「バイクのエンジンって何であんなにハイパワーなん?」

「あれだけ高回転で回るエンジンにどうやって吸排気してるん?」

 

こんにちわ。管理人のhaseです!(^^)!

バイクのエンジンってほんと凄いですよね。軽量でかつハイパワー。しかも使われている素材も高価なパーツだったり . . .

 

あれだけ高速でエンジンが回るって圧巻です (゚Д゚)ノ

 

しかもですよ!

 

その狂った様に高速で動くピストンに、コンマ数ミリのタイミングでシリンダー内にガソリンを供給しているんです。

なぜその様な事が可能なのでしょうか?

 

も~これは調べるしかありません(゚Д゚)ノ

今回この記事では、そんなガソリンの吸排気を司るエンジンバルブについてお伝えしていきますね。

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エンジンバルブ

4サイクルのシリンダーヘッドに設けられた二種類の穴吸気口排気口。この二つの穴を開閉して吸気と排気を制御するのがエンジンバルブです。


 

では、どういった仕組みで動いているのでしょう?

エンジンバルブが動く原理

エンジンバルブの動く原理はカムシャフトと呼ばれる部品によってバルブの開閉を制御しています。

 

そしてカムシャフトはクランクシャフトによって動くのです。

 

ここに簡単ですが、挙げてみますね。

 

エンジンのピストンによる上下運動でクランクシャフトが回転


そのクランクシャフトにチェーンやギアを介してカムシャフトも回転

 

この様になります!(^^)!

で!

ここからが凄い重要です!

 

4サイクルは4工程でクランクシャフトが2回転します。
  1. 吸気
  2. 圧縮
  3. 燃焼
  4. 排気
 



その中で吸気排気はそれぞれ一回ずつ行われます。

って事はクランクが二回転するのをカムシャフトが一回転させる事で吸排気バルブそれぞれがエンジンの動きに合わせて開閉できる訳です!(^^)!

※ここの解説が簡単な様で難しいです . . .

 

 

お次はこちらになります。

吸気バルブは排気バルブより大きい

知ってました?

バルブって吸気、排気で大きさが違うんです。

 

吸気バルブの方が排気バルブより随分と大きいんです。それは排気抵抗より吸気抵抗の方が大きいから。

吸気工程はエンジンピストンが上死点から下死点に下降する時に行われます。

 

ピストンが下降する事でシリンダー内が負圧になります。そこに吸気バルブが開いて混合気がシリンダー内に勢いよく充満されるんですが . . .

ここで問題が発生するんです 。

 

混合気を吸気をしようとする時に抵抗となる力が発生します。

「何、それ?」

 

簡単で極端な例を挙げますね。

ストローでコップ内のジュースを吸うとします。細い径のストローでジュースを吸うと吸いにくくなります。その逆に大きい径のストローで吸うと一気にジュースが口元に入ってきます。

これなんです!

 

それと同じ事がエンジン吸気ポートでも行われているんです。なので吸気バルブは大きい方がいいんです!(^^)!

 
因みに排気バルブについてですが、こちらは爆発した勢いで排気されるので楽です。なので排気バルブは小さくても大丈夫なんですね!(^^)!
 

お次はこちらについてです。

バルブ重量

ピストンって秒速20mで動くんです。これは時速に表すと72km/h。

その様な状態で上下運動をする訳ですから、そこに吸排気を行うバルブにもかなりの負荷がかかります。これをもう少し詳しく見ていくと、エンジンが7,000rpmで回転するとエンジンバルブは一秒間に58回以上、開け閉めを行なっているんです(゚Д゚)ノ

凄いですよね!

 

しかも、吸排気を爆発を伴いながらしている訳なので、その温度は900度以上になるんです。ハッキリ言って常識で考えれば凄い状況です。

これらから、エンジンバルブに求められる事は耐熱と軽量である事なんです

 

そこでこの様な種類のバルブがあります。

中空バルブ

こちらのバルブ、一秒間に58回以上も開け閉めするのに対応出来る様に考えられたバルブです。

高速で動くには重くては負荷が掛かります。それはバルブスプリングだったりカムシャフトだったり . . .

 

バルブの中身を空洞にする事で軽量化を実現しました!(^^)!

 

お次はこちらです。


高回転でハイパワーを可能にするチタンバルブ

こちらのバルブも凄いです!

それは市販のバイクでも200馬力越えのマシンが出てきた事からも明らかです。

「ちょっと待って!それってまるでチタンバルブのお陰でエンジンのハイパワー化が可能になったかの様な言い方やん?」

 

その通りです!(^^)!

「マジか . . .」

 

一昔前のバイクで200馬力と言えば、一握りのレーシングマシンしか手にする事が出来ない凄いパワーでした。それが今や市販車のスーパースポーツではそのほとんどが200馬力越えを可能にしています。

 

これはバルブが変わったからと言われています。

エンジンに使われるバルブと言えば耐熱鋼材が主流です。それがチタンバルブの登場によって、軽量かつ高強度になったのです!(^^)!

 

その効果ではこの様な事が挙がります。
  • バルブが軽くなる事でバルブスプリングのフリクションロス低減
  • 軽くなる事でバルブの傘部分を大径化→燃料の吸入量を増やせる
 

この様になりその結果、凄い馬力の発生が可能になりました!(^^)!

 

お次はマルチバルブについて。

マルチバルブ

エンジンがより高回転になると当然ながら吸排気が追い付かなくなってきます。するとエンジンの限界に . . .

これを回避させる為に先程お伝えしたチタンバルブでの大径化ポートの数を増やす【マルチ化】があります。


マルチバルブ化する事で吸排気をコンパクトに出来、更により沢山のガソリンの吸気が可能になります。

そして点火プラグホールがシリンダーヘッド中央に来る事でより高回転、高出力が可能になりました。

 

お次はこちらです。

可変バルブシステム

このシステムは車ではよく使われるシステムです。それがバイクに取り入れられたのが1999年。ホンダ車CB400SFがこのシステムをいち早く取り入れました。

当時このシステムがバイクに取り入れられた事で世間では結構話題になりました。

凄いシステムなんです!(^^)!

 

まさにバルブを可変する可変バルブシステム


低中速時、マルチバルブ化された4つの吸排気の穴の内、吸気1つと排気1だけが作動して最適な燃調を合わせてくれます。

そして高速になると、4つ全てのバルブが作動します。これにする事で伸びのあるスムーズな特性が可能になるます。

凄い機能です!(^^)!

 

お次はレースの世界で使われるバルブについてです。

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高回転型エンジンのバルブ機構

レースの世界ではこの様なバルブシステムを採用しています。

ニューマチックバルブ

このバルブシステムはあのF1で取り入れられているバルブシステムです。

バルブはカムシャフトとバルブスプリングによって作動していますが、高回転になればなる程バルブのジャンプやバウンドといったエンジンの動きに追従が不可能な状態になってきます。

かといってバルブスプリングを強化してもそれがロスに . . .

 

そこで考え出されたのがニューマチックバルブ【エアバルブ】です。

どう言った原理なのか?

 

バルブを下げる(開く)時はカムの力で行います。肝心なのはスプリングでバルブを閉じる時です!

スプリングでは高回転エンジンの動きに対して限界があります。

かといってスプリングを強化しても今度はバルブのフリクションロスに繋がります。

それに代わるのが空気の力。2万回転と言う超高速回転で動くエンジンの回転にエアの力を取り入れる事でその強力なパワーを手に入れました。

今の時点では市販車でこれを使ったモデルはまだありません。

※唯一使われているエンジンがMoto GPマシンのエンジンです

 

お次はこちらです。

デスモドロモック機構

こちらの機能も少し違った機能になります。

本来はカムでバルブを押し下げてスプリングの力でバルブを押し戻します。それがカム(ロッカーアーム)の力で押し下げてカム(ロッカーアーム)の力でバルブを押し戻すのです。

 
ロッカーアームとはカムの動力をバルブに伝える部品の事です
 

「今までで一番シンプル!(^^)!」

そうなんです!全てカムの力でバルブを制御するのがデスモドロミック機構なんです。

 

このシステムのメリットについて。
  • スプリングが無くなる事でバルブによる動作不良(サージング)の低減
  • スプリングが無くなる事によるバルブ機構の簡潔化(エンジンヘッドの簡素化)
  • サージングの低減によるエンジンの高回転化
良い事だらけですね!(^^)!

 

 

でも、デメリットもあります。
  • バルブを閉じるためのもう一つのカム機構が必要
  • 頻繁にバルブクリアランスを調整する事が必要
 

特にもう一つのカム機構が必要と言うことはエンジン重量増になります。

 

 

マメ知識

ドカティでは1955年からこの機構を採用していて、1974年にバルブのスプリング式を終了しています。以来デスモドロミック機構オンリーでエンジンを作り続けています。

 

 

お次はこちらです。

チタンバルブが私のバイクにも!

この記事を書いていてある事を思ったんです。それが

「もしかして私のバイクもチタンバルブ?」

と言う事です。

 

「いやいや~そんな事ないでしょ!だって今から12年前のGSX-R1000ですよ!当時は世界最速だったけどさすがにそれはないって!」

そこでGSX-R1000 K6の雑誌を調べてみる事に。

 

すると?

なんと!チタンバルブが使われていたんです(゚Д゚)ノ

これは正直驚きです。そして嬉しいです♪

 

私、このバイクに乗る前はその前のモデルK3に乗っていたんです。

GSX-R1000でチタンバルブが使われ始めたのはこのK5シリーズから。なのでそのレビューが出来ます!(^^)!

 

結論から言いますと、チタンバルブが使われたこのモデルになって馬力が1,3倍程上がっています。それは低速領域から高速領域まで全域においてです。

これはチタンバルブの恩恵がかなりあるのかな?と思いました!(^^)!

 

では、最後になります。

おしまいに

今回、4サイクルエンジンのバルブについて私なりに色々調べて記事にしてみました。

調べれば調べる程、エンジンの構造が考えつくされた凄いシステムだって事が実感しました。特にあれだけ高回転で動くのによく壊れないなぁ~と感心させられます!(^^)!

 

もう一度どおさらいしますね。

 
  • エンジンバルブはカムシャフトとバルブスプリングで制御されている
  • 200馬力越えが可能になったのはチタンバルブの恩恵がある
  • マルチバルブの登場でより高回転が可能になった
  • 可変バルブの採用でよりエンジン効率が上がった
  • F1に使われるニューマチックはエアの力を応用した凄いバルブ機構
  • デスモドロミック機構はカムだけを使ったスプリング機構を使わないバルブシステム
 

 

こうやって記述しているとバルブ機構について、ほんと色々なアイデアが考えられていると実感しました。どの機構も高効率です。

 

これからもどんどん進化が進むエンジン機構。どんなエンジンが登場するのでしょう?楽しみです!(^^)!

 

 

※記事中のデスモドロミック機構に出てきたロッカーアーム。こちらを記事にしてみました。

ロッカーアームとは?カムの動きをバルブへ伝える重要なパーツ~

 

 

では、失礼します。

 

 

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