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一般的に使用されるバルブですが、他の多くの用途にも使用されます。

バルブは、通常は円形または楕円形の断面を持つ穴または開放型チャンバーと、バルブ ステムと呼ばれるシャフトの端にある通常は円盤状のプラグで構成されています。このプラグの作業端であるバルブ面は、通常、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 シートに対して密閉するために 45 度の斜角で研磨されています。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。排気アプリケーションでは、バルブに対する圧力が高いほどバルブが密閉され、吸気アプリケーションでは、圧力が低いほどバルブが開きます。

ポペットバルブは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た。ヤングは自分のアイデアを特許取得していたが、1836年の特許庁の火災でその記録はすべて消失した。^[2]

ポペットという単語は「人形」と同じ語源を持つ。中期英語のpopet (「若者」または「人形」) から来ており、中期フランス語のpoupetteから来ている。poupette はpoupéeの縮小形である。バルブを表すのにポペットという単語が使われるようになったのは、ポペットバルブのように直線的に伝達される遠隔動作に応じて物理的に動くマリオネットに適用される同じ単語から来ている。 ^{[3] [4]}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^{[5] [6]}、この「パペット」の用法は現在では使われていない。

ポペット弁はスライド弁や振動弁とは異なります。ポペット弁は、ポートを開くためにシート上で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持ち上げられます。ポペット弁の主な利点は、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。^[7]

ほとんどの場合、直動式バルブには「バランスのとれたポペット」があると便利です。ポペットにかかるすべての力が等しく反対の力によって無効化されるため、ポペットを動かすのに必要な力が少なくなります。ソレノイドコイルはスプリングの力にのみ対抗する必要があります。^[8]

ポペット バルブは、内燃機関や蒸気エンジンでの使用で最もよく知られていますが、パルス フロー制御が必要な一般的な空気圧回路や油圧回路でも使用されます。パルスは、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スプリングがなく、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採用されている。多くのシステムでは圧縮空気を使用して魚雷を発射管から排出し、ポペットバルブは大量の空気（および相当量の海水）を回収して、潜水艦が水中に沈んでいることを示す可能性のある泡の雲を減らす。^[9]

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に入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ます。ポペット バルブの燃焼室内にある側は平らなディスクで、もう一方の側はディスク形状から「バルブ ステム」と呼ばれる細い円筒形のロッドに先細りになっています。

現代の典型的な大量生産エンジンでは、バルブは鋼合金で作られた固体です。しかし、一部のエンジンでは、熱伝達を改善するために、ナトリウムを充填した中空バルブを使用しています。

最近のエンジンの多くは、アルミニウム製のシリンダー ヘッドを使用しています。これにより熱伝導性は向上しますが、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。古い鋳鉄製のシリンダー ヘッドでは、バルブ シートはシリンダー ヘッドの一部になっていることがよくあります。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、吸気マニホールドと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。通常は、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 シールの欠陥の一般的な症状は、スロットルが急に閉じられたときなど、 吸気マニホールドの真空度が上昇したときに排気管から青い煙が噴出することです。

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、定期的にバルブを再研磨するバルブ作業が必要だったことです。2 つ目は、エンジンのノッキングを防ぎ、バルブを潤滑するために、1920 年代からガソリンに鉛添加剤が使用されていたことです。バルブ (ステンレス鋼など) とバルブ シート (ステライトなど) の最新の材料により、1990 年代半ばまでに多くの先進国で鉛入りガソリンが段階的に廃止されました。

排気バルブは非常に高温にさらされるため、超高性能の用途ではナトリウム冷却が使用されることがあります。バルブは中空で、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溶け、液体の状態では、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熱を伝導します。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、現在では高性能エンジンにのみ見られます。^[10]

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抗して開くように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メカニズム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稼働速度が制限され、1905 年頃までに、自動車のエンジンでは機械的に操作される吸気バルブがますます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によって行われ、バルブを閉位置に戻すために一般的にスプリングが使用されます。エンジン速度 ( 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十分な速さで閉じることができず、バルブの浮きやバルブの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 スプリングを使用する代わりに、2 番目のロッカー アームを使用して機械的にバルブを閉じます。デスモドロミック バルブは、高 RPM で動作するエンジンでバルブの浮きを防ぐために使用されることがあります。

大量生産されるエンジンのほとんどでは、カムシャフトがいくつかの中間機構（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きを制御します。カムシャフトのカムの形状はバルブリフトに影響し、バルブが開くタイミングを決定します。

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、シリンダーと平行な「逆さま」の向きで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ねじれた経路が空気の流れに大きな欠点があり、エンジンの回転数が制限され^[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）エンジンに進化しました。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のように）、排気バルブはシリンダーの横に逆さまの向きのままでした。

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、主にオーバーヘッドバルブ (OHV) エンジンに置き換えられました。OHVエンジンでは、吸気バルブと排気バルブの両方がシリンダーの真上に配置されています (カムシャフトはエンジンの下部にあります)。次に、OHVエンジンは、1950年代から1980年代にかけて、主にオーバーヘッドカムシャフト (OHC) エンジンに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配置されており、OHCエンジンではシリンダーあたりのバルブの数が多くなる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つのバルブの設計が使用されています。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。

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の流れ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1878：98、 ^[13]に掲載されており、ラードナー（1840）はワットの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、ポペット弁を密閉するのに役立つ同じ圧力が、弁を開くために必要な力にも大きく寄与する。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、2つの弁栓が共通のステム上にあり、一方の弁栓の圧力がもう一方の弁栓の圧力とほぼ釣り合っている。^{[15] [16]}これらの弁では、弁を開くために必要な力は、圧力と2つの弁開口部の面積の差によって決まる。シケルズは1842年にダブルビートポペット弁の弁装置の特許を取得した。1889年の科学誌サイエンスでは、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「ダブルまたはバランスドまたはアメリカンパペット弁」と呼ばれている）は、その性質上15パーセントの漏れを生じると批判された。^[17]

ポペットバルブは蒸気機関車で使用されており、レンツまたはカプロッティバルブ装置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、次のものがある。

• LNER クラス B12
• LNER クラス D49
• LNER クラス P2
• LMS スタンニアー クラス 5 4-6-0
• BR標準クラス5
• BR 標準クラス 8 71000 デューク オブ グロスター。

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使用していました。後進は、単純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・シャプ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 デュプレックス機関車にも使用されていましたが、機関車は一般に時速 160 km (100 mph) を超える速度で運転されていたため、バルブは頻繁に故障し、そのような速度のストレスに耐えられるようには設計されていませんでした。ポペットバルブはまた、機関車に独特の「チャッ」という音を与えました。