エンジンオイル

エンジンオイル  とは、エンジンに使用するための油であり、様々な機能のために使用されるが、主となる潤滑作用を元に潤滑油とも呼び、モーターオイル  と呼ぶこともある。

ここでは、主に自動車やオートバイなどに使われるエンジン用のエンジンオイルについて述べる。

1. 概要
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エンジンの動作に必須であり、エンジン内各部へ行き渡ることで後述するような様々な機能を担っている。

自動車やオートバイで多く採用される4ストロークエンジンでは、エンジンオイルはエンジン内各部を循環している。停止時のエンジンオイルは、ウェットサンプエンジンならエンジン底部に取り付けられているオイルパンに、ドライサンプエンジンなら独立したオイルタンクに溜まっているが、エンジンが稼動し始めるとオイルパンやオイルタンクにあるオイルがオイルポンプにより吸い上げられ、オイルフィルターやストレーナーなどを通ってろ過され、車体の前部に取り付けられた空冷式オイルクーラーやエンジン内部の水冷式オイルクーラーを通って冷却され、クランクシャフトやシリンダー壁、動弁機構など、エンジン内の各部へ圧送される。その後、オイルパンやオイルタンクへ戻ってくる。エンジン稼動中にはこの循環が繰り返されている。一部の車種ではオイルパンからオイルポンプを通ってフィルターを通り、オイルパンに戻る濾過のみのルートを別に持つ車種もある。また湿式クラッチや変速装置の潤滑などと兼用されているものもある。

4ストロークエンジンオイルは、エンジンの発する高熱に曝されたりエンジン内に発生した汚れを自らの中に取り込んだりして、徐々にその性能は劣化していく。そこで一定期間ごとにオイルを交換したり補充することで、その性能を回復させる必要が生じる。

かつての一部の自動車、現在でも主に小排気量のバイク、その他チェーンソー等で使用される2ストロークエンジンでは、エンジンオイルは燃料に少量ずつ混ぜられ、クランクシャフトやシリンダー壁を潤滑した後に燃料と共に燃焼し、排気ガスの一部として排出される。そのため、4ストロークエンジンと違ってオイルは循環せずに使い切りである。オイルの量は減少していくので、適時補充する必要がある。

エンジンオイルは、危険物第4類第4石油類に分類される。

2. 役割
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エンジンオイルには、主に以下のような作用がある。

潤滑
冷却
気密保持
清浄分散
防錆防蝕

2.1. 潤滑
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レシプロエンジンでは金属製のシリンダー内をピストンが毎分数千回上下するほか、クランクメタルやカムなど、金属同士がこすれ合うことによる摩擦によって、金属の磨耗や発熱を生じる。それらを流体潤滑作用・弾性潤滑作用・境界潤滑作用により、摩擦を軽減し、エンジン内各部を潤滑するのが、エンジンオイルの重要な作用である。ロータリーエンジンでは、金属製のハウジングとローターのシール類の潤滑のために吸気に少量のオイルを付加して潤滑している。

2.2. 冷却
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エンジンオイルがエンジン内各部を巡る際に、エンジンで発生した熱を奪うことでエンジンを冷却することも、重要な作用である。オイルに蓄えられた熱は、空冷式や水冷式のオイルクーラー、あるいはオイルパン等で冷却され、冷えたオイルはオイルポンプによりまたエンジン各部へ送られる。

エンジンオイルによる冷却作用は、空冷エンジンだけでなく水冷エンジンでも重要である。エンジンの構造上冷却水を循環させられない箇所も多く、そういった箇所の冷却は水冷エンジンでもエンジンオイルの冷却作用に頼るしかないからである。

空冷エンジンではシリンダーやヘッド、クランクケースにフィンを設けて冷却を行っているが、高熱となるヘッドのバルブガイドやプラグ周辺には多めのオイルを供給して冷却している。このため、高負荷となる空冷エンジンではオイルクーラーを装備することが多い。また多くの高出力エンジンでは、ピストン裏にオイルを噴出させて冷却している。

通常の空冷エンジンよりもオイルをヘッドに積極的に供給して放熱を強化した油冷エンジンというものも存在する。スズキは過去にSACSという油冷エンジンを販売していた。現時点ではホンダのCB1100が油冷を併用したエンジンを使用している。

過給器付きのエンジンの場合、タービンハウジングは排気温度により熱せられ、赤く発光するほどである。そのタービンシャフトの保持や冷却もエンジンオイルに頼っていたが、最近ではクーラントによる冷却も併用されている。高回転しているタービンの軸受けへのオイル供給が停止されると、金属同士が直接摩擦することで焼きつきが起こりタービンが破損するので、ターボエンジン搭載車では、「高速走行直後はしばらくアイドリングした後にエンジンを止めて下さい」といった内容の注意書きがある。また同じ理由でターボエンジン車にはアイドリングストップ機構を装備していないことが多い。

2.3. 気密
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シリンダーとピストンは完全に密着している訳ではなく、熱膨張に対応する面とピストンが運動できるように隙間が設けてあり、またピストンリングにも切れ目がある。この隙間に入り込んで両者を潤滑するとともに気密性を保持するのも、エンジンオイルの重要な作用である。エンジンオイルはそれらの表面に液体の膜を形成する。

もし、この油膜の保持が不十分であればシリンダーに取り込まれた気体が燃焼室から漏れてしまい、正しい燃焼ができなくなる。また、点火した後に膨張した燃焼ガスも同様に漏れてしまい、本来の出力を得ることができなくなる。またオイルが動弁系のシールから漏れて燃焼室に入るとオイル下がりとして排気ガスに白煙を発生する。またピストンリングの不良でクランクケース内の油煙が燃焼室に入るとオイル上がりと称して排気ガス白煙を発生する。

シリンダーとピストンの間隙は使用するに従い徐々に増加すると共に、工作精度が低いエンジンなどはこの間隔が広いため、古いエンジンにとってこの気密特性はより重要である。一方、工作精度が高くクリアランスが狭い・加工技術によって元々の気密性が高いエンジンにとっては、適度な気密特性が必要となる。

2.4. 清浄分散
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エンジンが稼動すると、その燃料の燃焼過程で主に酸化による化合物やスラッジ等の「汚れ」が発生する。これらの汚れは故障の原因となったり、エンジンの寿命を短くする一因となる。これを防ぐために、エンジン内に発生した汚れを取り込み分散させたり、酸性化を中和するのも、エンジンオイルの重要な作用の1つである。大きなスラッジやゴミはエンジンオイルフィルターによってろ過されるようになっている。

こういった作用を持つために、2ストロークエンジン用オイルとは違って4ストロークガソリンエンジン用エンジンオイルではオイルが使用経過と共に汚れていくのは、エンジン内の汚れをオイル内に取り込んでいる結果だからである。ただしこの能力には限界があるために、一定期間ごとに交換する必要がある。なお、オイルの色が黒くなるのは、燃焼で発生した炭化物を取り込むためであり、色の黒さとオイルの劣化は必ずしも平行しない。ディーゼルエンジンでは炭化物の発生が多いために早期にオイルが黒くなるが、これは必ずしも劣化が原因ではない。

また、給気によって燃焼室に入り込んだ粉塵を洗浄する役割もある。エアフィルターを通して吸気していても、フィルターの目よりも細かい物質は通り抜けるので、それらを取り込んで、粉塵による摩擦を低減させる作用がある。

2.5. 防錆防食
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燃料は燃焼によって水分を生じる。また、エンジン内外の気温差による結露によって内部に水分が発生することがある。これらの水分がエンジン内部の部品に錆や腐食を発生させる原因となる。また、燃焼ガスやブローバイガス、あるいはエンジンオイルそのものの劣化などから発生する化合物も、エンジン内を腐食させる。錆や腐食はエンジンの寿命を短くする一因であり、これらの発生を予防するのもエンジンオイルの重要な作用である。

少ない走行距離を頻繁に繰り返す用途ではオイルの温度が上昇せず、燃焼に伴って発生した水分が蒸発しないためにオイルに水分がたまり乳化することがある。基本的にエンジンは適度な温度で稼働することが前提であり、エンジンオイルの温度が低いと粘度上昇による燃費悪化や乳化、発錆がおこり、高温では粘度低下や変質による潤滑性能低下による焼き付きなどが起きやすい。

3. オイルの分類
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3.1. 対応するエンジン形式による分類
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自動車やオートバイ用のエンジンオイルは、以下の3種類に大別することができる。

4ストロークガソリンエンジン用オイル ガソリンを燃料とする4ストローク機関に対応したエンジンオイル。エンジンの使用経過により性能が低下するために、一定期間ごとに全量を交換するのが一般的整備方法となる。後述する2ストロークエンジンが、自動車排出ガス規制等により一般的でなくなってきている現在では、通常「エンジンオイル」といえばこのタイプを指すことが多い。なおロータリーエンジンは４ストロークエンジンに分類されるが、潤滑のために少量のオイルを燃焼室に注入するポンプがある。 2ストロークガソリンエンジン用オイル ガソリンを燃料とする2ストローク機関に対応したエンジンオイル。4ストロークと違い、2ストロークではエンジンオイルは燃料と混合され燃焼してしまうために、交換せずに補充するのが一般的整備方法となる。2ストローク用のオイルはガソリンと混ざりやすく、十分な潤滑性能をもちつつ燃焼しやすく発煙が少ないことが要求される。 一般的な自動車やバイク用の2ストロークエンジンでは、専用のオイルタンクがあり、エンジン回転数とアクセル開度によって適切な量のオイルがポンプによって自動的に混合気に混ぜられる。オイルの自動供給機構がないエンジンでは、あらかじめガソリンに一定の比率で混ぜておく必要がある。ちなみに、前者の方式を「分離給油」、後者の方式を「混合給油」と呼ぶ。 2ストロークエンジンの排気は燃焼温度が低いために窒素酸化物が少ないかわりに、吸気の吹き抜けや燃え残りによる大量の炭化水素を含んでいる。排気対策として、排気に空気を供給し炭化水素を燃焼させる必要があるが、処理の難しい窒素酸化物の処理が不要という利点もある。このため、ホンダは平成10年自動車排出ガス規制に対応した触媒を装備したリード100を2003年まで、ジャイロを2008年まで販売していた。トヨタも初代エスティマに搭載予定の2ストローク「S2」エンジンを開発したが、冷却や燃費の問題と今後強化が予想される排気対策のために実用化されなかった。ディーゼルエンジン用オイル ディーゼルエンジン
に対応したエンジンオイル。燃料や燃焼の仕組みの違いから、4ストロークガソリンエンジンとは特性が異なり、炭化物や酸化物の発生が多いため、これらに対する性能を強化した専用のものが用意される。ただし、一定期間ごとに交換する点などは4ストロークガソリンエンジン用と同じである。以前は4ストロークガソリンエンジンと共用できるオイルが多く存在したが、最新のディーゼルエンジンの排気対策装置が亜鉛、カルシウム、リン、硫黄などで性能が低下するため、これらの含有を低下させた専用の規格のオイルが使われ、規格併記で共用できるものは減少している。

3.2. ベースオイルによる分類
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エンジンオイルはベースオイルの種類や割合などにより次のように分類される。消費者が得られる情報として、化学物質等安全データシート。さらに色相や酸化安定性等を向上させるために水素化仕上が行われる。このようにして得られたベースオイルにAPIのグレードを実現するための認定を受けた添加剤を配合することで、API認定のグレードを持つ、あるいは同等の性能を持つオイルが完成する。

このようにして高度水素化分解などの改質を行ったものを超高粘度指数油