バルブ挟み角

バルブ挟み角：高性能エンジン設計における重要な要素

レシプロエンジンの心臓部であるシリンダーヘッドでは、吸気バルブと排気バルブの配置がエンジンの性能に大きな影響を与えます。これらのバルブの軸が作る角度を「バルブ挟み角」と呼びます。この角度は、エンジンの出力、燃費、排出ガス性能といった様々な要素に関連しており、エンジン設計において重要なパラメータの一つとなっています。

バルブ挟み角とエンジンの高出力化

エンジンの高出力化においては、単位時間あたりの吸気量を増やすことが不可欠です。そのため、吸気ポートの面積を拡大したり、バルブ径を大きくしたり、マルチバルブ化したりといった工夫がなされてきました。しかし、シリンダーのボア径は限られています。そこで、バルブ同士の干渉を防ぎつつバルブ径を大きくするため、バルブ挟み角を広げるという手法が用いられてきました。バルブ挟み角を広げることで、バルブを垂直に近い位置に配置した場合よりも大きなバルブを使用することが可能になり、バルブ開口面積を拡大できます。

特に、高出力を追求するレース用エンジンにおいては、長らくバルブ挟み角の大きな2バルブエンジン（吸気バルブ1個、排気バルブ1個）が主流でした。しかし、1940年代にクライスラーが開発したヘミエンジンは、従来よりも狭いバルブ挟み角（60°未満）を採用することで、大きなバルブ径と効率的な燃焼室を実現しました。これは航空機用エンジン開発で培われた技術を応用したもので、後に同社の自動車用エンジンの象徴的な技術となりました。一方、航空機用エンジンでは、4バルブエンジンが広く用いられていましたが、バルブ挟み角は非常に狭く設計されていました。

バルブ挟み角と燃焼室設計

当初、自動車用高性能エンジンでもバルブ挟み角の大きな2バルブエンジンが主流でした。これは、当時のエンジンは過給が一般的ではなく、圧縮比が低かったため、バルブ挟み角を広げても大きな支障がなかったためです。しかし、第二次世界大戦後、特にモータースポーツにおいて自然吸気エンジンの高性能化が進むにつれ、吸気2、排気2の4バルブシリンダーヘッドが広く採用されるようになりました。

レース用エンジンは高回転化を目指し、ボアストローク比が小さいビッグボア/ショートストロークエンジンへと進化していきました。しかし、ストロークが短くなると吸気の慣性効果が減少し、充填効率が低下します。また、ボアが大きくなると、火炎伝播に時間がかかり、燃焼効率が低下する傾向があります。さらに、大径バルブの使用は、点火プラグの配置を燃焼室の中心に置くことを困難にしました。これらの問題を解決するために、浅いペントルーフ形の燃焼室、点火プラグを中央に配置できる4バルブ、強いタンブル流（縦渦流）を発生させる直立した吸気ポートの組み合わせが有効であることが分かりました。1967年に登場したフォード・コスワース・DFVエンジンは、30°台の狭いバルブ挟み角を採用することで、これらの問題を克服し、高回転高出力化を実現しました。その後、レース用高回転型エンジンでは狭いバルブ挟み角が標準となり、現在では20°台が一般的となっています。

バルブ挟み角と市販車エンジン

市販車では、レース用エンジンほど極端なショートストロークエンジンは少ないものの、バルブ挟み角を小さくすることで燃焼室をコンパクトにする傾向があります。これにより、冷却損失を低減し、燃費向上に貢献します。そのため、市販車エンジンでは20～30°台のバルブ挟み角が広く用いられており、クライスラー・ヘミエンジンも現在では30°台となっています。

近年、トヨタが導入したダイナミックフォースエンジンは、約41°と比較的広いバルブ挟み角を採用しています。これは、吸気流量とタンブル流の両立を目指し、高速燃焼を実現するための設計です。このように、バルブ挟み角は、エンジンの出力、燃費、排出ガス性能など様々な要素を総合的に考慮して決定される重要なパラメータであると言えます。

バルブ挟み角の課題

圧縮比が低い時代には問題とならなかったバルブ挟み角の拡大は、現代においては様々な課題をもたらします。圧縮比を高めるためにはピストン上面を凸状にする必要があり、バルブ挟み角が広いほどその形状は複雑になります。これは燃焼室表面積の増大による熱損失の増加、ピストンの重量増や耐熱性の低下、加工コストの増大、ピストン上面形状の制限など、多くのデメリットにつながります。省燃費と排出ガス規制の強化が進む現代においては、広いバルブ挟み角は不利な要素となっています。

結論として、バルブ挟み角はエンジンの設計において、様々な要素を総合的に考慮する必要がある重要なパラメータであり、その最適な値はエンジンの用途や性能目標によって異なります。今後も、より高効率で環境性能に優れたエンジンの開発に向け、バルブ挟み角を含めた様々な設計要素の最適化が続けられていくでしょう。

もう一度検索