【自動車用語辞典:エンジン「吸・排気弁」】混合気と排出ガスを制御するにはタイミングがポイント

■運転条件に応じて開閉時期や弁のリフト量を変更する

●混合気と排出ガスを制御する重要な機構

「吸気弁」は、エンジンのシリンダー内に供給される空気を制御し、「排気弁」はシリンダーから排出される燃焼ガスを制御する重要な役割を担っています。吸・排気弁の役割と弁駆動の仕組み、どのようなタイミングで開閉するのかを解説していきます。

●吸・排気弁の役割

吸・排気弁とそれを動かす動弁系機構は、エンジン上部のシリンダーヘッドに組み込まれています。

吸気弁はシリンダーヘッドに形成された吸気ポートの入り口に配置され、シリンダーの中に空気または燃料と空気の混合気を送り込んだり、止めたりします。排気弁は排気ポートの出口に配置され、シリンダーの燃焼ガスを排気管に排出したり、止めたりします。

弁(バルブ)は、ステムと呼ばれる棒状の先端に円形の傘が付いたキノコ形状のポペット弁です。上下に動く弁傘部の弁フェースと、吸・排気ポートそれぞれに装着された弁座(弁シート)の間隔(弁リフト)によって、流れを開放したり遮断したりします。

最近のエンジンは、1気筒あたり吸・排気弁がそれぞれ2個、合計4個ある4弁エンジン(4バルブエンジン)が一般的です。

●吸・排気弁の開閉時期

吸・排気弁は、どのようなタイミングで開閉するのでしょうか。

4ストロークエンジンは、4つの行程で構成されています。この4行程でエンジンは2回転して、それを連続的に繰り返すことによって、回転を持続します。

・吸気行程
ピストンが下降し始める上死点(最上点)直前に吸気弁を開いて、シリンダー内に空気または混合気を吸い込みます。ピストンが下死点(最下点)を過ぎてから吸気弁を閉じます

・圧縮行程
吸入した空気または混合気を圧縮するので、吸・排気弁とも閉じています

・燃焼行程
圧縮した混合気に点火(ガソリンエンジン)あるいは自着火(ディーゼルエンジン)によって、燃焼してピストンを押し下げます。吸・排気弁は閉じたままです

・排気行程
ピストンが上昇し始める下死点より前に排気弁を開いて燃焼ガスを排出します。上死点直後に排気弁を閉じます

空気には重さがあり慣性によって遅れが生じるので、吸気弁の閉時期は下死点をある程度過ぎてから閉じます。一方排気弁については、燃焼によって圧力が上昇するので、できるだけ効率よく燃焼ガスをシリンダー外に排出するために、下死点より前に排気弁を開きます。閉じるのは上死点直後です。

※豆知識…排気弁は上死点後に閉じ、吸気弁は上死点前に開くようにします。この上死点前後で、排気弁と吸気弁の両方が少しだけ開いている期間をオーバーラップと呼びます。オーバーラップ期間の長さによって、残留ガス量が増減し、燃費や排出ガス特性が大きな影響を受けます。

●弁駆動の仕組み

吸・排気弁は、ピストンの動きに連動してカムシャフトで駆動します。

カムシャフトには目標とする弁の開閉時期やリフトを実現するプロファイルをもつ卵の断面のような形状のカムが、吸・排気弁の数だけ配列されています。このカムシャフトをクランクシャフトが2回転する間に1回転するように、タイミングベルトまたはタイミングチェーンで連動させます。

カムの配置については、1つのカムシャフトで吸・排気弁を駆動させるSOHC方式、吸・排気それぞれに1つのカムシャフトで駆動させるDOHC方式があります。


弁の形状は、エンジンが誕生してからほとんど変わっていません。しかし弁開閉機構は大きく進化し、運転条件に応じて開閉時期や弁リフト量を変更できる可変動弁機構は、ごく一般的な技術となりました。動弁系機構はすでに円熟した技術ですが、次の目標はカムを使わず弁リフトカーブまで自在に制御できる電動の弁駆動方式でしょうか。

(Mr.ソラン)

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