Oil control ring
一応完成したのですが、オイル上がりが気になります。
前のエンジンでは回るか回らないかで苦労したため、細かいことは気になりませんでした。
今回ははじめから回ったため、ちょっとオイル量が多すぎると排気が真っ青でオイルが上がってきてしまうのが気になりました。
リングを２つにしてしまったため（圧縮リングだけ）が主たる原因でしょうか。
また潤滑を良くするため量を増やすと極端にオイル上がりが起きてしまいます。
まず全体に分散するようオイルポンプを作りました。
I omitted oil ring in Cirrus piston, but it exhausted mixture of oil .
I made oil pump and oil ring.
 出来上がったオイルポンプです。本来はドライサンプに近い潤滑形式を取っているエンジンなのでポンプを駆動できるようになっています。 省略していただけなのです。 Cirrusは飛行機用エンジンですので、背面飛行もあります。スプラッシュタイプの潤滑では本来まずいです。 Finished oil pump. |
 オイルポンプはエンジン後面の非常に狭いところにセットしなければなりません。そのため試作したものです（取りつけフランジがきれいにできなかったり、出入り口が逆だったり、要するに失敗作です） Two failed. |
 次はピストンにオイル抜きの穴を開けます。基準点をピストンピンのセンターにしました。スコープでセンター出しをしています。 Set the original point using center finding scope and wrist pin. |
 穴あけをしています。傷つき防止のための薄板はアサヒスーパードライの空き缶ですね。Drilling the oil path. You can see the thin protecting aluminum plate made from Japanese most famous canned beer "Asahi super dry" |
 オイルリング溝きりと穴あけが終わりました。下にも書いてありますがオイル抜きの穴は半分リング溝にかかり、半分はピストン表面に露出です。Finished to cut oil ring groove and to drill the oil path. |
 オイルリングの作成です。デンスバーから作ります。右半分が仕上げバイト、左半分が荒削りバイトでの切削面です。 Now starting to turn oil ring. Right half: finishing Left half: Rough cut |
 研磨仕上げをしました。＃２０００の耐水サンドペーパーで仕上げてあります。もう少し鏡面にしたいのですが手元には＃２０００までしかありませんでした。この後＃３０００，＃５０００（ドイツ製だそうです）を購入しましたが今回は間に合いませんでした。 Finished with #2000 wet&dry sandpaper. |
 切り出したリングをのバリを取っています。今回は治具にはめ込んで研磨しました。指先が減らず作業効率がぐんと上がります。 Deburr with polishing jig. You can see it in MEB issue 5. |
 内側のバリを取っています。２０φのアルミ棒に＃４００の耐水サンドペーパーを張ってあります。Deburr inside edge. |
 アシスタントのカリンです。My assistant Karin. |
 リングカット用のサーキュラーソーホルダーを作りました。市販のものは刃を押さえる部分の径が細く刃が振れてしまい調子よくなかったので作りました。 I made circular saw holder. |
 上のホルダーを使いリングはアルミ板でしっかりはさむと０．１５mmの刃厚通りの幅でカットできました。Cut with that holder. I could cut ring very precisely. |
 次はオイルリングの熱処理です。処理用のケージにリングを入れこれから電気炉に入れます。 その際、酸化しないように液体窒素に漬けています。 −２００度で沸騰しています。 I do annealing of the ring. Before annealing, to prevent oxidation of the rings, I used liquid nitrogen |
 電気炉に入れました。Set in the electric kiln. I bought it for this purpose. |
 ６００度で１０分間。熱処理について今回分かったことを下に書きました。 Annealed at 600 degree centigrade for 10min. |
 炉から取り出したケージです。一部酸化していますRing cage just after annealing. |
 ケージを開けました。リングが６本入っています。 Open the cage. You can see 6rings. |
 リングの拡大。階段状になっています。 Close up view of the ring. |
 ピストンにセットしました。Set on the piston. |
 オイル上がりはなく回ります。しかし数分で止まってしまいました。リングをあまりにきっちり作りすぎたようです。アンダーサイズの物を作り直しました。またリング溝もあまりにぴったりすぎました。少し追加旋削をしました。 調子よく回るようになりブレークイン中です。 I made rings too tight, 0.01mm over the inner diameter of the cylinder and cut the groove too shallow, just with ring 1.00mm, Cirrus stopped after 2 minutes of running. I had to make another rings and recut the groove. It runs well. |
今回ピストンリングでいろいろ経験しました。リングの数、オイルリングの形、熱処理、リングブレークインについて考察してみました。以下余興です。
| ピストンリングの数について モデルエンジンのピストンリング数について考えてみました。 実用エンジンではCompression ring 2, Oil control ring 1が圧倒的に多いようです。 エンジン工学書によればディーゼルなどでは５とか７というものもあるようです 第二次大戦中の日本の誉エンジンは５ Rolls-Royce Merlinでも５つくらい入っているように見えます 模型のエンジンでは排気量の小さいものは無し、６０クラスのエンジンで２本が多いでしょうか。 この差はどこから来るのでしょう。 まず大きさ。排気量．０１立法インチ０．１６ccくらいのエンジンのピストンにリング３本は入れてもあまり意味がなさそうです。 しかし６０のエンジンだと約１０cc 大きさだけで云々できるレベルではないようです。 一番の差は燃料の違いではないでしょうか。 模型エンジンはグロー燃料を使っています。 グロー燃料は大量の潤滑油を混入しています。ならし運転用ストレートだとひまし油が２５％以上入っているものもあるでしょう。 オイルは常に燃焼室だろうとクランクケースだろうと入り込みます。 回っている間はどこもかしこもオイル漬け状態。 特にオイル上がりを云々するような状態ではないと思うのです。 ということでオイルリングは必要ないのでしょう。 これに対し４サイクルガソリンエンジンでは特殊なもの以外はガソリンのみ。何らかの潤滑を考慮しなければあっという間に焼き付くでしょう。 このためクランクケース内にオイルをためてコンロッドや匙状のものではねかけたり、あるいはオイルポンプで強制潤滑したり。 燃えることを前提として混合されているグロー燃料の潤滑油とは性質が全く異なるオイル。 これが燃焼室に入り込んではまずい。ということでオイルコントロールリングが必要なのでしょう。 ピストンも多くはアルミ合金。ピストンだけで圧縮が十分得られるほどきっちり作ってしまったら熱膨張でエンジンは止まってしまいます。少し小さめのピストン。これで十分な圧縮を得るためのリング。 経験と実績で圧縮リング２ オイルリング１になったのでしょう。 私のCirrusはこの違いを良く理解しないでオイルは跳ねかけ、リングは圧縮リングのみで作ってしまったわけです。シリンダー内はグローエンジン、クランクケースはガソリンエンジン。これではうまくいかないわけです。 |
| オイルリングについて エンジン工学書を見るとオイルリングはかなり構造が複雑なものが多いです。それだけ重要な機能を持っているのでしょう。 オイル上がりについて製作者のRon Colonnaさんに相談しました。 最近は上に示したようなリングにして非常に調子よいとのことでアドバイスをもらいました。 実物エンジンから比べるとピストンは非常に小さい、されどオイルの粘性は変わらないということで排出性を考慮するとこういう形になるのかと思いました。 実用エンジンの様にリング溝の底に穴を開ける程度では穴が小さすぎて（0.5φ位しか開けられません）排出量が確保できないのでしょう。 この点については当工房メカニカルアドバイザーtetsuyaさんも全く同じ理論を展開して指摘してくれました。（Ronさんと同じ日にメールがきました） |
| 熱処理 ピストンリングの熱処理については以前も書きましたが、更に追加します。 鋳鉄(FCとかFCD）から作った円筒形のリングの一部を切断し、スプリング状に開くようにするためには熱処理が必要です。 エンジン工学書ではピストンリングは必要とする回転数、馬力などを書いてメーカに出せば所要の性能を備えたものを作ってくると書いてあります。模型ではこうはいかないので自分で作るしかありません。 Model Engine Builder Issue 3にRon Chernichがピストンリングの熱処理について書いています。 元々は１９８８年にTrimble とかProf.Chaddoc and Tom WalshawがSICに発表したものです。 Trimble は円筒状の容器の中に入れて８５０度C位に加熱するよう発表しています。 その後Tom Walshow は同じ容器で６００度で１５分くらいを提唱しています。 両者の差は明らかだそうです。８５０度まで加熱すると鉄はA1変態点７３０度を超えて加熱されるため硬さも靱性も明らかに低下してしまうそうです。（パーライトというらしい）またこの温度にしてしまうと注意しないと表面が酸化してしまいます。 ところが６００度までの加熱徐冷だとベイナイトという状態になり上の条件で作られたものより硬く靱性も高いものが得られるそうです。この操作はオーステンパというらしいです。また酸化の心配もないそうです。 （パーライトとかベイナイト、オーステンパについて断定的な表現をしていないのは資料により微妙に説明が異なっているためです） ではどうして２番目の操作をしないのかと言うことになります。 ８５０度だと色で判断できるのです。バーナーで加熱し全体が鈍い赤色になる温度が８５０度だそうです。 特に設備も何も必要なくバーナーで均一に加熱して赤くなったら止める・・・・これでOKです。 ６００度だとこういうわけには行きません。温度管理のできる炉が必要になります。 これは必ずしもいつでもどこでも誰でもというわけには行きません。ということで多くはTrimbleの方法を紹介しています。 私はさらに簡便なBob Shoresの方法でやってきました。 Bob 曰く「自分のエンジンを見てくれ、ちゃんと回っているだろう」 この一言の重み！ 作ったエンジン、どんなに理屈をこねても回らなければ意味がないのです。 自分でやってみないと分からない重みですね。 今回は電気炉を買ってしまいました。 |
| リングブレークイン Model Engine Builder Issue4 にageless engine のLee Hodgsonが書いています。 ピストンリングにもブレークインが必要なのだそうです。新品のリングはきわめて狭い領域でシリンダーと接触していて、次第に広い面積で接触するようになるそうです。あたりがつくのでしょうか（seatingという言葉を使っています）。潤滑性のある添加物を含んだオイルを使っていてはこの状態に簡単にならないそうです。 潤滑性添加物を含まないオイル(mineral oilと言っています)を使って、低速で５０時間くらいあるいはオイル消費が減少するまでの慣らし運転が必要だそうです。 この理論は第二次大戦中の飛行機のエンジンについて言われはじめたそうです。きわめて高精度の工作機械や技術を駆使して作られる現在のエンジンには当てはまらないかもしれません。しかし少なくとも私が作るエンジンでは絶対必要でしょう。 そのmineral oil とはどんなものでしょうか。なんと石油大手のSHELLが作っているそうです。 Aero Shell 65,80,100,120と用途に合わせ４種類も発売しています。そしてその説明にもブレークイン用と記載されています。第二次大戦以前の飛行機が現役で飛んでいる国ならではですね。 アメリカではローカルな空港でも８０，１００のどちらかはたいてい手にはいると書いてありました。 （制式名称はMIL-L-6082あるいはSAE J-1966というそうです） 日本でもシェルのホームページを見ると製品情報としては載っていました。手に入るものなのでしょうか？ どなたかご存じの方ありましたら教えて下さい。 それにしても５０時間、自作エンジンだと寿命が来そう。 CIRRUS３時間ほど回っていますが、３０分くらいでオイルは真っ黒になってしまいます。 |
