エンジンバルブ

エンジンバルブは、内燃機関で使用される機械部品であり、エンジンの動作中に燃焼室またはシリンダーとの間の流体またはガスの流れを許可または制限します。機能的には、流れを遮断または通過させるという点で他の多くのタイプのバルブと同様に機能しますが、正しい順序で開閉するためにロッカーアームなどの他のエンジンコンポーネントとインターフェースする純粋な機械装置です。正しいタイミング。

エンジンバルブという用語は、車両の排気制御および排気ガス再循環システムの一部として空気噴射に使用される一種の逆止弁を指す場合もあります。このタイプのエンジンバルブについては、この記事では取り上げません。

エンジンバルブは、ガソリン、ディーゼル、灯油、天然ガス（LNG）、プロパン（LP）などの燃料で作動するかどうかに関係なく、多くの種類の燃焼エンジンに共通しています。エンジンの種類は、燃料の点火から発電する燃焼室であるシリンダーの数によって異なります。また、操作の種類（2サイクルまたは4サイクル）、およびエンジン内のバルブの設計配置[オーバーヘッドバルブ（OHV）、オーバーヘッドカム（OHC）、またはバルブインブロック（VIB）]によっても異なります。 。

この記事では、一般的な燃焼エンジンのエンジンバルブの操作について簡単に説明し、バルブのタイプとその設計および材料に関する情報を示します。他のバルブタイプに関するその他の詳細については、関連ガイド「バルブについて」を参照してください。

エンジンバルブの命名法
ほとんどのエンジンバルブは、上下のポッピング動作のためにポペットスタイルのバルブとして設計されており、機械加工されたバルブシートにフィットして流体またはガスの通過を遮断する円錐形のプロファイルバルブヘッドを備えています。バルブヘッドの形状が特徴的であるため、マッシュルームバルブとも呼ばれます。図1は、一般的なエンジンバルブのさまざまな要素の命名法を示しています。

ポペットバルブの命名法を示す図。
図1-標準的なポペットスタイルのエンジンバルブの命名法。
画像クレジット：https：//dieselnet.com

2つの主要な要素は、バルブステムとバルブヘッドです。ヘッドには、指定された角度で加工されたシート面につながるフィレットが含まれており、一致するバルブシートの加工と一致します。バルブ面のバルブシートへの着座は、燃焼圧力に対するバルブのシールを提供するものです。

バルブステムは、バルブスプリングによって提供される着座圧力に抗してステムを動かす力を生成することにより、バルブを操作するエンジンの機械要素にバルブを接続します。キーパー溝はスプリングを所定の位置に保持するために使用され、バルブステムの先端は、バルブを作動させるロッカーアーム、タペット、またはリフターによって繰り返し接触されます。

エンジン操作
4ストロークまたは4サイクル内燃エンジンは、吸気バルブと排気バルブの2つの主要なタイプのバルブを使用します。吸気バルブは、圧縮と点火の前にエンジンのシリンダーへの混合気の流れを可能にするために開かれ、排気バルブは、点火が起こった後の燃焼プロセスからの排気ガスの排出を可能にするために開かれます。

通常の操作では、ピストンが取り付けられているエンジンのクランクシャフトは、エンジンのバルブトレイン配置の一部としてカムシャフトに接続されています。クランクシャフトの動きは、タイミングチェーン、タイミングベルト、またはその他のギア機構を介してカムシャフトに運動を伝達します。クランクシャフトの位置（シリンダー内のピストンの位置を確立する）とカムシャフトの位置（シリンダーのバルブの位置を決定する）の間のタイミングと位置合わせは、最高のエンジン性能だけでなく、高圧縮エンジンのピストンとバルブ間の干渉を防ぐため。

吸気サイクルでは、吸気バルブが開くと、吸気シリンダーのピストンが下向きに循環します。ピストンの動きにより、空気と燃料の混合物をシリンダーに引き込むのに役立つ負圧が発生します。ピストンがシリンダー内の最低位置（下死点と呼ばれる）に達した直後に、吸気バルブが閉じます。圧縮サイクルでは、ピストンがシリンダー内で最高位置（上死点と呼ばれる）に上昇するときに吸気バルブが閉じられ、シリンダーが密閉されます。これにより、混合気が少量に圧縮されます。この圧縮作用は、燃料が点火されたときにピストンに対してより高い圧力を提供するだけでなく、混合気を予熱して燃料の効率的な燃焼を支援するのに役立ちます。パワーサイクルでは、空気/燃料混合物が点火され、爆発が発生してピストンが最低位置に戻され、空気/燃料混合物の燃焼によって放出された化学エネルギーがクランクシャフトの回転運動に伝達されます。排気サイクルでは、吸気バルブが閉じたままで排気バルブが開いている間に、ピストンがシリンダー内で再び上昇します。ピストンによって生成された圧力は、排気ガスをシリンダーから排気バルブを介して排気マニフォールドに押し出すのに役立ちます。エキゾーストマニホールドに接続されているのは、エキゾーストシステム、音響ノイズを低減するマフラーを含む一連のパイプ、およびエンジン燃焼からの排出を管理する触媒コンバーターシステムです。排気サイクルでピストンがシリンダーの上部に達すると、排気バルブが閉じ始め、吸気バルブが開き始め、プロセスが最初からやり直されます。吸気のシリンダー圧力は吸気バルブを開いたままにするのに役立ち、圧縮サイクルの高圧は両方のバルブを閉じたままにするのに役立つことに注意してください。

複数のシリンダーを備えたエンジンでは、同じ4サイクルが各シリンダーで繰り返されますが、エンジンがスムーズな出力を証明し、騒音と振動を最小限に抑えるように順序付けられています。ピストンの動き、バルブの動き、および点火の順序付けは、空気/燃料混合物に点火するスパークプラグへの点火信号の正確な機械的設計と電気的タイミングによって達成されます。

エンジンバルブの動き
エンジンバルブの動きは、エンジンのカムシャフトによって駆動されます。カムシャフトには、カムシャフトの回転からバルブの線形運動を作成するのに役立つ一連のローブまたはカムが含まれています。カムシャフトのカムローブの数は、エンジンのバルブの数と同じです。カムシャフトがシリンダーヘッドにある場合、エンジンはオーバーヘッドカム（OHC）設計と呼ばれます。カムシャフトがエンジンブロック内にある場合、エンジンはオーバーヘッドバルブ（OHV）設計と呼ばれます。エンジンの設計に関係なく、エンジンバルブの基本的な動きは、カムがリフターまたはタペットに乗ってバルブステムを押す力を提供し、バルブスプリングを圧縮することによって発生します。これにより、バルブを保持するスプリング張力が除去されます。閉位置。このバルブステムの動きにより、バルブがシリンダーヘッドのシートから持ち上げられ、バルブが開きます。カムシャフトがさらに回転し、カムローブが移動して偏心部分がリフターまたはタペットに直接接触しなくなると、バルブステムがカムローブの中心部分に乗るときにスプリング圧力がバルブを閉じます。

バルブステムとロッカーアームまたはカムの間の適切なバルブクリアランスを維持することは、バルブの適切な操作にとって非常に重要です。運転中にエンジン温度が上昇するときに金属部品が膨張するのを可能にするために、ある程度の最小限のクリアランスが必要です。特定のクリアランス値はエンジンごとに異なり、適切なクリアランスを維持できないと、エンジンの動作と性能に深刻な影響を与える可能性があります。バルブクリアランスが大きすぎると、バルブは最適より遅く開き、早く閉じるため、エンジン性能が低下し、エンジンノイズが増加する可能性があります。バルブクリアランスが小さすぎると、バルブが完全に閉じず、圧縮が失われる可能性があります。油圧バルブリフターは自己補償型であり、バルブクリアランス調整の必要性を排除できます。

最新の燃焼エンジンは、設計と用途に応じて、シリンダーごとに異なる数のバルブを使用できます。芝刈り機で使用されるような小型のエンジンには、1つの吸気バルブと1つの排気バルブしかない場合があります。 4気筒、6気筒、8気筒エンジンなどの大型車両エンジンでは、シリンダーごとに4つのバルブを使用する場合もあれば、5つのバルブを使用する場合もあります。

エンジンバルブの材料
エンジンバルブは、高応力がかかる内燃エンジンのコンポーネントの1つです。信頼性の高いエンジン動作の必要性は、エンジンバルブが、高温、燃焼室からの高圧、およびエンジンダイナミクスからの機械的負荷と応力に繰り返し連続してさらされることに対する耐性を示すことができることを示しています。

内燃機関の吸気バルブは、吸気サイクル中にバルブを通過する流入する混合気の冷却効果により、熱応力が少なくなります。対照的に、排気バルブは、エンジンの排気サイクル中に排気ガスの経路にあることにより、より高いレベルの熱応力にさらされます。さらに、排気サイクル中に排気バルブが開いており、シリンダーヘッドと接触していないという事実は、燃焼面とバルブヘッドの熱質量が小さいほど、急激な温度変化の可能性が高くなることを意味します。

吸気バルブは、動作温度が低いため、通常、クロム、ニッケル、またはタングステン鋼などの材料で作られています。高温の排気バルブは、ニクロム、シリコンクロム、コバルトクロム合金などのより耐熱性の高い金属を使用する場合があります。

高温にさらされるバルブ面は、コバルトとクロムの合金であるステライトをバルブ面に溶接することにより、耐久性が向上する場合があります。

エンジンバルブの製造に使用される他のタイプの材料には、ステンレス鋼、チタン、およびトリバロイ合金が含まれます。

さらに、コーティングと表面仕上げを適用して、エンジンバルブの機械的特性と摩耗特性を向上させることができます。この例には、クロムメッキ、リン酸塩メッキ、窒化物コーティング、およびスワール仕上げが含まれます。

エンジンバルブの種類
機能（吸気対排気）によるエンジンバルブの特性評価に加えて、設計と材料に基づいて存在するいくつかの特定のタイプのエンジンバルブがあります。エンジンバルブの主なタイプは次のとおりです。

モノメタリックエンジンバルブ
バイメタルエンジンバルブ
中空エンジンバルブ
モノメタリックエンジンバルブは、その名前が示すように、バルブステムとバルブヘッドの両方を形成する単一の材料から製造されています。これらのタイプのエンジンバルブは、高い耐熱性と優れた減摩能力の両方を提供します。

バイメタルエンジンバルブとも呼ばれるバイメタルエンジンバルブは、摩擦溶接プロセスを使用して2つの異なる材料を結合し、バルブヘッドにオーステナイト鋼、バルブステムにマルテンサイト鋼を使用したバルブを作成することによって作成されます。これらの鋼のそれぞれの特性は最適な目的を果たし、バルブヘッドのオーステナイト鋼は高温耐性と耐食性を提供し、バルブステムのマルテンサイト鋼は高い引張強度と耐摩耗性を提供します。

中空エンジンバルブは、ナトリウムで満たされた中空キャビティを含む特殊なバイメタルバルブです。ナトリウムは、バルブの温度が上昇すると液化し、バルブの動きによって循環します。これにより、高温のバルブヘッドから熱を放散することができます。マルテンサイト系ステム材料はオーステナイト系ヘッド材料よりも優れた熱伝導体であるため、中空設計により、中実バルブよりもステムを介した熱伝達が容易になります。中空バルブは、固体バルブでは処理できない排気ガス温度が高い、より小さく、より高密度のエンジン設計からより多くの電力を供給している最新のエンジンでの使用に特に適しています。これらのより高い排気温度は、次のようないくつかの条件の結果です。

温室効果ガス排出量を削減する希薄燃焼プロセスへの要望
より高い圧縮比とより高い燃焼圧力を備えたエンジン設計は、より高い効率を提供します
小型エンジンからより多くのエンジン性能を得るためにターボチャージャーをサポートする統合マニホールド設計
エンジンバルブの設計には他にもいくつかの種類があります。いわゆるスリーブバルブは、シリンダー壁とピストンの間に位置し、他のエンジンバルブと同様にカムシャフトからスライドまたは回転して駆動されるチューブまたはスリーブで構成されています。スリーブバルブの動きにより、スリーブに切り込まれたポートがエンジンサイクルのさまざまなポイントでシリンダー壁の対応するポートと整列するため、ロッカーアームやリフターの複雑さを伴わない単純なエンジンの吸気および排気バルブとして機能します。

エンジンバルブ仕様
典型的なエンジンバルブは、以下に概説するパラメータによって指定されます。このデータは情報提供を目的としていることに注意してください。エンジンバルブの指定に使用されるパラメーターには、メーカーごとにばらつきがある場合があることに注意してください。仕様を理解することにより、バイヤーはエンジンバルブのサプライヤーと特定のニーズについて話し合うことができるようになります。