マルチバルブ

マルチバルブエンジン：高出力化への挑戦と技術的課題

レシプロエンジンの高出力化において、高回転化、摺動抵抗の低減、そして吸排気効率の改善は重要な要素です。吸排気効率の向上には、バルブの大径化が有効ですが、バルブの慣性モーメントが増加すると、高回転域でのバルブサージング（バルブの振動）が発生しやすくなり、高回転化を阻害する要因となります。また、バルブ径の拡大は、燃焼室内の点火プラグの位置を理想的な位置からずらしたり、密封性の低下を招く可能性も孕んでいます。

こうした課題を克服するために、1910年代後半以降、特に航空機やレーシングカー用エンジンにおいて、従来の2バルブ形式（吸気、排気バルブ各1個）に代わるマルチバルブ形式の開発が進められました。マルチバルブとは、1気筒あたり3個以上のバルブを用いる動弁機構です。

マルチバルブ化のメリットとデメリット

マルチバルブ化によるメリットは、バルブの有効開口面積が拡大し、バルブリフト量を小さくできる点です。これにより、ショートストローク化と組み合わせた高回転化が可能になり、バルブ径を小さく抑えることでバルブ挟み角の縮小も実現できます。

一方で、マルチバルブ化は構造の複雑化、部品点数の増加を招き、製造コストの上昇につながります。また、適合するボア径や回転域が限定されるというデメリットも存在します。

4バルブエンジンの普及とその他のマルチバルブ形式

吸気と排気にそれぞれ2個のバルブを持つ4バルブエンジンは、同じ役割のバルブを平行に配置でき、カムやロッカーアームも比較的シンプルな設計で済むため、製造が容易です。さらに、点火プラグを燃焼室中心部に配置しやすいことから、燃焼室形状を理想的な半球型に近づけることが可能です。これらの利点から、4バルブエンジンはレース用エンジンを中心に広く採用されています。

市販車においては、最大で5バルブエンジンが開発・販売されました。しかし、5バルブエンジンは燃焼室形状が扁平になりやすく、熱損失の増加や火炎伝播の悪化といった問題がありました。また、ポート形状の非対称性から吸気流が乱れ、燃焼制御に悪影響を及ぼすことも懸念されました。これらの問題から、製造コスト増加に見合うだけの性能向上効果が得られないと判断され、現在では高性能エンジンにおいても、4バルブ+ペントルーフ型燃焼室が主流となっています。

吸気側を大小2つのバルブとする4バルブエンジンも存在します。これは、同じ径のバルブ2本よりもバルブ面積を大きくできるため、吸気効率の改善が期待できますが、部品点数の増加によるコスト上昇という課題があります。一方、コスト重視のエンジンでは、摩擦や熱損失が少ない2バルブエンジンが採用されるケースもあります。

また、排出ガス規制への対応として、燃焼効率の向上を目的とした、吸気2バルブ・排気1バルブという変則的な3バルブエンジンも開発されましたが、広く普及するまでには至りませんでした。

マルチバルブエンジンの歴史

マルチバルブエンジンの歴史は古く、1912年にプジョーがレーシングカーに1気筒4バルブエンジンを搭載したのが最初とされています。その後、航空機用エンジンなどでマルチバルブエンジンが採用されてきましたが、自動車用エンジンでは長らく2バルブエンジンが主流でした。

1960年代のF1において、ホンダが4バルブエンジンを投入し、その後、コスワースDFVエンジンの成功によってレース用高性能エンジンとしてのマルチバルブエンジン（主に4バルブ）が定着しました。1980年代後半からは、市販車においてもDOHCと4バルブエンジンの組み合わせが普及していきました。

1980年代後半から1990年代中期にかけては、ヤマハが開発した5バルブエンジンが脚光を浴び、一時的なブームを巻き起こしました。特に、ヤマハのFZ750に搭載された5バルブエンジンは、レースで高い競争力を示しました。日本国内では、三菱ミニカのダンガンZZなどに5バルブエンジンが採用されました。その後、トヨタのカローラシリーズの一部グレードなどにも5バルブエンジンが搭載されましたが、上記で述べた課題から、広く普及するまでには至りませんでした。

5バルブエンジンを搭載した市販車例

5バルブエンジンは、トヨタ、三菱、アウディ、フォルクスワーゲン、フェラーリなどのメーカーの自動車や、ヤマハのオートバイなどに搭載されましたが、現在ではほとんど見られなくなっています。

マルチバルブエンジンの歴史は、高出力化への追求と、様々な技術的課題との戦いを通して発展してきたと言えるでしょう。

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