DML30系エンジン
DML30系エンジン(DML30けいエンジン)は、日本国有鉄道(→JRグループに継承)の気動車用として開発されたディーゼルエンジンである。
なお、日本貨物鉄道が2017年(平成29年)にJR貨物DD200形ディーゼル機関車おいて採用したFDML30Zエンジンは、コマツ製SAA12V140Eエンジンを国鉄時代の制式名称に当てはめた呼称であり、本稿で解説するものとはまったくの別物である。
キハ60系でのDMF31HSAとDW1液体変速機の失敗を受けて1963年(昭和38年)に試作された直列6気筒の横形エンジンであるDMF15HS (240 PS/1,600 rpm) を基本とし、翌1964年(昭和39年)にこれをバンク角180度のV型12気筒に設計変更したDML30HSをはじめとして、国鉄と新潟鐵工所、ダイハツディーゼル、神鋼造機の各社によって共同開発された。
水平シリンダー式(バンク角180度)のV型12気筒。で、連続定格出力440 - 660PSのエンジンである。主に高速、高出力を要求される特急形車両や急行形車両に使用される。
形式名のDMはDiesel Motorの略、Lは12気筒を意味し(国鉄形機関車の動軸数の表記と同じく、A=1、B=2とし、Lはアルファベットの12番目にあたる)、30は総排気量をリットルで表したものである。末尾のHは横形機関 (Horizontal cylinder = 水平シリンダー式) を、Sは過給機(Super-charger、このエンジンでは排気タービン過給機)を意味し、それに続くアルファベットは改良順にA、B…となる。
国鉄の気動車用量産エンジンは、大別するとDMH17系と、このDML30系(大出力形)/DMF15系(小出力形)エンジンに分けられる。後者のDMF15系は前述の通りこのDML30系エンジンの基本となったもので、両者は内部の消耗部品、動弁系、各種補機を中心として、部品互換性を持つ。
先行したDMF31系エンジンが、ボア・ストローク共に過大で、横形(水平シリンダー型の国鉄での呼称、横置きエンジンの意味ではない。)とした場合、シリンダ内部の潤滑が十分ではなく、また、振動・騒音面でも気動車の床下に搭載するには問題が多かった。それを教訓として、実績のあるDMH17系の設計・構造から大きく離れることを避けて計画・設計された、保守的な設計のエンジンである。
このため、最初に試作されたDMF15HSでは、DMH17系と同じストローク (160mm) を踏襲しつつ、ボアを10mm拡大 (130mm→140mm) して1気筒あたりの排気量を約8%増大、さらに定格回転数を100rpm引き上げて (1,500rpm→1,600rpm) ターボチャージャーにより過給を行い、排気量あたりの出力を引き上げることで気筒数の削減を図り、回転バランスの良い直列6気筒構成を実現している。
本系列はこのDMF15HSを2台向かい合わせに組み合わせてクランクシャフトを共用とし、バンク角180度のV型12気筒とすることで出力の倍増と軽量化を図ったものである。
その設計方針は単純・堅牢・廉価を狙いつつ、新技術の導入を図ったとされ、1バンク6気筒のシリンダーヘッドを3気筒ずつひとまとめにすることで、消耗品であるヘッドガスケットを1種類で済ませ、かつ、全体の数を減らすなど、保守の容易化に留意した構造が採用され、またエンジン本体と付属圧縮機の一体化による潤滑油の共通化をはじめとして、各種補機の設計にも工夫が凝らされていた。
もっとも、DMH17系エンジンでも問題となっていた排気マニホールドの過熱と排気管の焼損・発火問題を抑止するため、ターボチャージャーによる過給については、姉妹機種であるDMF15HZとは異なり中間冷却器を付加できず、1バンクにつき1基ずつ計2基の石川島播磨重工業製TB15ラジアル形ターボ過給器を搭載するに留められている。
また、エンジンの片バンク6気筒分をそれぞれA列とB列として区分し、各列ごとに燃料噴射ポンプを1台ずつ備え、その間に横間制御装置を取付けてA・B各列の燃料噴射ポンプを制御している。
国鉄は当初、DMH17系に代わるエンジンは300PS級のDMF15系が妥当なのか、それとも500PS級の本系列が妥当なのか、どちらとも決めかねていた。そこで実際にこれらの機関を搭載した車両を試作し、長期試験を実施することとした。それがキハ90系である。
1966年(昭和41年)、300PSのDMF15HZAを搭載したキハ90形と、500PSのDML30HSAを搭載したキハ91形が各1両製造され、千葉地区など各地で性能試験が行われた。これらでの試験の結果、今後の優等列車用国鉄気動車では500PS級機関を1基搭載することになり、翌年には営業列車での長期実用試験を行うため、DML30HSBを搭載したキハ91形量産試作車7両と、走行用エンジンを搭載しないキサロ91形が3両製造され、急行「しなの」などで長期実用試験が開始された。
だが、1968年の白紙ダイヤ改正で計画された非電化区間優等列車の速達化プランを実施に移すには、キハ90系試作車での長期試験の結果を待つ時間が残されていなかった。このため国鉄当局は、いわば見切り発車的に、食堂車を除く全車に500PS級のDML30HSCエンジンを装備したキハ181系を製造、1968年(昭和43年)10月1日のダイヤ改正から特急に格上げされた「しなの」で営業運転を開始した。
こうして本格的な量産にゴーサインが出された本系列であるが、その設計は様々な問題点を内包していた。
まず、保守の容易化を狙って採用された3シリンダー1ヘッド構成は、過酷な「つばさ」運用へ充当されていたキハ181系搭載分を中心に、熱変形や公差によるガスケットボルトの締め付け力の不均等が発生しやすく、吹き抜け現象が多発し、本系列のアキレス腱となった。これはガスケットの設計変更を繰り返し、出力のデチューン(抑制)を行うことで一応の解決が図られたが、依然として充分ではなく、キハ66・67系用として設計されたDML30HSH以降では1シリンダー1ヘッド構成としてガスケットをそれぞれに組み付ける従来の設計に戻すことで対処せざるを得なかった。
また、設計の効率化や合理化を目的として新設計が導入された補機にもトラブルが続出した。特に先に挙げた機関本体と圧縮機の潤滑油共通化設計は、機関の高温環境に曝された潤滑油が変質してゼリー状となり圧縮機の弁に固着する、といった深刻なトラブルを誘発し、これも潤滑油の供給系統を分割し、従来と同様の設計とすることで対処が図られている。
さらに、DMH17系の段階で排気マニホールドの過熱による発火を防止するため、機関の全力運転時間を5分に制限する必要があったにもかかわらず、根本原因である気筒内の燃焼効率を改善し、排気温度の低下を図ることなく、ほぼそのままの構造で出力向上を図った結果、本系列における機関発熱は当初の想定を超える過大なものとなった。
本系列の基本設計が行われた1960年代初頭には、既に燃焼効率が良く、燃焼室や排気の温度を低く抑えられる直噴エンジンの開発が、主として燃費経済性を重視したトラック用ディーゼルエンジンを中心に進められており、1930年代末にすでに直噴式を採用していたGMのユニフロー掃気ディーゼルエンジンや、そのライセンス生産版である民生デイゼルのUDエンジンを例外としても、日本でもいすゞ自動車と日野自動車が1950年代末頃からその開発に着手していた。このような状況下で、国鉄技術陣が直噴式を検討せず、予燃焼室式に固執した理由は、長距離トラックや台湾国鉄に直噴式が進出していると言っても、日本の国鉄車両で想定しうる最長踏破距離及びその所要時間(枕崎駅 - 大湊駅間 2,293.3km)とは比べ物にならないほど短いものであり、そのような運用の想定から、信頼性の観点で高圧噴射ポンプを回避したことが要因の1つとして考えられる。
しかし、元々DMH17形エンジンは渦流燃焼室式であった。渦流式は予燃焼室式の一種だが、圧縮時に燃焼室内にスワール(渦)を発生させるため、燃料事情の悪い日本でも、質の高くない軽油でも安定して稼働するという利点があった。しかし、後述する通り国内の燃料事情が好転したことから始動困難性を伴う渦流式は途中から単純な予燃焼室式に変更されている。<BR />
だが、渦流式は高速燃焼するため単純な予燃焼室式よりは回転数が上げやすく、また黒煙発生量も少なく、ノッキングも少ないという利点があった。特に小型自動車用ディーゼルエンジンでは、当時は高い圧縮比に対して直接噴射することが困難だった一方、スロットルレスポンスも早いため渦流式が主流となった(トヨタ・B型エンジン、トヨタ・L型エンジンなど)。始動困難性は、バッテリーの高性能化で克服されていった。平成初期に至るまで、小型自動車用ディーゼルエンジンはほとんどが渦流式であった。
渦流式であれば燃料噴射圧も予燃焼室式と同程度で構わず、その機構上破損しやすい部品も基本的に存在しない。直接噴射式のみならず、渦流式への“回帰"も否定した点は、DMH17B型以降が抱えていた諸問題についてその原因などを国鉄技術陣が正しく認識していなかったことがうかがえる。 結果としてこれは本系列における不具合頻発の一因となった。
本系列でも採用された予燃焼室式が戦前のDMH17B形以降で採用されたのは、当時の国情から、予燃焼室内での噴射燃料の燃焼が緩やかで低圧力に耐えるだけで済み、予燃焼室や気筒部の設計製造が比較的容易であったこと、それに騒音・振動の点で有利であったことなどの理由であり、また、初期型の渦流式からの変更は、渦流式は始動時の抵抗が大きくセルモーターの負担が大きいこと、米軍の放出品等で国鉄での軽油の安定供給にめどが立ったことなどによる。だが、(単純な)予燃焼室式は前述の利点の一方で絞り損失が大きく冷却効率が悪く、ひいては熱効率が悪い、という弱点があり、反面、渦流式のような高速燃焼効果も得られないため、DMH17クラスまでの回転数であればそれでもメリットの陰に隠れて目立たないが、定格使用回転数が上がるに従ってこれらデメリットが顕在化することになる。
DML30系機関搭載車、中でも特に深刻な状況を呈したキハ90・181系における機関のオーバーヒートの頻発は、熱変形に対する配慮の不足した設計や、工作精度の管理不十分、常用速度域の大半を変速段が占める専用変速機の特性、それに性能の不十分な自然放熱式冷却器の採用、といった事情から特に極端な形で顕在化したものである。本系列の製造上の品質管理の問題は、充分な管理・調整が期待できた試作機の段階では特に目立った不具合が発生しなかったために見過ごされたが、量産段階では設計陣の想定を上回る品質のばらつきが発生し、それらが過酷な使用状況にさらされた結果、一気に表面化したものであった。
この問題は予燃焼室式を採用した各機種では根本的には完治せず、冷却器の強化と、後年、検査を担当する国鉄工場で燃料噴射量を一定レベルに調整することで一応の解決が図られた。
更にはキハ66・67系以降の後継車種では強制通風式の冷却器を全車に標準搭載すると共に、機関出力を一律12%ダウンの440PSとすることで信頼性の確保を図る方策が採られている。これは圧縮比をそれ以前の16.0から14.2へと落とす、常道とは反した大きな効率ダウンを伴った弥縫策であった。
なお、このキハ66・67系では騒音が著しく、車内で会話できないほどであったことが新聞紙上で取り上げられており、同系列では本来予燃焼室式のメリットであったはずの低騒音・低振動さえ満足に実現されておらず、少なくとも予燃焼室式を積極的に採用する理由は事実上皆無であったことになる。
こうして本系列は、改良、あるいは信頼性向上を目的とした出力ダウンを実施され、その後の高出力化要求に対応するための電子制御・直噴化等、適宜情勢にあわせた変更を重ねられたが、その機械的信頼性の低さや、整備の面倒な多気筒エンジンであることから、当初の目的であったDMH17系機関を全面的に置き換えるには至らず、他に適切な代替エンジンが開発されなかったことから1990年代まで製造が継続されたものの、その製造実績は少数に留まった。
ここまで主に本エンジンの欠点が、予燃焼室式である事が重要な要因であると解説した。しかしながら、対比されるカミンズ製直噴エンジンであるDMF14を搭載した名鉄キハ8500系においては、動力伝達系を名古屋鉄道時代の仕様のまま、急勾配と曲線の連続する会津鉄道で運用した結果、変速段での連続高回転運用が祟り、エンジンも含めた動力系への過剰な負荷によりそのメンテナンスサイクルを縮めた。結果、同系列はほぼ同じ仕様のJR東海キハ85系よりもかなり早期に、しかもわずかながら本エンジンの象徴的形式であったキハ181系よりも先に運用終了となった。結果、DML30HS系エンジン搭載車の問題はエンジンだけではなく、むしろ多段式変速機が開発できなかったがためにエンジンに過剰な負荷をかけた点がより重いとも言える。
2013年(平成25年)にはDML30系エンジンを搭載したキハ183系が火災事故を起こしたため、36両が運行を停止する措置が執られていた。翌2014年には、特急の高速化に備えてエンジンの設計変更を行った際のミスと判明し、燃料制御装置に改善措置が講じられた。
一方、本エンジン量産の原点と言えるキハ181系では、国鉄時代に出力是正措置を受けていたJR西日本所属車は、特に最後まで残った「はまかぜ」では、221系や223系と言ったJR世代の電車が新快速として飛び交う山陽本線を全力疾走した後、播但線で中国山地を越えるという「つばさ」以来の過酷な運用となったが、老朽化のためキハ189系に置き換えられて全廃となる2011年までの間、致命的な事故・故障はなかった。
液体変速機はすべて1段3要素充排油方式であり、逆転機を内蔵している。DW4系をルーツとし、DW9系、DW12系へと改良された。
最初に造られたDW4系は自動クラッチである。DW4Cは爪クラッチ、DW4Eは湿式多板クラッチ(「キハ181系#変速機」も参照)。また、逆転機の切り換え時には出力軸を揺動させる。DW4系を装備したキハ181系では、液体変速機と台車を結ぶ推進軸の他に、反力を吸収するための軸を装備する。
DW9系は、DW4系を手動クラッチに変更したもの。キハ183系で使用されるDW9Aは軽量・耐寒形。
DW12系はDW9系を改良したもので、ダイナミックブレーキを装備するための準備がしてあり、また、よりコンパクトになっている。DW12Aは、エンジン出力増大にともなう回転数増大のため、減速比が変更されたもの。
なお、液体変速機は暫時改良されているため、のちに製造時と異なるものに交換されている場合がある。
形式: 180°V型12気筒エンジン
シリンダ径×行程 (mm): 140×160
排気量: 29,541cc
燃焼順序: A1→B5→A4→B1→A2→B4→A6→B2→A3→B6→A5→B3
過給の有無: 有
1気筒あたり4バルブ。DML30HSJ以降、1気筒あたり2バルブ。
予燃焼室式。DML30HSJ以降、直噴式。
キハ91形(←全車両廃車に伴い形式消滅)
キハ181系(←全車両廃車に伴い形式消滅)
キハ65形(←全車両廃車に伴い形式消滅)
キヤ191系(←全車両廃車に伴い形式消滅)
キハ66系(←後にDMF13系に換装)
キハ183系のうち、キハ183形500番台、キハ182形(200番台を除く)、キロ182形500番台