分レベルが 1.0% (重量比) までの「中程度の灰分」含有量のガス エンジン オイルが利用可能です。

潤滑油灰の有益な効果。潤滑油に灰を生成する添加剤が含まれる主な理由は、これらの添加剤がエンジン全体の保護に果たす役割にあります。 灰を生成する添加剤は次のとおりです。

潤滑油灰の 2 番目の有益な役割は、排気バルブの保護です。 吸気バルブステムと排気バルブステムおよびガイドを適切に潤滑するには、少量のオイル流量が必要です。

吸気側では、バルブとガイドの間から滲み出たオイルが空気の流れによってバルブ面に運ばれ、座面を潤滑します。 ただし、排気側ではオイルがバルブシートに到達する前に燃焼します。 このため、排気弁座面は、燃焼室内で燃焼した潤滑油に由来する乾性油灰により潤滑される。 残った灰はバルブシートとフェース表面に堆積または焼結して、バルブシートとフェース表面を摩耗や後退から保護します。 図 1 は、保護されていない埋め込み型排気バルブを示しています。 図 2 は、座面に小さなアッシュ パールまたは斑点のあるバルブを示しています。これは、座面が適切に乾式潤滑され、バルブの後退が防止されていることを示しています。

1. 凹型排気バルブ。 提供: ペトロ・カナダ潤滑剤

2. 十分に保護された排気バルブ。 提供: ペトロ・カナダ潤滑剤

潤滑油灰の悪影響。 燃焼した潤滑油からの灰は、大部分が排気ガスとともに排出されます。 ただし、一部は燃焼室コンポーネントに堆積します (図 3 および 4)。 ピストンクラウンとファイアリングデッキ上の堆積物はエンジンの圧縮比を上昇させる可能性があり、ノッキング（爆発）の可能性に影響を与える可能性があります。 ノッキングはエンジンに重大な損傷を与える可能性があります。 そのため、それを検知するセンサーが設置されています。 ノッキングが発生すると、エンジン制御システムはまず点火時期を遅らせ（エンジン効率に悪影響）、最終的には負荷を軽減するか、エンジンを完全に停止します（生産に悪影響）。

3. ピストン上部に灰が堆積する。 提供: ペトロ・カナダ潤滑剤

4. バルブデッキに灰が堆積する。 提供: ペトロ・カナダ潤滑剤

ピストンのクラウンとトップランドに形成された堆積物は絶縁体として機能し、十分な熱の伝達ができなくなります。 燃焼室の温度が上昇し、ノッキングの原因にもなります。

スパーク プラグの電極上に過剰な堆積物が形成されると、プラグ ギャップが埋まり、スパーク不良またはスパークなしが発生する可能性があります (スパーク プラグの汚れ)。 バルブシートを乾式潤滑するにはある程度の灰が必要ですが、排気バルブの座面に灰が多すぎるとバルブが完全に閉じることができず、バルブの焼き付きにつながる可能性があります(図5)。

5. トーチ付き排気バルブ。 提供: ペトロ・カナダ潤滑剤

オイルアッシュやカーボンの堆積物がピストンのトップランドに形成されることがあります。 ピストントップランドの堆積物がライナーの壁に接触するほど大きくなると、堆積物がライナー上の潤滑油膜を乱し、ライナーのクロスハッチをこすって摩耗させ、結果としてボアの研磨を引き起こす可能性があります。 流体力学的領域における油膜の厚さは、速度 x 粘度 / 荷重 x 表面粗さの関数であるため、表面粗さが減少すると (クロスハッチが摩耗し)、この滑らかな表面により厚い油膜が形成されるようになります。 このため、リングパックによってより多くのオイルが燃焼室内に輸送されると同時に、厚い油膜が燃焼圧力に耐えられなくなり、ブローバイが増加します。 この摩耗メカニズムが進行すると、堆積物の形成が増加し、摩耗の増加、吹き抜けの増加、およびオイル消費量の増加につながります。

有害なボア研磨を減らすために、最新のガスエンジンメーカーは研磨防止リングを利用できます。 アンチポリッシュリングは、ライナーの上部に位置するリングで、ライナーよりわずかに小さい内径を持っています。 このリングは、トップランドの堆積物がライナーの壁に橋を架けてボア研磨の原因となるのを防ぐことで、ピストンのトップランドから有害な堆積物を継続的に除去します。 この効果は、石油消費量が増加しないことです。

緩んだ灰堆積物と酸化した基油からの炭素粒子は、ブローバイによってクランクケースに戻される可能性があります。 通常、大きな粒子はメイン オイル フィルターで濾過され、エンジンにそのような機能が装備されている場合は、小さな粒子はオイル遠心フィルターを通して除去されます。

コジェネレーション用途では、ボイラーが排気ガスよりも低温であるため、油灰を捕捉する油蒸気の凝縮が促進されるため、ボイラーの汚れが発生する可能性があります。 オイル消費量の増加はボイラーの汚れの増加につながり、その結果回収される熱が減少し、より頻繁なボイラーの清掃が必要になります。

多くのガスエンジンには、CO および NOx の排出量を削減するために、触媒の形で排出ガス軽減システムが搭載されています。 オイルアッシュの堆積により、触媒の反応性表面が隠れる可能性があります。 化学的失活は、触媒と潤滑油灰に含まれるリンや硫黄などのさまざまな元素との反応によっても発生する可能性があります。 その結果、排気ガス触媒における有害な排出物の変換効率が低下します。 オイルの消費量が増えると、多くの場合、触媒の寿命が短くなります。 灰によるマスキングも、発光センサーの故障につながる可能性があります。

上記は、油消費量と油灰分との間の正しいバランスを見つけることによって灰の処理量を制御しなければならないことを説明しています。 目標は、十分な灰の処理量を提供し、シリンダー ヘッドの寿命を確保すると同時に、灰の処理量を十分に低く抑えて、エンジンの故障の原因となる燃焼室、熱回収ボイラー、排気ガス触媒の過度の汚れを防ぐことです。ダウンタイムが発生し、修正には多額の費用がかかります。

いくつかのメカニズムが定置式ガス エンジンのオイル消費に影響を与える可能性があります。

ピストンリングパック。オイル消費量の少ない最新のエンジンでは、このメカニズムがオイル消費量の主な原因となっています。 ライナー壁上の油膜の自然な結果として、一部のオイルは上死点近くのリングパックからのオイル飛散を通じて燃焼室に入ります。 油膜が厚ければ厚いほど、より多くの油がリングパックによって上方に輸送されます。 上死点より上に輸送されたオイルはすべて、燃焼室への慣性放出によって失われ、燃焼します。 これは、良好な燃焼シールと低オイル消費のためには、薄い油膜が望ましいことを意味します。 ただし、摩耗保護のためには、ある程度の油膜厚さが必要です。 したがって、油膜が可能な限り薄く、かつ摩耗を防ぐのに十分な厚さをもつ解決策を特定する必要があります。

油膜の厚さはピストンのストローク長に応じて変化します。 ストロークの途中ではピストン速度が速くなり、リングは完全な流体力学的領域でライナー表面上を移動します。 ピストンが減速し、いずれかのターンアラウンド ゾーンに入ると、流体力学的効果が減少し、ピストン リングが油膜を介して押し始めます。 緩衝効果により、ピストンが再び動き始めてリングが流体力学的領域に戻る前に、リングがライナーに到達することが防止されます。 最小限必要な油膜の厚さは、必要な緩衝量によって決まります。 実際には、部分的に浸した潤滑方式は、上死点リング/ライナーの磨耗を回避するのに十分な緩衝効果を提供し、燃焼室のシールを改善し、慣性スローオフを減らす（オイル消費量を減らす）のに役立ちます。

所定のオイル粘度、所定のオイルとライナーの温度において、ライナーのクロスハッチ表面仕上げとともにオイルコントロールリングがライナー上の油膜の厚さを決定し、したがって慣性スローによるエンジンオイルの消費量を決定します。 -オフ。 そのため、オイル コントロール リングは、他のリングが走行できるように明確に定義された油膜を準備します。 所定の油膜厚さにおいて、圧縮リングのプロファイル (非対称バレル、台形)、ピストン リングの剛性と曲げ性、リングの半径方向の張力、リング溝内の燃焼ガスの圧力によって、燃焼室まで上向きに掻き取られて失われるオイルの量が決まります。慣性投げ飛ばしによって。 シリンダー壁のホーニングパターンは油膜を薄く保ち、慣性スローオフを軽減します。 特定の機械設計では、流体の粘度が高いほど油膜が厚くなり、オイルの消費量が増加します。 低粘度のオイル、および動作中の粘度が適切に制御されているオイルは、慣性放出によるオイルの消費を低く抑えることができます (図 6)。

6. 完全に浸水した潤滑方式と部分的に浸水した潤滑方式。 提供: ペトロ・カナダ潤滑剤

バルブステムとターボチャージャーシール。オイル消費のもう 1 つの要因は、バルブ ステムとガイドの間、またはターボチャージャーのシールを介したオイルの損失です。 ただし、これは粘度にも影響されますが、逆に、粘度が低いオイルは漏れやすくなり、オイル消費量が増加する可能性があります。

最新のエンジンにはバルブ ステム シールが装備されており、ステムとガイドの間の隙間に必要な量のオイルが流れ込むのに役立ちます。 これにより、バルブステムによる過剰なオイル消費を防ぐことができます。 バルブステムシールとガイドが摩耗すると、バルブステムからの漏れによるオイルの損失がさらに大きくなる可能性があります。 また、計量シールのない古い設計では、バルブ ステムによるオイルの消費が大量になる可能性があります。 エンジン負荷が低い場合、チャージエアまたはインテークマニホールド圧力が低いため、バルブステムを介したオイルのキャリーオーバーがより顕著になる可能性があります。 この背圧の低下により、オイルがガイド/ステムを流れ落ちやすくなります。 ターボチャージャーのオイルシールが適切に機能するには、軸方向の遊びを小さく保つ必要があります。 これは定期的なメンテナンス中に監視する必要があります。

逆ブローバイ。逆ブローバイは、ストロークの途中や出力/膨張ストロークの終わり近くなど、ピストンリング間のポケットの圧力が燃焼室内の圧力よりも高いときに発生する可能性があります。 燃焼室内の圧力は膨張により低下しており、リング間ポケットの圧力が遅れています。 これは、そのようなポケットが比較的大きい場合、またはエンジンが部分負荷で動作している場合に発生する可能性があります。 このような場合、リング間の圧力によりオイルがリングパックを越えて燃焼室に向かって推進され、オイル消費に寄与する可能性があります。

逆ブローバイを回避するには、さまざまな設計手段が役立ちます。 たとえば、圧縮リングの数を 2 つに減らし、ピストン リング間のランドの高さを減らし、リング スロットの適切なサイズを設定することは、この点で有益です。

クランクケースベンチレーション。クランクケースの換気はオイル消費の主な原因となる可能性があります。 クランクケースの排気ガスにはオイルミストと蒸気が含まれています。 したがって、クランクケースガス換気システムには、クランクケースガスからオイルミストを除去するためのコアレッサータイプのフィルターが装備されています。 このようなフィルターが飽和または過負荷になると、クランクケースのガスが濾過されずに漏れ、エンジンの体感的なオイル消費量が大幅に増加する可能性があります。 フィルターのドレンラインが詰まり、分離されたオイルがサンプに戻る流れが止まった場合にも、同じことが起こる可能性があります。

潤滑油の揮発性。オイルに関する限り、オイルの品質、基油の種類、粘度が異なると、高温にさらされたときの揮発性のレベルも異なります。 揮発性の高い油は蒸発により多くの部分を失い、油の消費につながります。 ストレートランベースストックを使用して配合されたガスエンジンオイルは、より重いベースストックとより軽いベースストックのブレンドを使用したオイルよりも利点があります。これは、より軽い留分がより容易に蒸発するためです。

エンジンの自然オイル消費量は、エンジンに適切な潤滑油を選択する際の重要な基準となる場合があります。 これは、オイルの消費量が灰の処理量を決定するためです。 たとえば、1 日あたり 5 リットルのオイル (1 日あたり 4.4 キログラム) を消費するエンジンについて考えてみましょう。 これが 0.5% (重量比) の灰分を含む低灰分オイルであると仮定すると、毎日約 22 グラムの灰が燃焼室を通過することになります。

同じエンジンが 1 日あたり 9 リットルを消費するとすると、毎日約 39 グラムの灰がエンジンを通過することになります。 この灰処理量の増加は、1 日あたり 5 リットルのオイルを消費するエンジンを 0.9% (重量比) の灰分を含む中灰分オイルで潤滑するなど、別の方法でも達成できます。 これは、1 日あたり 39 グラムの灰処理量にも相当します。

灰の処理量の増加は、排気バルブを保護する必要がない限り、上記の理由により望ましくない。 排気バルブの保護の強化（したがってシリンダーヘッドの寿命の延長）は、より高い灰処理量による悪影響と引き換えに行われます。 上で述べたように、燃焼室の汚れの割合が高く、そのため洗浄の頻度が高くなり、ライナーの摩耗率が高くなり、排熱回収ボイラーの汚れの割合が増加し、触媒の寿命が短くなるリスクを考慮する必要があります。 。 したがって、潤滑油灰分含有量は、ガスエンジン用の潤滑油を選択する際に考慮すべき重要な特性となります。

オイル消費量は、エンジン、特にピストン リング パックとライナーの状態を示す優れた指標です。 まず、トップリングの溝にカーボンが充填されると、トップリングの機能が妨げられ、ブローバイやオイル消費量の増加が避けられません。 次に、ライナーのボア研磨の合図になります。ピストントップランドのカーボン堆積によってホーニングパターンが磨耗すると、油膜の厚さが増加し、オイル消費量が増加します（図7）。 第三に、ピストン リングの破損などの異常を示すのに役立ちます。

7. 重いトップランドカーボン堆積物 (左) と対応するボア研磨 (右)。 提供: ペトロ・カナダ潤滑剤

オイル消費率の増加は、新油の出費の増加を意味するだけでなく、灰の処理量の増加を意味し、エンジンの状態を悪化させ、上記で説明した他の悪影響を引き起こします。 したがって、オイルの消費率を監視することが重要です。 潤滑剤の補充流量を監視するように設計された低流量オイル メーターを利用するのが理想的です。通常、新油補給タンクの後、エンジンのオイル レベル コントローラーの前に取り付けられます。 このメーターは、オイル消費量を記録するために、定期的な運転時間間隔で読み取って記録する必要があります。

分析のためにオイルサンプルを提出するときは、補充量を報告することをお勧めします。 オイルのサンプリングが一定の運転時間間隔で行われる場合、補充量は同じままである必要があります。 このようにしてオイル消費量の増加に簡単に気づくことができ、ボアスコープ検査などによって調査を開始できます。

この論文では、慣性スローオフと逆ブローバイによるピストン リング パックを通る経路、バルブ ステムとターボチャージャーのシール、クランクケースの換気、潤滑油の揮発性など、ガス エンジンにおけるオイル消費のメカニズムを調査しました。 私たちは、潤滑油膜の厚さが及ぼす影響を実証しました。油膜が厚いと、より多くのオイルがリング パックを通過するのに寄与し、油膜が薄いと、より多くのオイルがバルブ ステム/ガイド インターフェイスおよびターボチャージャー シールを通過できます。

定置式ガスエンジンの場合、過剰な灰の堆積を生じさせずにエンジンを十分に保護するために、適切な灰レベルの潤滑剤を選択することが非常に重要です。 エンジンを通過する灰の総量は、オイル灰分含有量の関数であるだけでなく、オイル消費量にも大きく依存します。 毎日のオイル消費率を理解して監視することは、エンジンの信頼性に関する重要な洞察を提供し、早期摩耗の原因となる可能性のある状態を特定するのに役立ちます。 使用済みオイル分析、フィルター分析、目視検査を補完する必要なツールです。

—Thijs Schasfoort と Clinton Buhler は、Petro-Canada Lubricants のシニア テクニカル サービス アドバイザーです。

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