誉 (エンジン)

誉は、中島飛行機と日本海軍航空技術廠発動機部が開発した航空機用空冷式レシプロエンジンである。第二次世界大戦後期の日本軍偵察機や戦闘機、爆撃機のエンジンとして採用された。

誉は海軍の制式名称で、略符号はNK9、試作名称は十五試ル号、陸軍制式名称は四式一八五〇馬力発動機、ハ番号はハ45およびハ145、陸海軍統合名称はハ45、中島の社内呼称はBA。

中島飛行機が量産した最後の航空用エンジンであった。

1. 概要
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1942年9月に生産が始まり、銀河、彩雲、疾風や紫電改など第二次世界大戦後期の陸海軍航空機にメーカーや機種を問わず幅広く搭載された。生産台数は型式ごとの生産数は記録が残っておらず詳細は不明だが、1943年は約200基、1944年は5,400基、1945年は3,150基となっている。

開発当時の航空用レシプロエンジンとしては欧米の主流に近い離昇2,000馬力を発揮可能で、なおかつ同クラスのエンジンよりも小型かつ軽量であった。しかしそれと引き換えに高い生産技術が要求され、また戦況の悪化に伴う生産環境の悪化からこの要求を満たすことができなかった。さらに燃料や潤滑油の質の悪化に起因するエンジン不調、軍の整備に対する認識の甘さに起因する問題など様々な悪条件が重なり、所定の性能を安定して発揮することができなかった。

設計主任者は中島の中川良一技師。中川技師は、戦後にプリンス自動車、日産自動車の役員を歴任、プリンス・スカイライン2000GT-R、R380、383の発動機の設計にも携わっている。

2. 開発経緯
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1930年代後半、中島はハ5系、栄、護といった空冷二重星型エンジンの開発を手がけていた。1939年12月。これに加えて中川良一技師らを中心とする設計陣は、7シリンダー×2列の14シリンダーエンジンの栄をベースに用い、この前列と後列のシリンダーを2つずつ増やして計18シリンダーとし、1シリンダー当り100馬力以上を発揮させることで、サイズ・重量をそれほど大きくせずに2,000馬力級の次世代エンジンを開発する計画を立てた。

栄は1シリンダー当り70 hp程度を発揮するエンジンであった。これに対して目標とする1シリンダーあたり100馬力以上を発揮させるには、クランクシャフトの回転数を増やし、吸気系統を改善、さらに高オクタン価ガソリンを使用してノッキングを防止するなどの対策が必要であった。さらにシリンダーヘッドの冷却フィン、クランクシャフトとコンロッドの軸受、クランクケース等にも性能を限界まで引き出すための設計を試みることとなった。

最終的に排気量35.8 L、初期目標出力1,800 hpという小型・小排気量かつ大馬力の設計案がまとめられ、海軍に提示された。これに対し海軍内部では賛否含めて大きな反響が起こり、結果、海軍航空技術廠と共同で官民一体の開発プロジェクトが立ち上げられることとなった。

開発開始の1940年はアメリカとの緊張が高まっていた時期であり、誉開発の成否は将来想定される日米開戦の行く末に係わるものとして官民の精力的かつ速やかな作業が行われ、過密なスケジュールだったにもかかわらず、予定より半年早い1942年9月には生産開始に至った。

1940年
2月 - 新型発動機「NK9」中島社内におけるエンジンの基本構想完了、海軍への構想の提出
9月 - 設計完了、海軍から中島に対する正式試作命令
1941年
2月 - 部品試作完了
3月 - エンジン組立完了
3月末 - 第一次運転及び性能運転完了
6月 - 公式第一次審査終了
6月末 - 第一次耐久運転終了
8月 - 公式第二次審査終了
11月 - 第一回DB機に搭載しての飛行実験開始
1942年
9月18日制式採用 - 「誉」と命名、生産開始へ
12月 - 大量生産本格化。従来はエンジン開発の開始から生産開始まで5年程度を要していたのに対して、初期構想提案から本格生産開始まで3年以下という期間は異例な速さと言えた。

3. 設計・技術
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誉の設計はベースとなった栄の設計を引き継ぎ、全体をコンパクトに纏めながらも、高出力化に伴って発生する諸問題を解決するために様々な新機軸を織り込んだ意欲的なものであった。

ボア×ストロークをベースとなった栄と同一の130 mm×150 mmとしたことにより、エンジン直径は1,180 mmに収まった。一方、シリンダーの前列と後列の中心間距離は冷却を良くするために栄の150 mmに対して220 mmまで伸ばされた。

前列と後列のシリンダーは正面から見て20度の位相差をもち、前列シリンダーの隙間から後列シリンダーが覗くStaggerという一般的な2列空冷星型エンジンのレイアウトである。

同時期に出現した同等出力の2列空冷星型エンジンに対し、誉の排気量の小ささは顕著な特徴となっている。例えばアメリカの2,000 hp級エンジンであるプラット・アンド・ホイットニー製R-2800-9は46 L、ドイツのFw190に搭載された空冷星型エンジンBMW製801も41.8 Lである。このように当時の出力/排気量比の水準は40 hp/L台であるのに対して50 hp/Lを狙った誉は極めて野心的なエンジンだったと言えるこの上の水準を達成したエンジンとして、スリーブバルブを採用してエンジン回転数を極限まで高めた水平対向エンジンのネイピア・セイバーなどがある。}}。小排気量で高出力を実現するにはクランクシャフト回転数やブースト圧を向上する必要がある。そのために誉では離昇回転数を栄二一型の2750 rpmから3000 rpmに、離昇ブースト圧を栄二一型の +300 mmHgから +500 mmHgまで高めている。

3.1. 冷却フィン
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空冷エンジンでは外部の気流によるシリンダー冷却の良し悪しが性能に直接現れる。中島の戸田康明技師が当時行った、シリンダーヘッドの冷却フィン構造と冷却効率の関係を調べた研究では、冷却フィンは厚さ1 mm・間隔3 mm、高さ70 mm程度で配置するのが最も効率が良いという結果が得られていた。ただし、実現には高アスペクト比かつ1 mm厚の板状物が密集している構造が必要となり、当時の鋳造技術では製造が難しいと考えられた。そのため、最初期に生産された誉では、構造を厚さ約2 mm・間隔約4 mmの冷却フィンとし、栄などと同じ砂型鋳造法で製造するものとした。

一方、同時期に冷却フィンの研究・開発を行っていた正田飛行機では、植込みひれ方式という独自の鋳造法により、薄く間隔の狭いフィン構造の製作に成功していた。植込みひれ方式とは、あらかじめ製作しておいた一枚一枚形状の異なるアルミニウム合金製の薄いフィンをシリンダーヘッドの鋳型にはめ込んでおき、そこに鋳込むことでフィン以外の部分を形成するという方法であった。海軍は、戸田技師が理想としたフィン構造が実現可能なこの方法に注目し、誉二一型から順次採用した。この冷却フィンは通常のフィンに比べ10〜15 ℃程度シリンダー温度を下げることができたと言われる。

しかし、植込みひれ方式はフィンを鋳型へ植込む手間がかかり、鋳造中に型枠の取り外しを要するなど大量生産には向かなかった。このため、戦争の進展に伴うエンジン増産に伴って、住友金属工業が当時行っていたブルノー方式[[ダイカストによるピッチ5 mm程度の冷却フィンに切り替えられた。

これについては諸説あり、ブルノー方式は増産要請や動員による熟練工の不足による妥協的な代替方式であり、生産効率が向上した代わりに植込みひれ方式による製品より冷却能力が低下したとする説空技廠製鋼部長等を勤めた川村宏矣は「植え込み法によってひれの厚さ0.8 mm、間隔2 mm、深さ48 mmのものまでが出来、冷却効果は油砂鋳型製の約6倍」と書き残しているsfn、植込みひれ方式はブルノー方式の生産開始までのつなぎであり、本命はブルノー方式であったという説や、変更による性能低下はなかったという説もある。

3.2. クランクピンとコンロッド軸受
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エンジン出力は栄のほぼ2倍になったものの、クランクピンの直径は、エンジン径と主コンロッドの軸受荷重のトレードオフを勘案した限界的数値として5 mmしか拡大されなかった。このため、軸受にかかる荷重は最大で栄の38 %程度まで増大することとなった。対策として、中島と空技廠による軸受に関する特別チームは、コンロッドやシリンダースカート回りの設計を洗練・精密化し、軸受の厚さを最大限に取ることで剛性の向上に努めた。軸受合金は銅の量に対して鉛18 %とされ、これを軸受の裏金に鋳込む方法も研究された。さらに軸受の真円度、軸受を主コンロッドにはめ込む際のはめ込み代、クランクピン寸法と表面粗度、クランクピンと主コンロッド軸受間の遊びの大きさといった様々なパラメータが厳密に定められた。また理論と実験により、クランクピンにエンジンオイル用の油穴が設けられた。これは最適な形状と配置が選ばれ、潤滑と冷却を兼ねたものである。これらの結果、軸受荷重が大きいものの、試験段階では好成績を収めた。

3.3. クランクケース
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エンジンの中央部を覆うクランクケースは軽量化・剛性向上・薄肉化による内部スペースの増大を狙って、従来のジュラルミンの鍛造ではなくクロームモリブデン鋼(正確にはクロム・マンガン・モリブデン鋼　航格イ224甲）（離昇2,200
hp）