内燃機関超基礎講座 | バルブの数が増えると何が得られるか。2バルブから8バルブまで。

5バルブまでは一部で見られるものの、一般的には4個が1気筒あたりのバルブ数の最大値。 ここ数十年で内燃機関の高性能化が推し進められるなか、この図式だけは長年の間変化が見られない。 バルブの数はどこまで増やせるのか、またその数と効果の間に存在する関係とは。


TEXT；髙橋一平（TAKAHASHI Ippey）

　吸排気の効率の良さはレシプロ内燃機関が常に目標とし続けている要素であり、そのためには燃焼室のすべての部分がポートとなり、エネルギー損失を伴わずに行なえる吸排気動作が理想といえるが、現実は理想とは程遠い。そんな理想と現実を分け隔てる最大の要素、それは円形の燃焼室と複数個必要とされる丸いバルブだ。




　とはいえ、円形の燃焼室の源となる、丸いピストンと、やはり丸い傘を持つポペットバルブは、レシプロ内燃機関を成立させるうえで最も大切な要素のひとつ。円形ほど相似形が容易に作り出せ、また圧力を密封するうえで都合の良い形は、ほかには存在しない。それ故にピストンにもバルブにも円形が用いられているわけで、円形以外のピストンや、ポペットバルブ以外のバルブ機構も試みはあったものの、少なくとも世の中のピストンやバルブを全て置き換えるほどの成功に至った例は未だ存在しない。




　そこで、ピストンとバルブは従来のまま、バルブの数を増やすことで、バルブ面積を増やそうという試みが行なわれた時期もあったわけだが、結局は古くから存在している4バルブに落ち着いている（5バルブは一部で成功例も見られた）。最も重要なバルブ開口面積(カーテン面積)は隣接するバルブが増えるほど、無効な面積も増え、4つ以上にバルブの数を増やしても、労力に見合った効果が得られることはなかったのである。

最もシンプルかつプリミティブな型式とされる2バルブだが、現在でも数多く存在しているのは、単純ながら、そこそこのパフォーマンスが確保できるため。周りに干渉するバルブが存在しないことから、有効に使えるカーテン面積は広いのだ。

吸気2本、排気1本の3バルブも、2バルブと同様の理由で、魅力ある選択のひとつ。写真はフォード・エクスプローラーの例。コストとパフォーマンスのバランスの良さから、最近見直されつつあるレイアウトだ。

ハイパフォーマンスエンジンから、燃費性能を追求したエンジンまで、現在の高性能エンジンの大部分をカバーする4バルブ配置。バルブ径や有効なカーテン面積など、高い性能を追求する際の最も現実的な着地点といえる。

吸気3本、排気2本の5バルブは、4バルブ以上で唯一の成功例といえ、バルブ数の現実的な最大値ともいえるレイアウト。4バルブの座を奪うほどのメリットを見出すには至らなかったことから、現在は姿を消しつつある。

ヤマハが5バルブを実用化するまでの過程で実験に用いられた6バルブ。右側の例では中央のプラグまわりに有効に活かしきれないスペースが生じ、左側ではプラグが外周部に追いやられるなど、配置に苦労した様子がうかがえる。

上記と同様、ヤマハによる多バルブ化実験で試作された7バルブ。燃焼室にひしめく小さなバルブの様子から、超高回転を狙ったものだったことがわかる。ここまで実験を行なった結果、5バルブの実用化に行きついたという。

円形ピストンと丸いバルブの限界の打破に成功した、ホンダのオーバルピストンによる8バルブ。写真はファクトリーレーサーのものだが、かなり近い状態で市販化もされた。しかし、そのコストゆえに、それ以上の展開を見せることはなかった。