ゴルフボールのようなディンプルのあるピストンはディーゼルの出力と効率を向上させる可能性がある

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世界がEV化を進めようとしている一方で、フォードF-250のような大型ディーゼルトラックは、大きな仕事をする人たち（あるいはそのように見られたい人）にとって依然として人気だ。多くのトラック所有者は、ディーゼル排気液 (DEF) タンクを充填するコストを削減するために、より多くの出力を生成し、燃料消費量を削減し、さらには粒子状物質の排出を削減する方法を常に模索しています。だからこそ、Speed of Air (SoA) が自社のピストンについて主張する内容が、エンジンの再構築を検討している人々にとって非常に魅力的なのです。しかし、これらのディンプルは実際に機能するのでしょうか？彼らは、それが単なる見せ物ではないことを示すためにデータを送ってきました。

ゴルフボールのディンプルには存在理由があります。ディンプルは空気の境界層を形成し、ボールの表面に乱流を発生させて抵抗を軽減します。これは、ゴルフボールがどのようにして高度を上昇させることができるのかを完全に説明しているわけではありませんが (これは、流体中で球が回転するマグナス効果のおかげです)、ディンプルによって生じる乱流のおかげで、抗力によって速度がそれほど低下することはありません。。この乱流層は、ゴルフボールの裏側 (進行方向に対して) の空気の分離を遅らせ、滑らかなボールと比較して、抗力を引き起こす後流のサイズを小さくします。

もちろん、あなたはおそらく、「ああ、それは素晴らしい、でもピストンはボールではない」と自分に言い聞かせているでしょう。流体がどのように作用するか (そして、あなたとエンジンが吸う空気も流体です) に関して言えば、特に燃料を空気中に浮遊状態に保つ場合、境界層を形成することが依然として燃焼室内で重要な役割を果たします。燃焼室内にしっかりと付着した境界層を作成できれば、空気と燃料の充填がより長く停止状態に留まります。これにより、火炎前面が装薬を通じてさらに前進するのにも役立ち、シリンダー内でピストンが膨張するときにピストンを押し下げるために使用される混合気の量が増加します。混合気が完全に燃焼できない場合、燃焼室、バルブ、ピストン内にカーボンが蓄積します。

これは、ディンプルが燃焼室内で機能するかどうかを Speed of Air が判断する方法の 1 つでした。 Speed of Air CEO兼マネージングディレクターのクリス・パークハースト氏は、「初期段階のテスト中、SoAは過剰な炭素の蓄積によって示されたピストンクラウン上の燃料洗浄領域を決定するために、さまざまなフローベンチ技術を使用した」と述べた。ディンプリングは必ずしも彼らのリストの最初にあるわけではありませんでした。彼らは、混合気をより長く浮遊状態に保つために他の多くのテクスチャリング技術を試しましたが、ピストンのゴルフボールのようなディンプルが最も効果的であることがわかりました。現在、同社は数値流体力学 (CFD) を利用して、中型車両用の Powerストローク、Duramax、Cummins エンジンピストンの設計をより適切に最適化しています。これらのピストンに加えられたもう 1 つの設計上の改良点は、これらのピストンのクラウンに機械加工された圧力解放スロットです。「これらのカットは、ボウル領域の圧力を解放し、混合気の燃焼を促進するために当社のピストン設計に適用されています」とパークハースト氏は述べ、これらのカットは、OEピストン設計と比較した場合でも、より静かなエンジン運転につながります。

また、SoA は 2014 年にはピストンを独立系テスターに送り、そこで SoA ピストンは、北米ニューモント向けの 793D 鉱山トラックで使用され、Cat ディーラーによって再構築された Caterpillar 3516 エンジンの再構築中に使用されました。このエンジンは 44,842 時間使用して取り外され、エンジン再構築の通常の部品からの唯一の変更点である SoA ピストンを使用して再調整されました。このエンジンは、915 日間稼働した後の 2017 年に再び整備のために取り外されるまでに、Cat ピストンでは 1 日あたり 16.30 時間使用されていましたが、SoA ピストンでは 1 日あたり 18.34 時間使用されました。期間が短くなった理由は、エンジン再構築業者がヘッドボルトを再利用したためであり、これは当時の再構築業者にとって合理的かつ予測可能な慣行でした。

残念なことに、ニューモント・ノース・アメリカ社が報告書で述べているように、再利用されたヘッドボルトがエンジンを再び引っ張る原因となった「追加のヘッドボルトの破損によって引き起こされる機器のダウンタイムやさらなる損傷のリスクがなければ、エンジンが停止するのは当然だ」不明ですが、もっと長く勤務していたでしょう。」パークハースト氏はまた、この特定のディーラーがこの無謀な行為を止めたと指摘した。

これらのヘッドボルトの問題にもかかわらず、ニューモント氏は、シリンダーパック、ピストン、リング、ライナーが「かなりの耐用年数が残っていることを示している」こと、ピストン上に蓄積するカーボンの量が少ないこと、またクランクケースの堆積物が他のリビルト品と比べて非常に少ないことを指摘した。報告書のその他の重要な発見は排気ガスであり、テストでは「比較エンジン」と比較して大幅な削減と改善が示されました。「利用可能なSoA技術の約40パーセント（ピストンクラウンの修正とサーマルコーティング）のみが適用されたことを考慮すると、運用上の改善はSoA技術に適用可能であると考えられる」と報告書は締めくくっている。

SoA はまた、カリフォルニア州フラートンにあるオルセンエコロジックラボからのレポートも提供してくれました。このレポートでは、標準のカミンズ 5.9 リットルエンジンと、Speed of Air ピストンのセットのみが取り付けられているエンジンを比較しました。そのレポートでは、馬力が 15.5% 増加し、トルクが 15.2% 増加しました。良いニュースはそれだけではありません。このレポートでは、ブレーキ固有の燃料消費量が 3.2% 削減され、排気の不透明度が 77.6% 減少し (粒子状物質が減少することを意味します)、NOx レベルが 61% 減少したことがわかりました。、排気炭化水素は 32.5 パーセント減少し、CO2 レベルは 41.4 パーセント減少しました。

空気と燃料が流れる部分がより多くあることを考えると、なぜ SoA がディンプル設計を備えたアイテムをリリースしているのはピストンだけなのでしょうか? 「当社の特許は、吸気ポート、排気ポート、マニホールド、ヘッド、ターボなど、内燃機関 (ICE) 内を空気が流れるあらゆる空間をカバーしています」とパークハースト氏は述べています。しかし、私たちのテストでは、ピストンが次の段のターボの利点の大部分を提供することがわかりました。」商用リビルドに関しては、マニホールド (吸気と排気の両方) とヘッドはピストンやターボチャージャーほど消耗品とは見なされません。「したがって、これら 2 つの理由から、私たちは単なる機械工場にならずに実際に販売できるものを商品化することに重点を置きました」とパークハースト氏は続けました。

それは素晴らしい質問ですが、仮説でしか答えることができません。結局のところ、アフターマーケットが通常答える必要のないコストと利益の問題に行き着く可能性があります。このように大量に構築する場合、スピードとコストは、個人レベルではどちらも微々たるものであっても、大きな要素となります。現在あなたが運転している車両では、ボルトオンではなくスナップオンで取り付けられる部品が増えているのはそのためです。これらの機能を備えたピストンを加工するための追加の時間コストは、それらの機能を使用しないピストンのパフォーマンスの利点を上回る可能性があります。繰り返しますが、これは単なる推測ですが、アフターマーケットが存在する理由につながります。彼らの主な目標はニッチで特定の市場を満たすことであるため、OEM のようにシートのバランスをとり、時間を正当化する必要はありません。

SoA がサービスを提供しようとしている特定の市場の 1 つは、カリフォルニア州の商用ディーゼルトラックの所有者およびオペレーターです。 2010 年よりも古いエンジン (またはそれより新しいエンジンが再装備されていないシャーシ) で、重量が 14,000 ポンドを超える大型車両で運転される場合、カリフォルニア州は州内での運転および登録を禁止しています。問題はこれらの特定のエンジンの排出ガスに帰着するが、SoA がピストンだけで示した排出ガスの改善は救いとなる可能性がある。

パークハースト氏は、「これについてはまだ開発中であり、おそらく少なくとも2,500時間の耐久性テストが必要になるだろう」と述べた。「しかし、CARBからテストレターが発行されると分かるだろう。我々はCAT C-Cのいずれかをターゲットにするだろうと考えている」シリーズ (9/12/15/18 リッター) エンジンファミリ、またはおそらくデトロイト 12.7 および 14L 60 シリーズが最初です。」パークハースト氏が私たちに説明したキットは、車両のフレームにエンジンを取り付けたままリビルド業者が行うことができる完全なキットであり、SoA のピストンだけでなく、ターボチャージャー、新しい ECM フラッシュ、および「適度に軽い基板」も含まれる予定です。「当社の基材は DOC に限定され、DPF、SCR、EGR は必要ないと確信しています。この点に関してやるべきことはたくさんありますが、それが達成可能な道のようです。」

現在、SoA は中型ディーゼルエンジンラインアップの商品化に注力しています。しかし、彼らの研究は近い将来、レースエンジンやガソリンエンジンにも広がるだろう。これらはすべて、ゴルフボールが空を飛ぶのと同じ空気力学原理を利用している。この卑劣なゴルフボールに内燃機関としての機能がこれほどあるとは誰が想像したでしょうか。