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内燃機関超基礎講座 | レーザークラッドバルブシートのメリットを考える

  • 2020/08/28
  • Motor Fan illustrated編集部
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トヨタが採用するレーザークラッド式バルブシート。名前からしてもはや強そうなイメージだが、どのような美点があるのだろうか。

吸排気バルブに用いるポペットバルブは、エンジン運転時の圧縮行程で密閉していなければならない。吸排気ポート端でバルブフェイスと密着しているのがバルブシートという部品である。アルミ合金のシリンダーヘッドにスティール(一部はチタン合金)のポペットバルブが直接、毎分数千回という回数で叩きつけられるとヘッド/バルブ双方にとって具合が悪い。バルブシートを介することで、部品への攻撃性/密閉性/熱伝導性を向上させている。

そのバルブシートは、リング状に成形したものをシリンダーヘッドに組み付け、バルブフェイスとの当たり面を機械加工するという工程をとる。この「リング状」であるが故のデメリットに着目し、解決を図ろうとしたのがレーザークラッド式バルブシートだった。

リング状だと、どうしても寸法に余剰分が生じてしまう。余剰分はポート開口面積の縮小、シリンダーヘッドとの接触面積の増大などを招く。バルブシートという製品は粉末特殊合金を焼結して仕上げることから、ならば直接シリンダーヘッド上で肉盛りできればいいのではないか。そのためにトヨタは製法技術や合金成分などを開発し、確立している。

リングシートの例。シリンダーヘッドにこのような状態で組み付けられる。
リングシートとの比較検討。(FIGURE:TOYOTA)

レーザークラッド式バルブシートはモータースポーツの世界で用いられてきたが、TNGAの世代になり、いよいよ市販車用エンジンにも展開されている。第一弾のA25A-FXSにおいて、その効果は「ストレートポートの実現」として発表された。

近年注目の急速燃焼を実現するために、直噴エンジンでは燃料と筒内の空気をよく混ぜ合わせたい。そのためには筒内の空気が強く流動していることが必要で、そこでタンブルを用いることが目標となった。トヨタは吸気ポートを筒内に向かって鋭角直線的に配することで、強いタンブル流の創生を目論む。そのストレートポートの実現に不可欠だったのが、レーザークラッド式バルブシートだった。

A25A-FXSのシリンダーヘッド。右方からシリンダーに向かうのが吸気ポート。
写真と左右が逆なのでご注意を。従来型ポートとレーザークラッドバルブを用いたことで実現したストレートポートとの比較。(FIGURE:TOYOTA)
上の比較検討でも示されたように、角度のみならず開口面積を大きくすることにも寄与している。(FIGURE:TOYOTA)
ストレート形状にすることで、従来型では混合気の流れがポート壁面に当たってしまうところ、直接筒内に流れ込ませることができる。
フローの概念図。結果、筒内の強いタンブル流を作り出すことができた。(FIGURE:TOYOTA)

写真でご覧いただければおわかりのように、通常のリングシートであれば組み付け部のためのスペースが必要だし、そもそもこの角度のポート設計は難しい。レーザークラッド式バルブシートを用いることで実現したポート形状である。もちろん、先述の熱伝導性の向上にも大きく寄与する。バルブシート自体を小さくできることから燃焼室からの熱をシリンダーヘッドへ効率的に逃し、かつウォータージャケットとの距離を短くできる。

課題は、ご想像のとおりコスト。

右方が吸気ポート。リングシートを用いる排気ポートと比べると大きさの違いがよくわかる。
製法の概念図。炭酸ガスレーザを熱源にオッシレータで高周波振動させることで、母材(シリンダーヘッド)への攻撃性を最小限に抑える製法を確立している。(FIGURE:TOYOTA)

ちなみに、トヨタはA25A-FXS登場時に「バルブ挟角拡大」というアナウンスをしている。熱効率向上のためにはS/V比を小さくすることが求められ、だからバルブ挟角は小さくして燃焼室を形成するのが常道では……などと思ったが、よくよく聞けば吸気ポートを鋭角にしたから挟角が大きくなったということだった——という具合に困惑したのを記憶している。

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