リードバルブ

リードバルブは、チェックバルブの一種で、流体の流れを一方向に制限し、各面の圧力の変化に応じて開閉します。最新版は、柔軟な金属または複合材料(グラスファイバーまたはカーボンファイバー) で構成されていることが多いです。

リードバルブは、通常、穴を覆う革製のフラップで、液体と気体の自動流量制御の最も古い形態の 1 つです。水ポンプでは数千年、高温の鍛冶場のふいごや教会のオルガンやアコーディオンなどの楽器では数百年にわたって使用されてきました。自然界では、心臓弁はこれと似たような仕組みで動作します。

リードバルブは、一部の往復式コンプレッサーの設計や、大小さまざまな楽器のポンプ要素に使用されます。

リードバルブは、 2ストロークエンジンの高性能バージョンで一般的に使用されており、シリンダーに吸入される燃料と空気の混合物を制御します。ピストンがシリンダー内で上昇すると、ピストンの下のクランクケース内に真空が生成されます。その結果生じる圧力差によってバルブが開き、燃料と空気の混合物がクランクケースに流れ込みます。ピストンが下降すると、クランクケースの圧力が上昇し、バルブが閉じて混合物が保持され、最終的に燃焼室に移動できるように加圧されます。^[1]スウェーデンのオートバイ会社ハスクバーナは、リードバルブ制御の吸気を備えた2ストローク、500 cc排気量単気筒エンジンを製造しました。これは、この構成を使用した最大規模のものの1つです。2ストロークエンジンのリードバルブは、吸気ポートに配置され、クランクシャフトスペースへの吸気を制御するためにも使用されています。

レーシングエンジン、特にカートレースでは、複合材料が好まれます。これは、弁の剛性を簡単に調整でき、故障しても比較的安全だからです。高速衝撃はすべてのリードバルブに大きな負担をかけ、金属バルブは疲労します。リードバルブの物理的慣性により、動作はロータリーバルブほど正確ではありません。ロータリーバルブエンジンは、小さな回転数範囲ではリードバルブエンジンよりもよく動作しますが、リードバルブエンジンは、より広い回転数範囲でよりよく動作することがよくあります。より洗練された設計では、サイクルの後半でより多くの容積を提供する大きなリードの中に、より小さく応答性の高いリードを備えた多段リードを作成することで、この問題に部分的に対処しています。それでも、現在のテクノロジーでは、シンプルで実装コストが低く、回転質量が少ないため、ロータリーバルブはほとんど排除されてリードバルブが好まれています。

日本のエンジンメーカーであるヤンマーディーゼルは、小型ヴァンケルエンジンの吸気ポートに流量制御用のリードバルブを導入した先駆者であり、エンジンの低回転時および部分負荷時のトルクと性能の向上を示しました。トヨタは、ヴァンケルRCE排気ポートに新鮮な空気を注入する利点を発見し、SCREコンセプト（層状給気ロータリーエンジン）をテストするプロトタイプでもリードバルブを使用しました。ただし、この種の吸気ポートの配置は、自動車サイズのRCEの生産ラ​​インに到達することはありませんでした。ヴァンケルエンジンを搭載したオートバイのノートンシリーズを開発したデビッドW.ガーサイドによると、他のRCEメーカーのデータによると、リードバルブは低回転時および部分負荷時の性能を向上させるが、エンジンの高速出力を低下させ、オートバイエンジンには不都合な特徴であると考えられていました。

リードバルブは、安価だが非効率的なパルスジェットエンジンで使用されています。ドイツのV-1（飛行爆弾）のArgus As 014エンジンで使用されているものなどがその例です。円筒形エンジンの前部のバルブは、エンジン内の気柱の共鳴によって燃焼室に低圧が生じることで開き、燃料が燃焼室に噴射されて、前のサイクルの高温の燃焼ガスによって点火されます。燃料が膨張してエンジンからほとんどなくなると、内部の圧力が再び大気圧以下に下がり、リードバルブによって新鮮な空気が入り、サイクルが繰り返されます。前進運動によるラムエアの圧力によって、燃焼室を新しい新鮮な空気で掃気して充填できるため、高速時のエンジン出力が向上します。

リードバルブは、圧力勾配と質量流量を考慮して設計されます。^[2]圧力勾配は、開弁時のバルブリフトを評価するために使用されます。次に、リフトとコンポーネント全体の形状（圧力損失係数も考慮）を使用して、質量流量を計算します。高速アプリケーション（コンプレッサーやエンジン）では、動的応答を考慮する必要があります。簡単な方法は、最初の固有値を評価し、それを励起周波数と比較することです。リードバルブの設計は、シミュレーションを使用して改良できます。花びらのダイナミクス^[3]は、流体と構造の結合を無視して研究できます。この場合、構造部分の進化は、集中定数モデルまたは FEM モデルを使用してシミュレートされ、さまざまなバルブリフトでの排出係数は、実験または CFD シミュレーションで評価されます。完全なシステムの研究には、統合された流体構造相互作用モデルが必要です。

• チェックバルブ
• リードスイッチ

• アーヴィング、PE (1967)。『2ストローク動力ユニット』ロンドン：ジョージ・ニューネス。