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Stay-in-gradeはAPIのオイル試験Sequence VIII (ASTM D6709)のせん断安定性試験の項目の一つです。


Stay-in-gradeの意味はせん断安定性試験後にもSAE gradeを維持出来るのか？
と言うことです。






例えば5W-30のエンジンオイルのせん断安定性試験を実施します。
こないだ購入した出光のオイルは100℃動粘度9.541cStです。

対して、SAE30の100℃動粘度は9.3～12.5cStです。
Stay-in-gradeは試験後も9.3cSt以上を維持しなさいと言う意味です。

せん断安定性試験後に9.54cStから9.3cStが維持出来るとしたら中々凄いオイルですね。
粘度指数156なのでポリマーは最小限だと思いますが、それにしたってベースオイルのせん断は大丈夫なのだろうか？




Sequence VIII (ASTM D6709)の試験内容はこんな感じです。
・0.7L単気筒エンジン(キャブ)
・外部オイルヒーターで油温を強制的に制御する。143℃維持
・ 試験時間: 合計 40時間。
・エンジン回転数: 3150 rpm で40時間連続運転。
・サンプリング: 10、20、30時間経過時にオイルサンプルを採取し、補充量を測定する。

試験部品の評価
・コンロッドベアリングの重量減少量を測定（腐食による摩耗を確認）。
・動粘度測定: 40°C および 100°C (ASTM D445)。
・ストリップ粘度 (Stripped Viscosity): 揮発成分等を除去した後の純粋なせん断安定性測定 (ASTM D445)。

合否判定基準 (Pass/Fail Criteria)
・ベアリング重量減少: 最大 26mg 以下 であること。
・Stay-in-grade: ストリップ粘度が、元の粘度グレード（SAE J300）の範囲内に留まっていること。



どうでしょうか？
この試験結構微妙じゃないですか？

まず単気筒のキャブのガソリン(レギュラー)エンジン。
これは燃料の供給が適当です。
回転数一定なのである程度は安定するでしょうが噴射もしてないので燃料希釈は起きるでしょう。

次は143℃で40時間の加熱。
これはNoack的には一見悪そうですが、残ったオイルの粘度は上がります。
燃料希釈とセットで考えたら絶妙にキャンセル出来たりして？

一応その対策として10時間毎にオイルを足していて、試験後にオイルの軽質留分を飛ばす作業が入っています。
つまり燃料希釈分はキャンセルしてる訳ですね。

でも、オイル足したり試験後に軽質留分を飛ばしたり必要な工程ですか？
インジェクションで普通にエンジン回せばいいのに。


そして、私が最も気に入らないのが3150rpmという回転数。
143℃はポンコツな鉱物油にとってはせん断安定性が不安定になる条件ですが、ポリマーは高温には強いです。
そもそも分子量もデカいし構造も複雑。高温で分解しない。

これが油温130℃6000rpmならPMAポリマーなんて全滅でしょう。
せん断安定性を見るにはそもそもせん断力が足りてないです。


この試験でオイルはかなりダメージは受けていると思います。
でも、この試験だけ持てばいいので(次の試験は新油）楽と言えば楽ですよね。


APIもいい加減この古い試験を刷新する時期だと思います。
この試験は2001年から始まっていますが、前身のSequence L-38は1950年代から続いています。

VIIIとL-38の違いは何と燃料です。2001年まで有鉛ガソリンでした！
現在のVIIIは22年に改訂されていますが、改訂内容は試験機が壊れたらどう運用するか？みたいな内容です。
一旦保留で半年以内に試験結果出せばOKみたいなｗ
もう試験機古すぎてどうにもならないのでしょう。

いっそ、LSPIと同じフォードの2Lターボエンジンでやったらいいのに！
でも、きっとパンドラの箱なんだろうな。
GLV-2なんて規格は成立しなくなるし、JASOは発狂しそう。。

本当の意味でのStay-in-gradeなオイルが欲しいですね。

前回ストライベック曲線と油膜について書きました。
今回は相手側のピストンです。

参考文献はアイシンの系列会社のアート金属の文献です。


ちょっと拡大図の絵が汚いのはご了承を。


このグラフの①②はピストンスカート部の樹脂コート有無でストライベック曲線の摩擦係数がこれだけ下がりますよ、というグラフです。
①が圧縮上死点付近、②が圧縮上死点前後ということなので、やはり私が思っている以上に境界潤滑の領域は大きいようです。



最近のピストンスカートのコーティングは右ですよね。
接触する箇所だけスクリーン印刷する。

表面処理をどうするのかはメーカーにより色々あります。
慣らしの時だけ齧り防止で効く樹脂を吹き付けるメーカーもあれば省燃費性能維持するためある程度膜厚を持たせて吹き付けるところもあり。
この場合、常に削りながら摩擦係数を維持する。
モリブデンコートやDLCコートなど金属皮膜も色々。



シリンダー側の話もすると、最近はライナーレスが増えてます。
VR38DETTもライナーレスでしたよね。

アルミシリンダブロックに鉄を溶射して金属皮膜を生成する。
膜厚は0.2mm程度で結構厚い。

日産のミラーボアコーティングはクロスハッチを線傷で付けていないようです。
溶射で出来た気孔にオイルを溜める。
多少の凹面にオイルを残して掻き出しを防ぐ。

旧来のクロスハッチにしても低粘度オイルが指定のエンジンでは溝は浅くなっているでしょうから硬いオイルは表面張力をシリンダー側で発揮しにくい。
硬いオイルは分子間力が強く表面張力も強いです。(塊で保持しようとする)
潰せずに塊で掻き出されてしまうのではないか？
ピストンリングも弱いでしょうから、油膜に押されてオイル上りもあるかもしれない。
VR30DDTTもG16E-GTSもそんな理由で0W-20だけが指定なのかな？
なんて話をCustomZさんとしてました。
ターボ車ならではのピストン側圧とも関係ありそうな気がします。


オイルジェットに関しても同様で低粘度化でパイプ径は細くなっているでしょうから硬いオイルを入れると吐出圧は上がるけどピストン裏に当たり面は小さくなりそう。
極端に硬いオイルだと上手く飛ばない可能性もありそう。

思ったように行きわたらない可能性もありそうな。
硬いオイルは比熱が低いので同じ時間での熱交換は低粘度オイルの方が良さそう。

G16E-GTSは0W-20で水冷オイルクーラーと言うこともあって油温の下がりが早いです。
(まともなオイルの場合)
これも短時間で熱交換が出来る低粘度オイルの方が良さそうです。
そもそも攪拌抵抗は低粘度オイルの方が低いので油温も水温も下がる可能性すらあります。

低粘度オイル設計エンジンに硬いオイルを入れると、オイルパン内で偏ったオイルが戻ってこなくて空吸いが起きる可能性は以前にも書きました。
実際起きるようですし今後は油圧ロギングすることにします。
(RaceChronoのOBD2読み出しやっと覚えたｗ）


もちろん、油膜が厚い方が体感的にも安心感はあるので低粘度マンセーとは言いません。
が、調べれば調べるほど今のエンジンで高粘度オイルを使うメリットは少ないなぁ、と思った次第。


なのでG16E-GTS専用オイルは引き続き0W-25相当で作ります。
次の鈴鹿はこれで行きます。



余談ですが、鍛造ピストンの場合、熱膨張率が鋳造ピストンより大きいためピストンクリアランスは広めとなります。
ポルシェやBMW純正の鍛造ピストンはA4032など低膨張材のようですが、それでも純正指定は0W-30や0W-40です。


・オイル関連インデックス

トライボロジーの教科書には必ず載っているストライベック曲線。
境界潤滑、混合潤滑、流体潤滑の各領域で摩擦係数がどのように変化していくか？をグラフ化したものです。


福田交易さんのサイトから引用

エンジンブロックのシリンダー側面とピストン側面をイメージすると、
境界潤滑はアルミやDLCコートなどの素地や表面処理、MoDTCやZnDTPのような個体潤滑剤(成膜するもの)の領域。
つまり固体の滑らかさに依存する領域。

混合潤滑は固体の潤滑と潤滑油の流体潤滑が混ざり合った状態。
お互いが半々に作用する領域とでも言えばいいのかな？
この領域はもっとも摩擦係数が低いですが、油温や油圧など諸条件が変わると一気に境界潤滑側にズレてしまうリスクがあります。

最後は流体潤滑
油膜厚さが十分にあり、金属と金属の間には常に潤滑油が入り込んでいます。
油膜厚さは粘度に比例して厚くなるので硬いオイルはエンジン保護性能が高いと言われる所以はコレ。


内燃機関、特に自動車のように回転数が一定では無い場合、ストライベック曲線の横軸(軸受定数)は境界潤滑から流体潤滑までの範囲を行き来します。
具体的には圧縮上死点付近は境界潤滑に近く、低回転域は混合潤滑、油圧が上がってくる中高回転域は流体潤滑の領域。

シリンダーとピストン側壁をイメージすると、
油圧がある時は油膜もあるし、ピストンスピードも速いので表面張力で残ったオイルが仕事をします。

これが低回転になるとオイルは重力で落ちてしまうので充分な油膜が確保されない。
圧縮上死点付近はピスント運動が殆どない時間があるのでここも同様。
エステルやアルキルナフタレンのような極性のあるオイルなら別ですが、一般的なオイルでは油膜での保護が難しい。

なので、ZnDTPやMoDTCによる被膜保護が重要になってきます。
あるいは金属側の表面処理ですね。DLCコートとかモリブデンショットとか。
WPCのように凹凸を付けてオイル受けを設ける加工もありますね。


そんな訳で高速を長距離走るより渋滞ばかりを走っているエンジンの方が摩耗が進みます。
いわゆる高年式過走行車のエンジンにハズレが無いのはこれに起因します。
常に油圧(油膜)が安定しているエンジンだからエンジン摩耗も少ない。


ストライベック曲線の横軸(軸受定数G)は粘度と回転数に比例して強くなり、負荷に比例して弱くなります。

G=η・V/P

・粘度(η)が上がると油膜が厚くなる
・回転数(V)が上がると油圧が上がり油膜が厚くなる
・負荷(P)が増えると油膜は薄くなる

当然油温も重要な要素になってきます。
油温が上がれば粘度は下がるので油膜は薄くなりますからね。

逆に言えば油温が上がらないのなら油膜は充分に確保できる筈で闇雲に高粘度オイルにする必要も無いと言えます。
ハイブリッドカーやPHEVのようにエンジンが直ぐ止まってしまう車などもこれにあたります。


先ずは純正指定粘度のオイルを使う。
油温が130℃を超えるのか？超えないのか？
一般的な街乗り、高速走行では110℃程度でしょうから指定粘度から上げる必要はありません。

それよりも高温時に粘度低下が小さい粘度指数が高いベースオイルにこだわる方が得策です。
0W-20でダメだから5W-30では無くて、0W-20の中で高性能ベースオイルのものを探す。
GTLとかPAOベースのオイルですね。
それでもダメなら初めて高粘度化を検討する。


また、ポリマーの添加量が多いオイルは油圧低下がかなりあります。
アイドリングで油圧が1.0kgf/cm2を切るようなら交換した方が安全でしょう。
新油時から2割も落ちたら交換時期は過ぎています。
ポリマー添加量は粘度指数である程度予測出来るので、200を超えないようなものを選択してください。


ストライベック曲線から私たちが出来るエンジン保護は何か？
・油圧低下が起きたらエンジンオイルを交換する。
・MT車ならやたら低回転で乗らない。
・0W-8は本当に厳選したオイルを使って！

0W-8は各社ノンポリマーオイルです。(ほぼ)
粘度指数が軒並み140～150です。
これが意味するところはポリマーに依存した油膜確保ではもはや危険水域だと言うことです。
ポリマー込みで0W-8ではポリマーがせん断された粘度ではもはや流体潤滑が出来ないと言うこと。
0W-8は中々面白そうです。検証用の0W-8エンジン車欲しいなｗ


ちなみにGRカローラで70km/h巡行時の油圧ですが、
4速　320kPa
5速　230kPa
6速　170kPa
です。

70kmで6速入れてませんか？
2000回転、200kPaキープした方がこのエンジンは良さそうですよ。



余談
常に低回転のディーゼルエンジンはどうなのよ？
と思われると思いますが、ディーゼルは油圧が常に高いようです。
油圧を上げることで油膜を確保。

自分の車での比較ですが、
D4204T(ボルボD4)　230～700kPa
G16E-GTS(GRカローラ)　130～500kPa
どちらも0W-20入れていてこの差です。結構差がありますね。


・オイル関連インデックス

MAXKOTAさんとの動画比較
セクター割は私が適当に振りました。
セクター4の仕切りがちょっと微妙ですがトータルタイムで合わせました。





音が無いのはご了承ください。





セクター1
スタートから1コーナー先のパイロンまで
スタートダッシュ、1コーナー速度がポイント

セクター2
ヘアピン立ち上がって直角コーナー手前パイロンまで
1コーナー立ち上がり、ヘアピン処理、1速か2速かがポイント

セクター3
360後の奥のパイロンまで
360処理がポイント

セクター4
S字、ヘアピン後のパイロンまで
S字処理、ヘアピン処理

セクター5
残りゴールまで
直角コーナー進入、S字処理


左が私
各セクタースプリットと積算時間、遅い方は赤字でタイム差が出ます。
SyncAというソフトですが、Youtube動画もそのまま比較出来て便利です。

セクター1はスタートダッシュが決まったのでこれは良いです。
1コーナー減速しすぎなのがもったいない。
ヘアピン処理と立ち上がり1速と2速の違いでセクター1で稼いだ0.4秒はセクター2終わりで喪失。。

セクター3は360が決まったのでここで0.5秒リード。
しかし、この後のＳ字処理が決定的に違くてヘアピン処理と併せてセクター4だけで1秒以上違います。

最後のセクター5はもっと酷い。
直角コーナーの進入でアンダー出して失速、ラインも速度もダメでその後のS字と最終コーナーも差も深刻。
ここでも0.5秒以上差を付けられトータル1.5秒以上の大差で負けｗ


後半の20秒で2秒差って深刻ですね。
外から見てて速そうなのにタイムが50秒の人とか結構居たのですが、その人たちも私と同じでS字区間が遅いっぽいです。

ラインが悪い、勢いが足りない、メリハリが無いので来年はもうちょっといい走りが出来るよう修行します。

本日はGRガレージ 宇都宮つくるま工房のジムカーナミーティングでした。
人生初ジムカーナです！

場所はドライビングパレット那須です。
つくるまサーキット隣のジムカーナ場です。
こちらも初走行。



まだまだ知らないことがありますね。
日々是修行。


本日のレイアウトはこんな感じ。


360から先のS字が狭いです。
中々取り回しが辛いです。



成長の過程も含めてご覧くださいｗ

6本目、360決まった！と喜んでたらアクセル戻してしまったｗ
この時1コーナーも失敗、最後の直角コーナーも失敗してるのであと2本くらい走れたら…なんてタラレバ。

ジムカーナは周回出来ないので1本1本集中しないとダメなので難しいですね。
サーキット走行会だとダラダラ走ってしまうので鍛錬にもちょうどいいです。


これまで12月の1週目開催で参加出来なかったのですが次からは毎回行きます！
参加された皆様、お疲れさまでした。