ポペットバルブ
ポペットバルブ（マッシュルームバルブ[ 1 ]とも呼ばれる）は、エンジンに出入りするガソリン（ガス）や蒸気の流量とタイミングを制御するために使用されるバルブですが、その他にも多くの用途があります。
バルブは、通常円形または楕円形の断面を持つ穴または開放型のチャンバーと、バルブステムと呼ばれるシャフトの先端に設けられた円盤状のプラグで構成されています。このプラグの作動端であるバルブフェースは、通常45°の斜角に研磨されており、密閉されるチャンバーの縁に研磨された対応するバルブシートと密着します。シャフトは、位置合わせを維持するためにバルブガイドを通過します。
バルブの両側の圧力差は、バルブの性能を向上または低下させる可能性があります。排気用途では、バルブへの圧力が高いほどバルブを密閉しやすくなり、吸気用途では圧力が低いほどバルブが開きやすくなります。
語源
ポペットという語は「人形」と同じ語源を持つ。中英語のpopet（「若者」または「人形」）から来ており、これは中フランス語のpoupette （ poupéeの縮小形）に由来する。バルブを表すのにポペットという語が使われるようになったのは、ポペットバルブと同様に、直線的に伝達される遠隔動作に応じて人形が動くマリオネットにも使われている同じ語に由来する。 [ 2 ] [ 3 ]かつては「パペットバルブ」はポペットバルブの同義語であったが、[ 4 ] [ 5 ]今では「パペット」という用法は使われていない。
デザイン
ポペットバルブは、スライドバルブやオシレーティングバルブとは異なります。ポペットバルブは、ポートを開くためにシート上をスライドまたは揺動するのではなく、ポートの平面に対して垂直な動きでシートから上昇します。ポペットバルブの主な利点は、シート上での動きがないため、潤滑油を必要としないことです。[ 6 ]
直動式バルブでは、ほとんどの場合、「バランスドポペット」を採用することが効果的です。ポペットにかかるすべての力が等しく反対方向の力によって打ち消されるため、ポペットを動かすのに必要な力は少なくなります。ソレノイドコイルはスプリング力のみを打ち消せばよいのです。[ 7 ]
ポペットバルブは内燃機関や蒸気機関での使用で最もよく知られていますが、脈動流量制御が必要な一般的な空気圧回路や油圧回路にも使用されます。脈動は、必要に応じて差圧とスプリング荷重の組み合わせによって制御できます。
空気入りタイヤに使用されるプレスタバルブとシュレーダーバルブは、ポペットバルブの例です。プレスタバルブにはバネがなく、空気を入れた状態で圧力差を利用して開閉します。
ポペットバルブは、潜水艦からの魚雷発射に広く用いられています。多くのシステムでは、圧縮空気を用いて魚雷を発射管から排出しますが、ポペットバルブは大量の空気（および相当量の海水）を回収することで、潜水艦の潜航位置を露呈させる可能性のある気泡の雲を減らします。[ 8 ]
内燃機関での使用
ポペットバルブは、ほとんどのピストンエンジンで、シリンダーヘッドを通って燃焼室へ流入する吸気ガスと排気ガスの流れを制御するために使用されています。ポペットバルブの燃焼室内側は平らなディスク状で、反対側はディスク状から「バルブステム」と呼ばれる細い円筒状のロッドへと細くなっています。
素材と耐久性
現代の量産エンジンの典型的なバルブは、鋼合金製の中実バルブです。しかし、一部のエンジンでは、熱伝達を向上させるために、ナトリウムを充填した中空バルブが使用されています。
多くの最新エンジンはアルミニウム製のシリンダーヘッドを採用しています。これは熱伝達効率に優れていますが、鋼鉄製のバルブシートインサートを使用する必要があります。古い鋳鉄製シリンダーヘッドでは、バルブシートはシリンダーヘッドの一部であることが多いです。バルブステムの周囲には0.4～0.6 mm（0.016～0.024インチ）の隙間があるため、吸気マニホールドや燃焼室へのオイルの流入を防ぐために、バルブステムオイルシールが使用されます。一般的には、ゴム製のリップタイプのシールが使用されます。摩耗したバルブガイドやオイルシールの不具合の一般的な症状として、スロットルを急に閉じた際など、吸気マニホールドの負圧が上昇した際に排気管から青煙が噴出することが挙げられます。
歴史的に、バルブには2つの大きな問題がありましたが、どちらも現代の冶金学の進歩によって解決されました。1つ目は、初期の内燃機関ではバルブの摩耗率が高く、定期的にバルブの再研磨が必要だったことです。2つ目は、1920年代からガソリンに鉛添加剤が使用されており、エンジンのノッキングを防ぎ、バルブの潤滑性を高めていたことです。バルブ（ステンレス鋼など）やバルブシート（ステライトやインコネルなど）に用いられる現代の素材のおかげで、1990年代半ばまでに多くの先進国で有鉛ガソリンは段階的に廃止されました。
ナトリウム冷却排気バルブ
排気バルブは非常に高温にさらされるため、極めて高性能な用途ではナトリウム冷却が採用されることがあります。バルブは中空構造で、ナトリウムが充填されています。ナトリウムは比較的低温で融解し、液体状態になると、高温のバルブヘッドからステムへと熱を対流させ、そこからシリンダーヘッドへと伝導します。第二次世界大戦のピストンエンジンでは一般的でしたが、現在では通常、高性能エンジンにのみ採用されています。[ 9 ] 1960年代と70年代のダッジトラックエンジンには、413-1型と440-3型（品番：1859-623）にナトリウム充填バルブが搭載されていました。[ 10 ]
作動方法
1890年代から1900年代の初期のエンジンでは、「自動」吸気バルブが使用されていました。このバルブは燃焼室内の真空によって開き、軽いバネによって閉じられました。排気バルブはシリンダー内の圧力に逆らって開くため、機械的に駆動する必要がありました。自動バルブの使用により機構は簡素化されましたが、バルブのフロートによってエンジンの回転速度が制限され、1905年頃には自動車用エンジンにも機械式吸気バルブが採用されるようになりました。
機械的な操作は通常、バルブステムの端を押すことで行われ、バルブを閉位置に戻すためにスプリングが使用されるのが一般的です。エンジン回転数（RPM ）が高い場合、バルブトレインの重量によりバルブスプリングがバルブを素早く閉じることができず、バルブの浮き上がりやバウンスが発生します。デスモドロミックバルブは、バルブスプリングの代わりに2つ目のロッカーアームを使用して機械的にバルブを閉じるため、高RPMで動作するエンジンでバルブの浮き上がりを防ぐために使用されることがあります。
ほとんどの量産エンジンでは、カムシャフトが複数の中間機構（プッシュロッド、ローラーロッカー、バルブリフターなど）を介してバルブの開閉を制御します。カムシャフト上のカムの形状はバルブリフト量に影響を与え、バルブが開くタイミングを決定します。
バルブの数と位置
初期のフラットヘッドエンジン（Lヘッドエンジンとも呼ばれる）では、バルブがシリンダーの横に「逆さま」の向きでシリンダーと平行に配置されていました。[ 11 ]この設計により構造が簡素化され安価になりましたが、吸気ガスと排気ガスの曲がりくねった経路が空気の流れに大きな欠点があり、エンジン回転数が制限され[ 12 ]、高負荷が続くとエンジンブロックが過熱する可能性があります。フラットヘッドの設計は、初期の多くのオートバイといくつかの車で使用された吸気上排気（IOE）エンジンへと進化しました。IOEエンジンでは、吸気バルブはシリンダーの真上に配置されていましたが（後のオーバーヘッドバルブエンジンと同様）、排気バルブはシリンダーの横に逆さまのままでした。
これらの設計は、1904年から1960年代後半/1970年代前半から中頃にかけて、吸気バルブと排気バルブが両方ともシリンダーの真上にあり（カムシャフトはエンジンの下部にある）、オーバーヘッドバルブ (OHV) エンジンに大部分置き換えられました。同様に、OHV エンジンは、1950年代から1980年代にかけて、オーバーヘッドカムシャフト (OHC) エンジンに大部分置き換えられました。バルブの位置は、OHV エンジンと OHC エンジンでほぼ同じですが、OHC エンジンでは、カムシャフトがバルブとともにエンジンの上部にあり、OHC エンジンの方がシリンダーあたりのバルブの数が多いことがよくあります。ほとんどの OHC エンジンでは、シリンダーごとに追加の吸気バルブと排気バルブがあります (4 バルブ シリンダー ヘッド)。一方、ほとんどの OHV エンジンでは、シリンダーあたり 2 つのバルブの設計になっています。ただし、一部の OHC エンジンでは、シリンダーあたり 3 つまたは 5 つのバルブを使用しています。
蒸気機関での使用
ジェームズ・ワットは1770年代に、ビームエンジンのシリンダーへの蒸気流量を制御するためにポペットバルブを使用していました。この装置を使用したワットの1774年のビームエンジンの断面図は、サーストン（1878年）98頁[ 13 ]に掲載されており、ラードナー（1840年）はワットによるポペットバルブの使用について図解で説明しています。[ 14 ]
高圧用途、例えば蒸気機関の吸気弁などに使用される場合、ポペット弁の密閉を助ける圧力は、弁を開くのに必要な力にも大きく影響します。このため、バランスドポペット弁またはダブルビート弁が開発されました。これは、2つの弁プラグが共通のステム上にあり、一方の弁プラグにかかる圧力がもう一方の弁プラグにかかる圧力とほぼ均衡する弁です。[ 15 ] [ 16 ]これらの弁では、弁を開くのに必要な力は、圧力と2つの弁開口部の面積の差によって決まります。シケルズは1842年にダブルビートポペット弁用の弁装置の特許を取得しました。1889年の科学誌『サイエンス』には、外輪船エンジンに使用されている平衡ポペット弁（記事では「ダブル、バランスド、またはアメリカン・パペット弁」と呼ばれていました）について、その性質上15%の漏れが生じるという批判が掲載されました。[ 17 ]
ポペット弁は蒸気機関車で使用されており、レンツ弁やカプロッティ弁と組み合わせて使用されることが多い。英国の例としては、以下のものがある。
センチネル貨車工場は、蒸気貨車と蒸気機関車にポペット弁を採用していました。後進は、シンプルなスライドカムシャフトシステムによって実現されていました。
フランスの多くの機関車、特にアンドレ・シャペロンの設計に基づいて改造されたSNCF 240Pなどの機関車は、レンツの振動カムポペットバルブを使用していました。これは、機関車にすでに装備されていたヴァルシャートバルブ装置によって操作されました。
ポペットバルブはアメリカのペンシルバニア鉄道のT1複式機関車にも使用されていましたが、機関車は時速160キロメートル（100マイル）を超える速度で運転されることが多かったため、バルブは頻繁に故障し、そのような速度に耐えられる設計ではありませんでした。また、ポペットバルブは機関車に独特の「チャッ」という音を発していました。
ポペット弁の設計の一つは、1833年にニューカッスル・アンド・フレンチタウン鉄道のアメリカ人EAGヤングによって発明されました。ヤングはこのアイデアの特許を取得していましたが、1836年に米国特許庁で発生した火災により、その記録はすべて消失しました。[ 18 ]
参照
参考文献
- ^ AL Dyke (1921), Dyke's Automobile and Gasoline Encyclopedia , St. Louis, AL Dyke, 2016年6月11日時点のオリジナルよりアーカイブ
- ^ “ Poppet at Merriam-Webster” . Merriam-webster.com. 2011年10月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年12月6日閲覧。
- ^ 「Puppet at Merriam-Webster」 Merriam-webster.com。2012年1月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年12月6日閲覧。
- ^ 「1913年版ウェブスター辞書のパペットバルブ」 Websters-online-dictionary.org。2006年2月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年12月6日閲覧。
- ^ 「米国特許番号339809、「パペットバルブ」、1886年4月13日発行」。Patimg1.uspto.gov。2017年1月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年12月6日閲覧。
- ^フェッセンデン、チャールズ・H. (1915).バルブギア. ニューヨーク: マグロウヒル. pp. 159–168 . 2016年6月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ワール、フィリップ (2013).ピストンスプールバルブとポペットバルブ。エスリンゲン: Festo AG & Co. KG。
- ^アメリカ海軍（2009年2月）「魚雷発射管マニュアル」Lulu.com ISBN 9781935327639– Google ブックス経由。
- ^ Cameron, Kevin (2020年4月22日). 「ナトリウム充填バルブに関するいくつかの事実」 . Cycle World . Octane Media, LLC . 2023年7月9日閲覧。
- ^ダッジ部品カタログ、1969年 - 1979年
- ^ "fsoc" . fsoc . 2018年3月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年4月24日閲覧。
- ^ 「クリントンエンジンの便利なガイド」（PDF） 1956年2ページ。2015年10月3日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2015年10月2日閲覧。
回転数2200～3600
- ^サーストン、RH（1878年）『蒸気機関の発展の歴史』ニューヨーク：アップルトン社、 98頁。
- ^ Lardner, Dionysius (1840). The steam engine explained and illustration . London: Taylor and Walton. pp. 189–91 . 2013年10月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Jacques Mouchly、「機関車およびその他のエンジン用のバルブおよびバルブギア」、米国特許第1,824,830号、1931年9月29日発行。
- ^ Herman G. Mueller、「蒸気エンジンバルブ」、米国特許 1,983,803、1934年12月11日発行。
- ^ ENディッカーソンによる1889年1月17日のニューヨーク電気クラブでの講演での批判。サイエンス誌第13巻第314号、1889年2月8日、p.95 sciencemag.orgに掲載。
- ^ホワイト、ジョン・H. (1979). 『アメリカ機関車の歴史』ノース・チェルムズフォード、マサチューセッツ州: クーリエ・コーポレーション. p. 145.
