排気弁とは
排気弁 (英: exhaust valve) とは、主に内燃機関において、燃焼ガスを排気するための弁のことです。
排出弁とも呼ばれ、内燃機関の排気システムに不可欠な部品として取り付けられます。排気弁を開閉してガスの流れを制御し、エンジンの背圧を最適化して性能を向上させ、音響制御させるのが目的です。
排気弁は、内燃機関のシリンダヘッドにあります。燃料と空気の混合気がシリンダ内で着火し、エンジン出力として取り出されます。そして、燃焼済みのガスが、排気弁を通ってエンジンの外に送り出されます。
内燃機関の排気弁の他に、給水システムや空気システムにおいて、空気や水を抜くための排気弁もあります。
排気弁の使用用途
排気弁は、主にガソリンエンジン、軽油エンジン、灯油エンジン、重油エンジンなどの排気に使用されます。カムシャフトは制御の中心にあり、バルブの能力を最大限に活用します。また、ガス通路を研削してシリンダ内からの通路の抵抗を減らします。
燃焼過程の重要なタイミングで排気バルブを開くことで、ピストンはシリンダ内への吸気チャージの流れを阻害せず、シリンダ内の排気ガスをすべて燃焼室外に押し出すことが可能です。排気弁を補助するには、いくつかの要因が関係しています。
シリンダヘッドのバルブポケットは、非常に重要です。排気弁と同様に、バルブポケットやボウルにも制限がなく、排気ガスが燃焼室から速やかに、かつ制限なく排出されるようにする必要があります。
排気弁の原理
1. 内燃機関の排気弁
内燃機関の排気弁は、シリンダヘッドに駆動機構と共に組み込まれています。排気弁は、上下に動く弁傘部の弁フェースと、排気ポートに装着された弁座の間隔によって開閉し、流れを開放したり遮断したりします。
ピストンの圧縮行程と燃焼行程の間は、排気弁は閉じています。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。閉じるのは、上死点直後です。
排気弁は、ピストンの動きに連動しているカムシャフトで駆動されます。このカムシャフトを、クランクシャフトの1/2の回転数で駆動するように、タイミングベルトやチェーンで連動させます。
2. 空気・水抜き用排気弁
給水管や空気ラインに溜まる空気や水を、定期的に抜く必要があります。排気弁は、この空気や水を抜くのに使われます。
排気弁は、上下に動く弁傘部の弁フェースと排気ポートに装着された弁座との間隔によって、開閉制御が可能です。水が溜まると、液面フロートや液面センサーを使って、弁を開いて水を排出します。
配管内の空気を自動で排出する自動排気弁もあります。初期排気をして、運転中は空気が溜まるごとに排気をします。給水をスムーズに行うために必要です。
排気弁のその他情報
1. 排気弁による性能向上
現代のエンジンの出力と燃費を向上させるには、排気弁の開閉を最適なタイミングで調整し、排出速度を上げ、弁の密閉性を上げることが重要です。また、排気ポートにも障害物がないようにしなければならず、ガスケットのマッチングはこれを達成するための一般的な方法です。
シリンダヘッドの排気ポートとエキゾーストマニホールドを、排気ガスケットの開口部と同じ大きさに研削することで、ガスがガスケットやエキゾーストマニホールドの鈍角部に接触して、流れを妨げることが無くなります。また、シリンダヘッド内の排気ボウルの半径を滑らかにすることで、シリンダの外への流れを妨げないスムーズな経路が可能です。
排気バルブのバルブシートを研削する場合、角度の噛み合わせは、バルブが閉じているときに適切なシールが得られるだけでなく、ガスが流れるためにバルブのエッジの周りにスムーズな経路を作ります。
2. 安全弁
排気弁と類似の弁に、安全弁があります。安全弁は、圧力上昇による機器や構造物の破裂や破壊など防ぐ目的で設けるものです。
安全弁の動作は、密閉容器や配管などで設定した圧力に達すると、弁が開いて圧力を外部に放出します。
参考文献
https://clicccar.com/2020/10/19/1025332/
https://www.dandorie.com/blog/tsuuki-ben/
https://ishizaki.biz/topics/?post_type=study
https://www.venn.co.jp/products/news/afv-4.html
https://www.tabuchi.co.jp/product/system/backflow-prevention/air-relief/