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車におけるバルブとは？
そもそも"バルブ"とは、液体や気体が通る管の途中や、容器の口などに取り付けられた、流量調整機構のことです。
水道管の蛇口や氷止めも"バルブ"ですし、ゴムタイヤの空気入れ口も"バルブ"です。
日本語では"弁"と呼ばれ、英語では"valve"とつづられます。
ヘッドライトの電球のことも"バルブ"と呼びますが、あちらは"bulb"で日本語では同じ"バルブ"でも、意味は全く違いますので注意が必要です。
エンジンの用語には"バルブ"という単語のついた名称が数多くあります。
サイドバルブエンジン、バルブサージング、バルブタイミングなど、他にもたくさんあります。
4ストロークエンジンを動作させるために必要な部品であるバルブ弁を、より細かに解説していきたいと思います。
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エンジンバルブとは？
ステムと呼ばれる細長い棒の先端がラッパのように広がった形をしているのがエンジンに使用されるエンジンバルブという部品です。
この形状のバルブを正確にはポペットバルブといいます。
バルブは常にスプリングの力でシリンダヘッドに押しつけられており、エンジン内の気密を保っています。
エンジンのピストンの動きに連動してバルブを押し下げることで、できた隙間から、エンジン内に空気を取り込んだり、燃焼ガスを排出したりするための機構です。
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エンジンとバルブの関係性
バルブという部品がどんなものか分かったところで、実際にエンジンの中でどういう動きをしているのか説明していきます。
エンジンの一つのシリンダに対して、吸気バルブと排気バルブがそれぞれ設けられ、吸気バルブはエアクリーナー側につながっており、排気バルブはマフラーへとつながっています。
1、吸気行程
エンジンのピストンが下がり、吸気バルブを空けると、シリンダ内の気圧が下がり、エアクリーナー側から空気が入り込みます。
吸気バルブ直前でインジェクターで燃料を噴射すると、燃料と空気の混ざった混合気エンジン内部に取り込まれます。
ピストンが下がりきったところで、それ以上空気は入ってこないので吸気バルブを閉じます。
2、圧縮行程
吸気バルブと排気バルブが閉じられた状態で、シリンダー内に取り込んだ混合気を圧縮します。バルブが閉じられ、ピストンが上がると、行き場のなくなった混合気はポンプのように圧縮され、高温高圧状態になります。
3、燃焼行程
ピストンが上がった状態で高温高圧状態にある混合気に、スパークプラグで火花を飛ばすと、引火してガソリンが爆発します。その爆発圧力を逃さないため、吸気・排気バルブはしっかりと閉じられています。
このガソリンの爆発圧力がピストンを押し下げ、エンジンを駆動するエネルギーになります。
4、排気行程
下がりきったピストンは、それ以上シリンダ内の圧力を動力に変換する事はできませんので、残った燃焼ガスを速やかに排出する必要があります。
ピストンが持ち上がると、開いた排気バルブを通って、燃焼ガスをマフラー側へと逃がします。
排気が完了したら、排気バルブを閉じます。
そして、再び吸気行程から繰り返す事でエンジンは回り続けることができるのです。
エンジンバルブの付いたシリンダーヘッドは単体で見れば、バルブが開閉するだけの単純な機構です。
ピストンとクランクシャフトで構成されたシリンダーブロックもまた同じくピストンの上下運動を回転運動に変換するだけの機構しかありません。
しかし、この二つが組み合わさると、燃料を人間の力をはるかに越える回転エネルギーへと変換させる"エンジン"になるのです。
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バルブを最大限に活かすためのDOHC
DOHCエンジンとはDouble Over Head Camshaftの略。
つまり、ヘッドに吸気側と排気側それぞれのバルブを制御するためのカムシャフトが合計2本搭載されているエンジンをいいます。
かつては高出力エンジンの象徴として「ツインカム16バルブ」などとリアフェンダーに派手に書かれた車をよく見かけたものです。
「ツインカム」とは2本のカムシャフトを持つDOHCエンジンのこと。
「16バルブ」とは4気筒で1気筒あたりに吸気と排気バルブを合わせて4つ設け、吸排気効率を高めたエンジンという意味です。
DOHCと4バルブエンジンがほとんどの車に搭載される今となっては、特に珍しいものではなくなりました。
しかし、高出力エンジンにとってDOHCは欠かせない構造なのです。
排気量あたりで高馬力を出力するには、素早く、より多くの空気をエンジンに取り込み、燃焼ガスを排出することが求められます。
そのためのDOHCとマルチバルブです。
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マルチバルブ
大きなバルブを一つづつの方がたくさんの空気を取り込めそうですが、片側2バルブとすることにより、吸気の際の流速を高めることができます。
空気などの流体は、管と通るとき、途中で管の内径を絞ることで、その流れが速くなるのです。
さらにバルブを2つにすることでバルブを下げる高さを抑えることができます。
それにより、ピストンとバルブの間隔を多く取ることができるため、バルブの開いている時間をより多く確保することができ、吸排気できる量が増えるということになります。
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カムシャフト
DOHCにおいて、吸排気バルブを制御するカムシャフトが最も重要な役割を果たします。
カムシャフトとは、断面が卵のような型をしたカムが一本の棒に連結された部品で、それぞれのバルブの開閉させる機構を持ちます。
卵のやや下側を中心として回転し、卵の下側がバルブに接しているときは、バルブはスプリングの力で押し上げられ、閉じた状態です。
回転中心から距離のある卵の頭頂部分がバルブに接したときにバルブが押し下げられ、バルブが開く構造になっています。
以下のカムの設計寸法によってエンジンの出力特性に大きく関わるため、エンジンにとって、最も重要な部品です。
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DOHCのその他のメリット・デメリット
カムを吸気、排気、それぞれに設けるDOHCとことで、長いロッカーアームが必要なくなりエンジンの高回転化が可能になります。
また、制約が少なくなるためエンジン設計の自由度が増します。
さらに、VVTやVTECなどの可変バルブ機構を備えた場合、吸気と排気で独立して制御する事が可能なため、全回転域で理想的なエンジン特性を得ることができます。
デメリットとしては、エンジンヘッドの大型化により、エンジン重心が上がってしまうこと。
エンジン部品点数が増えるため、故障のリスクが高まってしまうこと。
生産コストの増加。
以上のデメリットが挙げられますが、ほとんどの車の搭載エンジンがDOHCとなっている今、特にデメリットはないといえるでしょう。
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バルブ周りのトラブル
オイル下がり
バルブの棒部分に付いているステムシールというゴムが劣化すると、エンジンオイルがそこから漏れ出す"オイル下がり"という現象が起きやすくなります。
漏れだしたエンジンオイルは、燃料と一緒に燃やされ、カーボン堆積の原因となります。
オイル下がりが起きると、エンジン始動時に白煙が上がるなどの症状が出るようになります。
距離を走ったエンジンで、マフラーから白煙が出たり、オイルの減りがやけに早い場合はオイル下がりを疑ってみてください。
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圧縮漏れ
本来バルブと密着しているはずのバルブシートが摩耗すると、できた隙間から空気が漏れ、シリンダの気密が保てなくなる”圧縮漏れ”が起こります。
また、燃焼の際に発生したカーボンがバルブに噛みこむことでも圧縮漏れがおこります。
そうなると正常な圧縮ができないため、エンジンはパワーダウンしてしまいます。
状態によってはエンジンがかからなくなる場合もあります。
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バルブのガタ
シリンダヘッドにとりつけられたバルブは、バルブガイドと呼ばれる筒に収められ、エンジンオイルの潤滑で動作されます。
長年の使用で磨耗してくるとバルブとガイドの隙間が大きくなり、バルブ動作にガタつきが生じます。
ガタがでると、エンジンはパワーダウンし、回転フィーリングも悪化します。
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DOHCエンジンのメンテナンス
高い出力を誇るDOHCエンジンはオイル管理が重要といえます。
良いコンディションを保つには、適切なオイル交換と、なるべく質の良いエンジンオイルを使いたいものです。
また、スポーツエンジンのように、空燃費が濃いほどカーボンが堆積しやすい傾向にありますので、燃料が特に濃くなる短距離ばかりの走行はなるべく控えて、適度に中、高回転まで回してやるのがコンディションを保つ秘訣です。
最近はバルブ周りは燃焼室のカーボンを除去するケミカルクリーナーも充実しているので、試してみるのも良いかもしれません。
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バルブエンジンの未来
いかがでしたでしょうか？
エンジンバルブとその特性を活かしたDOHCエンジンの解説をさせていただきました。
DOHCエンジン開発が熟成を迎え、その進化はそろそろ打ち止めの時期とかと思われますが、メーカー各社ではさらにその先のエンジンを見据えています。
最近のBMWのバルブトロニックは無段階でのバルブタイミングとバルブリフト制御を実現し、カムシャフト特性に依存しないエンジン制御を実現しています。
さらにフィアットではバルブを油圧で動作させ、完全にカムシャフト廃した形でエンジン制御を可能とした"マルチエアエンジン"を採用しています。
スウェーデンのスーパーカーメーカーであるケーニグセグもまた、カムシャフトを使わず、空気圧と油圧を使った"フリーバルブ"というバルブ制御機構を開発中です。
また"デュークエンジン"と呼ばれる、バルブを使用しない全く新しい発想のエンジンも生みだされています。
カムシャフトレス、バルブレス化により、エンジン効率の向上が今後のトレンドになりそうです。
限りある化石燃料が持つエネルギーを無駄なく使うために、エンジンは今も進化しつづけているのです。
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