ターンフロー

ターンフローとは

ターンフローは、4ストロークエンジンにおけるシリンダーヘッドの吸排気方式の一種です。この設計では、シリンダーヘッドの片側に吸気ポートと排気ポートが配置され、吸入された空気は一方向に流れ、燃焼後の排気ガスが逆向きに排出される仕組みになっています。ターンフローは、リバースフローやカウンターフローとも称されます。

この方式はクロスフローと対になるものであり、クロスフローは吸排気が交差する形状を持つのに対し、ターンフローはより古い設計技術の一部とされています。ターンフローの設計はかつての内燃機関の主流でしたが、近年の技術進化により、その劣位が明らかになりました。

主な欠点

ターンフローはかつては生産性の面で優れた利点があり、クロスフローに比べて構造がシンプルで製造が容易でした。しかし、現在ではいくつかの欠点が浮き彫りになっています。

最初の問題は、ターンフローが同じ大きさの半球型燃焼室を作成する際、吸気ポートと排気ポートのサイズに制約が生じやすい点です。このため、高回転数での吸気効率が劣るいことに繋がります。

次に、インテークマニホールドとエキゾーストマニホールドが隣接するため、エンジンは高い温度の影響を受けやすく、プレイグニッションやキャブレターのパーコレーション、さらにはバックファイアが発生しやすくなります。この点からターンフロー式ヘッドは圧縮比を高く設定しにくくなっています。これらの理由により、日産のL型エンジンのような高性能モデルを除いて、モータースポーツや高性能エンジンでの需要は減少しています。

技術的アプローチ

ターンフローの欠点を克服するために、様々な技術的アプローチが取られました。オーストラリア車やイギリス車では、シリンダーヘッドの設計を改良し、排気ポートの上に吸気ポートを配置することでポートのサイズを拡大することが試みられました。このような設計はシリンダーヘッドの厚さを増し、排気ポートの角度がきつくなる問題も伴いましたが、ポートの径を大きくし、バランスを取る試みがされました。

サイアミーズ・ポートと呼ばれる手法は、隣接するシリンダー間で吸排気ポートを共有するユニークな設計です。この方法はポート拡大のための工夫から生まれましたが、混合気のバランスに課題を生み出しました。特に低回転域においては、トルクを得るためのヘルムホルツ共鳴を活用しにくくなります。

熱管理の面でも対策が施され、エキゾーストマニフォールドに耐熱バンデージやセラミックコーティングを施すことで熱問題への対処が行われました。また、特定の車両ではボンネットにNACAダクトを取り入れることにより吸排気マニホールドの冷却効率も向上されました。なお、熱をインテークマニホールドに意図的に伝える手法も検討されましたが、現在そのような方法は減少傾向にあります。

利点

ターンフローの利点は、特に低回転域での出力向上にあります。吸気ポートと排気ポートの近接が、排気熱により霧化を促進し、低回転時のトルク向上に寄与しました。また、エンジン部品の一体成形により生産コストを削減できる点もメリットでした。さらに、ターンフローによる強力な乱流の発生により、短いバルブオーバーラップでも吸入効率の改善が可能とされました。

しかし、高回転化が進むにつれこれらの利点は逆転し、高温によるプレイグニッションやバックファイアが問題となりました。特にクロスフロー設計が改良されると、ターンフローはその優位性を失ってしまい、次第に市場での立ち位置が弱まることとなりました。

過給機の活用

ターンフロー式シリンダーヘッドへの過給機の導入は、クロスフローに対する性能不足を補う手段として有用でした。初期のターボエンジンでは、ターボチャージャーのコンプレッサーハウジングにインテークを直接接続する設計が採用され、レスポンスの良いエンジンが実現されました。しかし、過給圧が増すにつれ、この配置は次第に廃れていきました。そして現在では、サイアミーズ・ポートと新たに設計されたマニホールドの組み合わせで、ターンフローの可能性を最大限に引き出すことができる技術が生まれています。

課題とチューニング

ターンフローは、キャブレターエンジン特有の特性を持ち、高速化が求められる車両よりも低回転域での出力向上に向いたデザインですが、高性能化に向けたチューンアップの期待が寄せられています。技術者やチューナーが工夫を凝らし、様々な改良を施すことで、ターンフロー式シリンダーヘッドは現在でも支持を受け続けています。

衰退と現状

日本の車両では1980年代以降、性能向上が進み、ターンフローヘッドを採用したエンジンは周辺的な存在となりました。しかし、特にディーゼルエンジンにおいてはまだターンフローが用いられる事例もあり、産業用途では未だに根強い支持があります。また、過去の遺物ともいえるターンフロー式エンジンは、特定のエンスージアストにより生き延びているのです。

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