エンジン内部強化Q&A：鍛造ピストンの役割とは？（前編）

ターボチャージャー付きエンジンが普及した今、出力向上は比較的容易です。しかし、本来のエンジンの限界を超えるパワーを追求するには、エンジン内部の部品強化が不可欠です。強化にはレベルがあるのでしょうか？また、強化する部品の種類と目的は何でしょうか？このセクションでは、これらの点についてご紹介します。

質問1：最も基本的なエンジン強化である吸気マニホールドと排気マニホールドを研磨するのはなぜですか？

バルブ通路は、耐衝撃性、良好な放熱性、耐摩耗性、高温酸化耐性などの特性を備えている必要があります。また、特に自然吸気エンジンの場合、吸入量と排気量を決定し、動力性能に直接影響します。シリンダー内に発生した負圧が新鮮な燃料と空気を吸い込み、爆発後に排気ガスをシリンダーから排出するためです。この継続的なサイクルは呼吸と同じくらい重要です。しかし、製造コストを削減するために、OEM（相手先ブランド製造）は上部シリンダーヘッドにアルミニウム合金の砂型鋳造を使用しています。欠点は、表面が非常に粗く、シリンダーの出入り時の抵抗が大きくなることです。バルブ通路を滑らかに機械加工すれば、抵抗は自然に減少し、ある程度の出力向上が期待できます。

特に自然吸気エンジンでは表面が粗いと気流の乱れが生じ、シリンダあたりの吸入量が一定でなくなるため、エンジン上部ブロックの最も基本的な強化は通常、バルブ通路の研磨です。これにより表面の付着力が減り、カーボンが蓄積しにくくなり、燃料と排気ガスの流量が増加し、燃焼室の容積がわずかに増加し、スロットルレスポンスが向上します。通路のサイズと構造の調整が必要かどうかは、流体力学テスターを使用してのみ判断できます。もちろん、燃焼室も研磨した場合は、シリンダ圧力不足や悪影響を避けるために、後でリークテストを実行する必要があります。ただし、燃焼室内に粒状の表面を維持するという考えもあります。これは主に、粒状の表面により燃料と空気が表面に付着しやすくなり、より完全に混合されるためです。これは通常、同じ容量を維持するために CNC ミリングを使用して実現されます。

質問2：腹腔内補強 - 鍛造ピストンが際立っているのは具体的にどの部分ですか？

なぜエンジン自体を強化する必要があるのでしょうか？主な目的は、将来の出力変更やオーバークロック、特にハイブースト設定を計画している場合に備えることです。エンジン内部の部品を強化部品に交換することで、エンジンはより高い圧力とより高い爆発温度にも損傷なく耐えることができます。現代のエンジンでは、軽量という利点を活かして、一般的にアルミニウム合金製のピストンが使用されています。しかし、アルミニウム合金製のピストンは鋳鉄製のピストンよりも膨張率が大きいため、これらの特性を考慮してピストンは楕円形と差動傾斜を採用し、熱膨張による変形を緩和する設計となっています。

さらに、同じアルミ合金製のピストンでも、鋳造と鍛造の2種類があります。ほとんどの純正エンジンは鋳造ピストンを使用していますが、材料密度が低いという欠点があります。簡単に言えば、「脆い」ため、高負荷がかかると割れやすくなります。高圧縮比の自然吸気車やターボ車では、鋳造ピストンではノッキングやスラップ現象に耐えられません。そのため、エンジンの馬力を大幅に向上させたい場合、より大きな燃焼力に耐えられる鍛造ピストンへの改造が必須となります。

ピストン下部のコンロッドは、クランクシャフトとピストンの連動を可能にする役割を果たします。高回転域や高圧縮域では、中央部の最も細い部分が曲がったり折れたりする危険性があります。そのため、多くの改造車では、エンジンの耐久性を強化する目的で、コンロッドをより厚手のH型鍛造コンロッドに交換しています（オリジナルのコンロッドはほとんどがI型です）。

質問3: エンジン容量の増加 – エンジンの排気量を増やす必要があるのはなぜですか?

エンジンのアップグレードでは、鍛造ピストン、コネクティングロッド、さらにはクランクシャフトまでもが交換されることがよくあります。そのため、多くのショップでは、この際にピストン径を大きくし、コネクティングロッドとクランクシャフトを短くし、シリンダーボーリング技術と組み合わせて、エンジンの排気量を増やすことを検討します。これは、エンジンの排気量はピストンのボアとストロークによって決まるため、ボアとストロークを変更することで排気量を増やすことができるためです。ストロークを長くするには、クランクシャフトが重要です。排気量を増やすための輸入鍛造内部部品の多くには、ストロークを延長した鍛造クランクシャフトが含まれています。これはエンジンの基本的な出力レベルを大幅に向上させることができる非常に極端な改造ですが、鍛造ピストンとコネクティングロッドを単に交換するよりもはるかに高価です。

排気量を増やすもう一つの方法は「シリンダーボアの拡大」です。現在、ほとんどの自動車エンジンは小型化しており、シリンダーライナーは元のものよりも薄くなっているため、ボアの最大拡大幅は限られています。1～2mmのボア拡大だけでも、既に大きな範囲とされています。理想的には、ピストンの回転を適切にするために、ボア拡大とストローク拡大を同時に行う必要があります。排気量増加による最も顕著な効果はトルクであり、次いで最大馬力の向上が挙げられます。しかし、あらゆるエンジン改造は、その効果を最大限に引き出すために、精密な組み立てとそれに続く燃料噴射の調整を必要とします。そのため、高度なスキルを持つエンジン組立技術者は常に少数派です。

質問 4: エンジンの爆発力を高めるために、エンジンの圧縮比を調整する理由と方法は何ですか?

エンジンをアップグレードする場合、鍛造ピストンは多くの場合、最初に交換される部品です。その目的は、ピストンの強度と高圧耐性を高めることです。鍛造ピストンが使用されているため、多くのショップでは、改造方向とブースト圧設定に基づいて、適切な圧縮比のピストンも選択します。エンジンの圧縮比は、シリンダー容積+燃焼室容積/燃焼室容積を指します。したがって、燃焼室容積を変更すると、圧縮比が変わります。これはどのように行われるのでしょうか。ピストンクラウンの形状を変更することから始まります。この部分は、ドーム型ピストンとリセス型ピストンの2つのカテゴリに大きく分けられます。ドーム型ピストンは燃焼室容積を減らし、圧縮比を上げます。逆に、リセス型ピストンは燃焼室容積を増やし、圧縮比を下げます。

しかし、なぜ圧縮比を調整するのでしょうか？圧縮比が高いほど、予圧縮と爆発圧力が高くなります。圧縮比が1単位増加するごとに、エンジンは約3～5％馬力を向上させることができ、これが自然吸気エンジンをドーム型ピストンに置き換える主な目的です。ターボチャージャー付きエンジンの場合、ピストンを凹型ピストンに置き換え、圧縮比を下げてブースト圧を高めます。最も極端なケースは8.0：1まで下げることです。これは、ターボチャージャーでシリンダーに入る大量の空気の圧縮に合わせるためです。高ブースト圧と高負荷の下では、燃焼室内の圧縮比は12：1を超えることもあります。

機械部品の耐久性を確保するため、圧縮比を下げることはプリロード方式の一つです。そのため、ブースト圧が高く、ターボチャージャーが大きいほど、圧縮比を下げる必要があります。しかし、その結果、ターボラグが悪化します。圧縮比の設定は、チューニングのノウハウを要します。

【100の質問】エンジン内部強化Q&A：鍛造ピストンの役割とは？（後編）