まだラジエータが黒くなりきっていない登場間もない頃のキハ１８０
590馬力2000回転
１．焼ける排気管
１８１系（９１系）は５００馬力の気動車とされています。 しかし、６ノッチで運転する場合、設計上は３０分定格の５９０馬力を発生し、連続定格の範囲内でエンジンを使用するようになった現代の気動車のように性能表記すると５９０馬力の気動車であったわけです。 ところが、この５９０馬力という数値に秘められた問題があったのです。
キハ９１系の営業試験に続き、キハ１８１系の営業運転が本格的に始まると、排気系の過熱損傷が故障の大きな要因を占めました。 排気ガスの温度が上昇しすぎていたのです。 調査の結果、燃料噴射タイミングの遅れ、 燃料噴射量調停の大きなばらつき、変速機の特性による、予想以上の変速運転の連続によるエンジン高回転負荷が浮かび上がりました。 一般には新系列気動車の故障多発の原因として自然冷却機の冷却能力不足として知られていますが、実際にはエンジン本体の過熱だけでなく、過熱した排気ガスによる排気管損傷が最も多かったのです。 キハ１８１系では低速走行時で自然冷却機の冷却能力が低下するのを補うため、床下に９１系には無かった強制冷却のラジエータを装備しましたが、それでもこのトラブルは続きました。 現在のエンジンでもこの問題は深刻で、排気管自体を水冷とすることで対処しているのです。
まだラジエータが黒くなりきっていない登場間もない頃のキハ１８０
新系列気動車を調査するにつれて、エンジンの個体差が予想外に大きいことがわかりました。 同じ規格で作られているエンジンなのに、燃料噴射量がかなりばらついていたのです。
この図はDML３０HS系機関の燃料制御装置を模式的に示したもので、当時はこのようにすべて機械的なレバーとねじを主体にした機構で調停されていました。 １〜６ノッチまでの燃料噴射量はラックに刻まれた目盛りにあわせることで行われ、６ノッチの場合、１６００ｒｐｍで５００馬力に調停するにはラック目盛り位置１４mmで毎時110リットルの燃料が供給されるとして設計されていましたが、実際にはばらついていました。
キハ91の6台のエンジンを実測してみると、下の図のように高出力側へずれていたのです。
ラック位置１４ｍｍでは燃料は１６００回転で毎時１１７．５リットル供給され、２０００回転時には６２０馬力程度に達して運転されていることがわかりました。
６台のエンジンでの平均値がこれですからなかにはそれを超えるとんでもない出力を強いられていたエンジンもあったわけです。
そのため排気管温度は７００度を越え、亀裂や床下からの白煙の原因となったのです。
そこで、各エンジンのラック位置を実測し、６ノッチで１３．２mmとなるようにすれば、実際の燃料供給量を毎時１０８リットルに減らすことができ、規定の出力に近い値で調停可能であることがわかりました。 こうすることで排気管温度を６６０度程度に抑制でき、損傷の危険性を減らすことが可能となるのです。
その後、この調整はさらに安全圏を見込み、定格時の燃料供給量を毎時１０３〜１０９リットルの範囲に規制し、燃料供給量を絞り、実質的なパワーダウンの方向へ進みました。 ばらつきがあるものの、低いほうの設定である毎時１０３リットルの場合、定格回転数での出力は４７６馬力となり、 １８１系は実質的に４７０馬力の性能に転落していくものが増えていったのです。 なお、注意しなければならないのは470馬力といっても1600回転での話で、2000回転では550馬力程度発生しています。結局183系500番代が2000回転550馬力でデビューすることとなったのも当時の技術では妥当な選択だったのかもしれません。
２．規定はずれの高回転
もうひとつ問題となったのが、営業運転時の予想以上の高回転負荷でした。 １８１系の液体変速機は変速のまま８６km/hまで加速して直結にシフトアップ（ロックアップ）するように設計されています。 運転士が速比0.7と表現するあれで、コンバーター入力側回転数２０００ｒｐｍに対して出力側がその0.7倍、つまり７０％になったとき直結に移行するものです。計算上、１４００ｒｐｍのコンバーター出力では８２０ｍｍ車輪径で８７km/hとなり、ほぼ一致します。
ここでこの変速機の、従来型と違う特性があります。 高速まで変速運転でひっぱる関係で、いわゆるすべりの多い、効率のやや悪いタイプで、しかもトルクの大きなエンジンで駆動されるため、コンバーター出力側の回転数に関係なく入力側は２０００ｒｐｍ近い回転数を受け入れてしまうという状態になっていました。
それを示すのが下の図です。
キハ５８とキハ９１のトルクコンバーターの入力軸回転数と出力軸回転数の関係を示したものです。 キハ９１ ６Nとある曲線を追っていくと、縦軸から機関回転数（コンバーター入力軸回転数）が１９００ｒｐｍ以上を維持しているのがわかります。 その時、コンバーター出力軸の回転数があがっても機関回転数があまり変わっていないことがわかります。 下に窪むように真ん中でやや機関回転数が落ちていますが、これはこの領域でコンバーター効率がよいためロスが減り、入力側に負荷がかかるためです。 さらに出力側の回転があがり例の速比０．７により、出力軸１４００ｒｐｍの手前で直結に移行し、入力軸と出力軸の回転数が一致します。
一方、キハ５８では出力軸が停止している時、機関は１１００ｒｐｍでしか回ることができません。その後、出力軸の回転があがるにつれて機関回転数も上昇しますが、機関回転数が定格の１５００ｒｐｍに達しないうちに直結に移行してしまいます。
つまり、キハ５８はフルノッチで運転しても、機関が定格を超えて回るのは８０km/h前後から上だけであるのに対し、キハ９１やキハ１８１は起動時からすでに定格を越えたままで加速し、８６km/hから１００km/hの間だけが定格以下の回転数、さらに最高速度の１２０km/hまで再び定格回転数を越えて回らなければならないという過酷な使用状態だったのです。
この影響を回避するため、変速６ノッチの連続使用は５分以内という規定が１８１にも適用されました。 一般的な山岳線ではこの規制が問題となることはあまりありませんが、中央西線や板谷峠越えでは無視できない規制となったのです。
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（ＳＳ氏のご好意による）