バルブの開閉によって吸排気を行う動弁系について紹介します。吸排気のタイミングは、エンジンの性能に大きく影響しますので、非常に大事な役割を担っています。動弁系の構造や機構はエンジンによって様々ですが、今回は自動車用の4ストロークエンジンを例に、吸気弁・排気弁・カムの仕組みを解説します。
バルブの役割
エンジンには、吸気弁と排気弁という2種類のバルブがあります。レシプロエンジンのシリンダーでは、吸気弁(吸気バルブ)と排気弁(排気バルブ)が交互に開閉することによって、吸排気が行われています。つまり、エンジンの吸気と排気をコントロール(開け閉め)している部品が吸気弁と排気弁になります。
- 吸気弁：燃料と空気の混合気をシリンダー内に取り込むために開閉するバルブ
- 排気弁：燃焼後の排気ガスをシリンダー内から排出するために開閉するバルブ
カムの役割
吸気弁・排気弁を開閉するための部品が「カム」です。
カムは卵型をした金属製の部品で、バルブの根元に配置されています。カムは、エンジンのクランクシャフトと連動したカムシャフトを通じて、回転させられています。カムが回転して出っ張った部分がバルブに当たると、バルブが下に押されて「開」の状態になります。カムがさらに回転すると、バルブはスプリングの働きによって元の位置に戻り、「閉」の状態になります。
このように、カムの形状(カムプロファイル)によって、バルブがどのタイミングで開いて、どのくらいの期間開いたままでいて、どのタイミングで閉じるかが決まります。カムプロファイルはエンジン性能や効率に影響を与えますので、非常に大事な設計要素になります。
下の図はもっともシンプルな直動式と呼ばれる方式です。このほかにも、カムとバルブの間にアームを設けたロッカーアーム方式やスイングアーム方式などがあります。原理はどれも同じですが、アームを利用して支点と力点を配し、より大きくバルブを動かすことができるという利点があります。また、アームとカムの間にさらにロッド(棒)を挟み、アームから離れた場所にカムを置くプッシュロッド式もあります。このように、吸気弁・排気弁を作動させる仕組みは様々な機構があります。
- 通常はスプリングによってバルブが閉じられている。
- カムが回転すると、バルブが押されて「開」になる。
- さらにカムが回転すると、スプリングによって押し戻され、バルブが元の位置に戻る。
まとめ
今回は、バルブとカムについて簡単に紹介しました。バルブは燃焼室を構成する部品でもあり、高温にさらされ、また、高強度も要求される重要部品です。カムはその形状に特徴があります。これらはエンジンの効率や信頼性によって重要な部品であり、この仕組みを理解することで、エンジンの構造や性能をより深く理解することにつながれば幸いです。
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