ポペットバルブ

バルブスプリング、バルブステムコレット、オイルシールを備えたポペットバルブ

内燃機関において、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、エンジンへのガソリン（ガス）または蒸気の流れのタイミングと量を制御するために一般的に使用されるバルブですが、他にも多くの用途があります。

これは、通常断面が円形または楕円形の穴または開口部のあるチャンバーと、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、すなわちバルブ面は、通常45°の面取りが施されており、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に密着するようになっています。シャフトはバルブガイドを通って移動し、位置合わせを維持します。

バルブの両側の圧力差は、バルブの性能を向上させることもあれば、低下させることもある。排気系では、バルブにかかる圧力が高いほどバルブの密閉性が向上し、吸気系では、圧力が低いほどバルブが開きやすくなる。

「ポペット」という単語は「パペット」と同じ語源を持ち、中英語のpopet (「若者」または「人形」) に由来し、これは中期フランス語のpoupetteに由来し、 poupéeの縮小形です。バルブを表すのにpoppetという単語が使われるようになったのは、同じ単語が操り人形に使われていたことに由来し、操り人形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体を動かします。^{[ 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したが、^{[ 4 ] [ 5 ]}この「パペット」の用法は現在では廃れています。

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、シート上をスライドしたり揺動したりしてポートを露出させるのではなく、ポートの平面に対して垂直な動きでシートから持ち上がります。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、潤滑油が不要であることです。^{[ 6 ]}

ほとんどの場合、直動弁に「バランスの取れたポペット」があると有利です。ポペットにかかるすべての力が等しく反対向きの力によって相殺されるため、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バネの力にのみ対抗すればよいのです。^{[ 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、パルス流量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ています。パルスは、必要に応じて差圧とばね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、ポペットバルブの一例です。プレスタバルブにはバネがなく、空気を入れる際の圧力差によって開閉します。

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る。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押し出すが、ポペットバルブはこの空気（およびかなりの量の海水）を大量に回収することで、潜水艦の潜航位置を露呈する可能性のある気泡の発生を抑える。^{[ 8 ]}

ポペットバルブは、ほとんどのピストンエンジンにおいて、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ます。燃焼室内に位置するポペットバルブの側面は平らな円盤状で、反対側は円盤状から「バルブステム」と呼ばれる細い円筒状の棒へと先細りになっています。

バルブの数と位置

フラットヘッドエンジン（バルブは水色で表示）

オーバーヘッドカムシャフトエンジン

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、バルブはシリンダーの横に、シリンダーと平行に「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、吸気と排気ガスの曲がりくねった経路は空気の流れに大きな欠点があり、エンジンの回転数を制限し^{[ 12 ]}、持続的な高負荷でエンジンブロックが過熱する原因となりました。フラットヘッド設計は、初期の多くのオートバイやいくつかの自動車で使用された吸気オーバーエキゾースト（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（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向きで配置されています。

これらの設計は、1904年から1960年代後半から1970年代前半にかけて、吸気バルブと排気バルブの両方がシリンダーの真上に位置するオーバーヘッドバルブ（OHV）エンジンにほぼ置き換えられました（カムシャフトはエンジンの下部にあります）。一方、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）エンジンにほぼ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、OHCエンジンはシリンダーあたりのバルブ数が多いことがよくあります。ほとんどのOHCエンジンは、ほとんどのOHVエンジンで使用されているシリンダーあたり2バルブの設計と比較して、シリンダーあたり吸気バルブと排気バルブがそれぞれ1つずつ追加されています（4バルブシリンダーヘッド）。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つのバルブが使用されています。

ジェームズ・ワットは1770年代に、ポペット弁を使ってビームエンジンのシリンダーへの蒸気の流れを制御していた。1774年のワットのビームエンジンの断面図には、この装置が使われている様子がサーストン（1878:98）に掲載されている^{[ 13 ]}。また、ラードナー（1840）は、ワットによるポペット弁の使用法を図解で説明している^{[ 14 ] 。}

高圧用途、例えば蒸気機関の吸気弁として使用されるとき、ポペット弁のシールを助ける圧力は、弁を開くのに必要な力にも大きく寄与します。このため、バランス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を移動し、一方のプラグにかかる​​圧力が他方のプラグにかかる​​圧力とほぼ釣り合うものです。^{[ 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。シッケルスは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ました。1889 年に Science 誌で、外輪蒸気機関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またはアメリカンパペット弁」と呼ばれています) について、その性質上 15 パーセントの漏れが発生するという批判が報告されました。^{[ 17 ]}

ポペット弁は蒸気機関車に用いられており、多くの場合、レンツ式またはカプロッティ式弁装置と組み合わせて使用​​される。イギリスの例としては以下のようなものがある。

• LNERクラスB12
• LNER D49型
• LNERクラスP2
• LMSスタニアークラス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・ワゴン・ワークス社は、蒸気貨車と蒸気機関車にポペット弁を採用していた。逆転は、シンプルなスライド式カムシャフトシステムによって実現されていた。

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などは、レンツ式振動カムポペット弁を使用しており、これらの弁は機関車に既に装備されていたワルシャート式弁装置によって作動していた。

ポペット弁は、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、これらの機関車は時速160km （100マイル）を超える速度で走行することが多かったため、弁はそのような速度の負荷に耐えられるように設計されておらず、故障が頻繁に発生しました。また、ポペット弁は機関車に独特の「シュッシュッ」という音を与えていました。  

ポペットバルブの設計の一つは、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た。ヤングは自身のアイデアを特許取得していたが、1836年の米国特許庁の火災により、その記録はすべて焼失した。^{[ 18 ]}