潤滑剤添加剤 - 実務ガイド

これらは、塩基価 (BN) と呼ばれるエンジン オイルの予備アルカリ度の基礎となります。  これらは通常、カルシウムとマグネシウムの化学物質です。  かつてはバリウム系洗剤が使用されていましたが、現在ではほとんど使用されていません。

これらの金属化合物はオイルが燃焼すると灰堆積物を残すため、高温での用途では不要な残留物が形成される可能性があります。  この灰分を懸念するため、多くの OEM は高温で動作する機器用に低灰分オイルを指定しています。  洗剤添加剤は通常、分散剤添加剤と組み合わせて使用されます。

分散剤

分散剤 are mainly found in engine oil with detergents to help keep engines clean and free of deposits.  The main function of dispersants is to keep particles of diesel engine soot finely dispersed or suspended in the oil (less than 1 micron in size). 

その目的は、汚染物質を浮遊状態に保ち、オイル内で凝集しないようにすることで、損傷を最小限に抑え、オイル交換時に汚染物質をエンジンから除去できるようにすることです。  分散剤は一般に有機で無灰です。  そのため、従来のオイル分析では簡単に検出できません。 

洗剤/分散剤添加剤を組み合わせると、より多くの酸化合物が中和され、より多くの汚染粒子が浮遊状態に留まります。  これらの添加剤は酸を中和し、汚染物質を浮遊させる機能を発揮するため、最終的にはその能力を超え、オイル交換が必要になります。

消泡剤

この添加剤グループの化学物質は界面張力が低いため、油の泡の壁が弱くなり、泡の泡がより簡単に破裂するようになります。  これらは空気と油の接触量を減らすことで酸化に間接的な影響を与えます。 

これらの添加剤の中には、潤滑油中に溶解せずに細かく分散する油不溶性シリコーン材料もあります。  通常は非常に低い濃度が必要です。  消泡剤の添加量が多すぎると、逆効果が生じ、さらなる発泡と空気の巻き込みが促進される可能性があります。

摩擦調整剤

摩擦調整剤は通常、エンジンとトランスミッションのコンポーネント間の摩擦を変更するために、エンジン オイルやオートマチック トランスミッション液に使用されます。  エンジンでは、燃費を向上させるためにフリクションを下げることが重視されています。 

トランスミッションでは、クラッチ素材の噛み合いを改善することに重点が置かれています。  摩擦調整剤は、接触温度によって活性化されない、より低い負荷のための耐摩耗添加剤と考えることができます。

流動点降下剤

オイルの流動点は、オイルが液体のままであるほぼ最低の温度です。  パラフィン系鉱物油中に形成されるワックスの結晶は、低温で結晶化（固体になります）します。  固体結晶は格子ネットワークを形成し、残りの液体オイルが流れるのを妨げます。 

このグループの添加剤は、オイル内のワックスの結晶のサイズと相互作用を小さくし、オイルが低温でも流動し続けることを可能にします。

解乳化剤

解乳化添加剤は、油の界面張力を変化させることにより、安定した油水混合物またはエマルションの形成を防ぎ、水が油から合体し、より容易に分離できるようにします。  これは、蒸気や水にさらされる潤滑剤にとって重要な特性であり、自由水が沈殿し、貯留層で容易に排出されるようになります。

乳化剤

乳化剤 are used in oil-water-based metal-working fluids and fire-resistant fluids to help create a stable oil-water emulsion.  The emulsifier additive can be thought of as a glue binding the oil and water together, because normally they would like to separate from each other due to interfacial tension and differences in specific gravity.

殺生物剤

殺生物剤 are often added to water-based lubricants to control the growth of bacteria.

粘着付与剤

粘着付与剤 are stringy materials used in some oils and greases to prevent the lubricant from flinging off the metal surface during rotational movement.

ブレンダーとエンドユーザーの両方に同様に受け入れられるためには、添加剤は従来のブレンディング装置で取り扱うことができ、保管時に安定し、悪臭がなく、通常の工業基準で無毒でなければなりません。 

多くは高粘度の物質であるため、通常、基油キャリア中の濃縮溶液として油配合業者に販売されます。

添加剤に関するいくつかの重要なポイント:
添加物が多ければ多いほど良いとは限りません。  「少量のものが良いものであれば、同じものをもっと多く使用する方が良い」という古い格言は、オイル添加剤を使用する場合には必ずしも当てはまりません。 

より多くの添加剤がオイルに配合されると、場合によってはそれ以上の利点が得られなくなり、場合によっては実際に性能が低下します。  場合によっては、添加剤の性能は改善されませんが、使用期間は改善されます。

特定の添加剤の割合を増やすと、オイルの 1 つの特性が向上する一方で、別の特性が低下する可能性があります。  添加剤の指定濃度のバランスが崩れると、オイル全体の品質に影響が出る可能性があります。 

いくつかの添加剤は、金属表面上の同じ空間をめぐって互いに競合します。  高濃度の耐摩耗剤をオイルに添加すると、腐食防止剤の効果が低下する可能性があります。  その結果、腐食関連の問題が増加する可能性があります。

オイル添加剤が劣化する仕組み

これらの添加物のほとんどは、以下によって消費され、枯渇することを理解することが非常に重要です。

1. 「分解」または故障、
2. 「吸着」を金属、粒子、水の表面に塗布し、
3. 「分離」 沈降または濾過によるもの。

吸着および分離のメカニズムには、添加剤の物質移動または物理的移動が含まれます。

多くの添加剤では、オイルの使用期間が長くなるほど、残った添加剤パッケージが機器を保護する効果が低下します。 

添加剤パッケージが弱まると、粘度が増加し、スラッジが形成され始め、腐食性の酸がベアリングや金属表面を攻撃し始め、摩耗が増加し始めます。  低品質のオイルを使用すると、これらの問題が発生する時期がはるかに早くなります。

こうした理由から、正しい業界仕様 (API エンジンのサービス分類など) を満たす最高品質の潤滑剤を常に選択する必要があります。  次の表は、エンジン オイル配合における添加剤の種類とその機能をより完全に理解するためのガイドとして使用できます。

上記の情報から、機器の潤滑に使用されるほとんどのオイルでは多くの化学反応が発生していることが明らかです。  これらは相互にバランスの取れた化学物質の複雑な混合物であり、尊重する必要があります。 

このような理由から、異なるオイルの混合や追加の潤滑添加剤の添加は避けるべきです。 

アフターマーケット添加剤および補助オイルコンディショナー

何百もの化学添加剤や補助潤滑剤コンディショナーが利用可能です。  特定の特殊な用途や産業では、これらの添加剤が潤滑の改善に役立つ場合があります。 

ただし、補助潤滑剤のメーカーによっては、自社の製品について誇張されたり、証明されていない主張をしたり、添加剤が引き起こす可能性のあるマイナスの副作用について言及していない場合があります。 

これらの製品の選択と使用には細心の注意を払うか、できれば使用を避けてください。  より良いオイルが必要な場合は、最初からより良いオイルを購入し、化学反応については自分が何をしているのかを知っている人に任せてください。  

多くの場合、最終配合物がテストおよび承認されていないため、アフターマーケット添加剤を使用すると、オイルや機器の保証が無効になります。  購入者は注意してください。

問題を解決するために市販の添加剤の使用を検討する場合、次のルールを覚えておくことが賢明です。

ルール #1         
添加剤を配合するだけでは、低品質の潤滑剤を高級な製品に変えることはできません。  低品質の完成オイルを購入し、その潤滑特性の悪さを特別な添加剤で克服しようとするのは非合理的です。

ルール #2         
臨床検査の中には、だまされて陽性結果が得られるものもあります。  一部の添加剤は、特定のテストをだまして合格結果をもたらす可能性があります。  添加剤の性能をより正確に示すために、複数の酸化試験と摩耗試験が実行されることがよくあります。  その後、実際のフィールド試験が行われます。

ルール #3       
ベースオイルは一定量の添加剤しか溶解（保持）できません。  その結果、溶解度が低いオイル、またはすでに添加剤で飽和しているオイルに補助添加剤を添加すると、単に添加剤が溶液から沈殿し、クランクケースまたは油だめの底に残ることを意味する可能性があります。  添加剤は、その主張または意図された機能を決して実行することはできません。

アフターマーケット添加剤を使用する場合は、潤滑システムに補助添加剤またはオイルコンディショナーを追加する前に、次の予防措置を講じてください。

1. 実際に潤滑の問題が存在するかどうかを判断します。  たとえば、オイル汚染の問題はほとんどの場合、不十分なメンテナンスまたは不十分な濾過に関連しており、必ずしも不十分な潤滑または低品質のオイルに関連しているわけではありません。

2. 適切な補助添加剤またはオイルコンディショナーを選択してください。  これは、市場に出ているさまざまな製品の構成と互換性を時間をかけて研究することを意味します。

3. 製品の有効性に関する主張を裏付ける、事実に基づくフィールドテストデータが利用可能であることを主張します。

4. 信頼できる独立したオイル分析研究所に相談してください。  追加の添加剤を追加する前に、既存のオイルを少なくとも 2 回分析してください。  これにより基準点が確立されます。

5. 特別な添加剤または調整剤を添加した後も、引き続き定期的にオイルの分析を受けてください。  この比較方法を通じてのみ、添加剤の有効性に関する客観的なデータを取得できます。

補助添加剤の使用に関しては多くの論争があります。  しかし、特定の補助潤滑添加剤が工作機械、極圧ギアドライブ、特定の高圧油圧システム用途などの一部の用途で摩擦を軽減または排除することは事実です。

空冷エンジンの例を尋ねられると、多くの人は最高級の空冷フラット 6 エンジン、いわゆる「ボクサー」エンジンで知られるポルシェ 911 カレラを挙げるでしょう。 「空冷 911」として多くの人に知られているポルシェのフラット 6 空冷エンジンの最終版は、1998 年モデル以降に生産中止となり、水冷エンジンが採用されました。これは、空冷エンジンを搭載して生産された最後の民生用自動車の 1 つです1、2。

対照的に、航空業界では空冷エンジンと水冷エンジンを組み合わせて使用しており、航空機のピストン エンジンの場合は空冷オプションを支持しています。航空業界が好むこの冷却方法は、航空エンジンオイルに無灰分散剤が広く使われている理由を示唆しています。

ヒマシ油は潤滑性が優れているため、航空時代の初期には航空機用油として選ばれていました。これらのオイルは、1925 年から 1935 年頃に鉱物ベースのオイルを支持するために廃止されました。当時、これらのオイルには添加剤が含まれておらず、今日のエンジンと比較してオイル消費量が非常に多く、定期的な補充が必要でした。

無灰分散剤などの添加剤は、エンジンオイルの消費量を削減します。しかし、航空エンジン油における無灰分散剤の重要性を掘り下げる前に、無灰分散剤とは何かを理解することが重要です。無灰分散剤は、エンジン内に金属堆積物が形成されるのを防ぎます。金属堆積物は、過早点火を引き起こし、エンジンに致命的な損傷を与える可能性があります。3 無灰分散剤は、蓄積した灰をエンジンのコンポーネントから分散させることで、蓄積や過度の摩耗を防ぎます。

航空機所有者および操縦士協会 (AOPA) は、「無灰分散剤オイルには、破片を除去してフィルターまたはスクリーンに運ぶのを助ける添加剤が含まれています。」と述べています4。AOPA はさらに、「航空機エンジンの摩耗が比較的高く、シリンダーリングやバルブを通過する燃焼酸やその他の汚染物質の量を考慮すると、これは非常に重要な品質です。」と述べています。実際、無灰分散剤は不要な破片を取り囲んで、破片が沈降して摩耗や過早発火などの損傷を引き起こすのを防ぐ働きをします。5

航空機のピストン エンジンは、多くの点で、特にパワーバンドにおいて、現代の自動車エンジンの設計と構造から逸脱しています。自動車エンジンは通常、毎分約 6,000 ～ 7,000 回転 (rpm) のレッドラインを持ち、一度に数秒以上ピーク出力で動作することはほとんどありません。一方、航空機エンジンは通常、約 2,700 rpm でピーク出力を出力し、動作の大部分でこのレベルで動作します6。最高値は第二次世界大戦 (WWII) の航空機のエンジンであり、ピークは 3,200 rpm でした。 

もう 1 つの違いは、これらのタイプのエンジンを設計する際の全体的な目標にあります。現在、自動車業界は、ダウンサイジングによる燃費の向上と、ドライバーと同乗者の両方に利便性を提供することに重点を置いています。対照的に、飛行機のエンジンは信頼性とシンプルさに重点を置いています。その代表的な例がロッキード コンステレーションです。これは第二次世界大戦中に使用された航空機で、4 発エンジンの設計にもかかわらず、海外での飛行では途中で 1 発のエンジンが故障することが多かったため、「最も安全な 3 発エンジンの飛行機」と名付けられました。

第二次世界大戦中、水冷エンジンは主に V12 設計であったのに対し、空冷エンジンは 1 つ星あたり 7 ～ 9 個のシリンダーを備えた星形の単星または双星設計でした。第二次世界大戦中に電力密度は急速に増加しました。航空機のエンジンは排気量 20 ～ 50 リットルで、多くの場合ターボチャージャー付きで、最初にドイツで発明され、後に連合国によって過給されました。使用される燃料のオクタン価は、通常は 90 オクタン以下でしたが、戦時中は 100 オクタン、さらには 150 オクタンまで上昇しました。これは、鉛と硫黄を含まない今日の 100 オクタンとはまったく対照的です。

これらのエンジンは約 50 馬力/リットルを発生し、水メタノール噴射により最大 90 秒間 50% 過給することができました。現在、量産ガソリン乗用車エンジンの出力は 100 ～ 150 馬力/リットルであり、過去 1 世紀にわたってエンジン技術は大幅に進歩しました。第二次世界大戦中に双方を悩ませた問題の 1 つは、敵と接触していないときでもエンジンの信頼性でした。メンテナンスが不十分で不足していたために、添加剤に関する知識が不足しており、その結果として早期発火、煤や堆積物が形成され、大きな問題が発生しました。合成エンジンオイルと機能性添加剤の誕生です。ドイツ空軍が使用した基油は、極圧/耐摩耗添加剤「メスルフォール II」(硫黄担体) と混合されたポリエチレン オイル 7 との無灰ジエステル ブレンドでした。 1944 年、アメリカ空軍の P-38、P-47、P-51 および B-25⁸ 戦闘機は、ブリヂストン (ユニオン カーバイド) 無灰ポリプロピレン グリコールの使用を開始しました。どちらのオイルも第二次世界大戦後に使用されなくなりましたが、ポリアルキレン グリコール (PAG) には依然としてある程度の自浄作用と分散作用があります。

1960 年代の自動車エンジンを現代のエンジンと比較すると、明らかな変化と進歩が見られますが、2 つの航空機エンジンを比較すると、2 つのエンジンが非常によく似ていることがわかります。図 2 と 3 は、1967 年と 2015 年の 2 つのエンジンの比較を示しています。

自動車エンジンと航空機エンジンを比較することは、航空エンジン オイルでは無灰分散剤が依然として一般的であるにもかかわらず、自動車エンジン オイルについて議論する際にはほとんど言及されない理由を理解するために非常に重要です。 Google で「無灰分散剤」を検索すると、航空機エンジンおよび航空機エンジン オイルに関連するほぼすべての結果が表示されます。新しい自動車の高度な技術は、タンク内の燃料を最大限に活用するためにエンジンを可能な限り初期の状態に保つように設計されており、電気自動車にはエンジンオイルが必要ないことは言うまでもありません。しかし、古い航空機のピストン エンジンの設計は 1960 年代の自動車エンジンに似ており、エンジン内に残留する堆積物に依存しており、耐用年数を通じて「新品同様」の状態で動作するように設計されていません。

その結果、自動車メーカーは完全合成の中程度の SAP (硫酸灰分) を推奨する傾向があります。 <0.80 wt.-%) or low SAP (sulfated ash <0.50 wt.-%) oils with complex additive packages, while aircraft manufacturers generally endorse two more basic oils: straight mineral oil and ashless dispersant mineral oil. SAP stands for sulfur, ash and phosphorus. Straight mineral oils (API Groups I-III) are essentially oils produced from a refinery and are often recommended for the break-in period of new aircraft piston engines.

AeroShell の元潤滑専門家、Ben Visser 氏によると、「以前はシリンダーの潤滑には仕様を満たすために従来の硬質クロム処理が必要で、摩耗粒子が研磨材として機能していました。」13 慣らし運転期間の後は、追加の望ましくない堆積物を防ぐために推奨事項が調整されます。ほとんどの航空機メーカーは、慣らし運転期間後に余分な金属粒子や汚染物質を除去するために、ストレート鉱油の代わりに無灰分散油を使用することを推奨しています。

航空機のピストン エンジンにおけるこれらの無灰オイルの耐久性にもかかわらず、無灰分散オイルの長期耐久性には潜在的な課題が 1 つあります。それは電動航空機です。 2014 年、クラウス オールマンは 2 人乗り e-Genius で 7 つの世界記録を樹立しました。これらには、時速 142.7 マイル (229.7 km) の速度記録と総飛行距離 313 マイル (504 km) が含まれます。これらの結果は、すべての航空機の文脈において画期的なものではありませんが、e-Genius が動力源として電気モーターとバッテリーのみを使用してこれらの偉業を達成したことを知ることは、それ自体が注目に値する成果です。 14、15 さらに驚くべきことに、e-Genius は、燃料動力の 2 人乗り航空機で同じ距離を移動するのに必要なエネルギーの 5 分の 1 しか消費しないということです。 15 これらの結果は電気航空機の将来にとって有望ですが、航空機燃料にとっては何を意味するのでしょうか?

ドイツのシュツットガルト大学の「e-Genius」は未来的なグライダーのように見えますが、より複雑な電気飛行機のコンセプトは他にもあります。全電気航空機からハイブリッド航空機に至るまで、航空業界では未来のビジョンとしての電化が「流行」しています。エヴィエーションは、推定航続距離600マイルの9人乗りコミューター航空機「アリス」を発表した。エアバスは、エンジンの1つを2メガワットの電気モーターに置き換え、より多くの乗客を運ぶことができるeファンXを発表した。 NASA の実験用全電動 X-57 航空機は、巡航用の大型電動翼端エンジンと、離陸用の折りたたみプロペラを備えた 12 個の小型電動モーターを備えています。

垂直離着陸 (VTOL) 航空機も電動航空機のカテゴリです。彼らは、着陸パッドのみが必要なため、地域の航空交通と都市中心部を結ぶ「都市航空タクシー」に焦点を当てています。例としては、CityAirbus、Daimler Velocopter、Boeing NEXT、Lilium ジェットなどがあります。

世界が電気技術に向かって進んでいることは明らかです。この技術はすでに自動車業界に定着しており、シボレー ボルト、日産リーフ、トヨタ プリウス プライム、およびテスラのラインナップの売上が年々増加しています。 e-Genius のような航空機も、この技術が航空業界と共有される可能性を示していますが、電気航空機の出現が航空エンジン潤滑剤の死を意味するわけではありません。

General Aviation News によると、一般航空* 航空機の平均機齢は 50 年で、平均製造年は 1970 年です 20。これに比べ、平均的な消費者用自動車はわずか 12 年で、平均製造年は 2008 年です 21。理論的には、これは、新しい機能や規制が 2032 年まで義務化されないことを意味します。これにより、良くも悪くも航空技術を変更することが難しくなります。航空エンジンオイルの場合、このことが複雑な添加剤パッケージを備えた全合成油などの技術の航空機への採用を妨げていますが、代替燃料や排出基準の厳格化に対する現在の世界的な関心の中で無灰分散剤が生き残るのにも役立っています。

航空と電動化の間には明らかに競争があります。目標は CO2 ニュートラルな輸送を実現することであり、この点では航空業界が自動車業界よりも先を行っています。従来のジェット燃料の主要な仕様である ASTM D7566 には現在、持続可能な航空燃料 (SAF) のさまざまな経路を定義する 7 つの附属書があり、最大 50% の SAF をバイオマス資源やプロセスなどのさまざまな供給源から生産することができます。これは内燃機関の設計図になる可能性があります。 BMWは最近、HVO100として知られる100%再生可能ディーゼル燃料を承認したと発表した。 HVO100 は炭化水素ディーゼルの化学レプリカです。ポルシェは、再生可能エネルギーを使用して CO2 と水素から生成される合成燃料または電気燃料の開発を推進しています。別のオプションは、フォルクスワーゲンが R33 BlueDiesel で提案したように、燃料を 33 vol.% の水素化廃食用油と混合して石油ディーゼルを製造することです。

航空機エンジンの機械構造は過去半世紀にわたってほとんど変わっていませんが、自動車エンジンの機械構造は大きく変化しています。開発の歴史におけるこの大きな違いにもかかわらず、電気技術は今後数年間で両方の業界に浸透すると予想されます。これは航空機エンジン潤滑剤の使用量の減少につながる可能性がありますが、単純なピストンエンジン設計を備えた古い航空機が引き続き存在することにより、無灰分散型航空エンジン潤滑剤が引き続き存在する可能性が高くなります。無灰分散潤滑剤は、今後数年間は多くの新しい開発や改良は見られないかもしれませんが、航空機と同様に、今後長年にわたって存在し続ける可能性があります。