エンジンの軽量化

Question

軽量化技術に興味があります。

ブロック・ヘッド・クランクケースなどは普通アルミですが、マグネシウムを使用するケースもありますよね。
では、ピストンをマグネシウムで造るってことはありますか？

チタンコンロッドっていうのはよく聞きますが、クランクシャフト・カムシャフトなどをチタンで造るってことはありますか？

それ以外にも軽量化・高性能化に貢献する設計手法・材料・加工法などあったら教えてください。

Answer 1

Ｍｇのピストンは聞いたことないですね。
高温高圧に耐えられるのかな？

クランクは非常に強度が必要です。
しかも重さも必要なのでアルミ製もありません。
鉄製（鋳造ｏｒ鍛造）ですね。
レーシングカーですら鍛鋼だと思う。

カムも鋳鉄です。

「エンジンの軽量化」とは少々意味が異なりますが、吸排気バルブにチタンが使われることもあります。
これはバルブを軽くして、スプリングを柔らかく（フリクション低下）するか、高回転まで追従させる手段といて使われます。


最近の四輪用エンジンでの軽量化はＭｇも確かに存在しますが、樹脂が圧倒的に多いです。
カムカバーやインテークマニホールドなど。
軽い上に安いですしね。

質問者からのお礼コメント

クランクは重さも必要、ってのは目からウロコでした。軽くすれば良いってもんではないんですね。
他の方の回答も非常に参考になりました。ありがとうございます。

Answer 2

最近はメタル幅削って短いクランク、ブロックにしてます
ロングストロークでボアピッチ縮小、
最近の注目はかち割コンロッドですね、小型軽量、高精度が売りです。
FRM（複合素材）スリーブも有りました
クランクの窒化処理もホンダが全車採用してます。
カムは中空パイプ＋焼結のカムも有りました

Answer 3

専門家ではありませんが、純粋なマグネシウム（金属マグネシウムなどとも言いますが）は、大気中では非常に不安定で、いともかんたんに酸化（燃焼してしまいます）。
中学校の頃の理科の実験でマグネシウムリボンの燃焼実験をしなかったでしょうか？

そんな理由でピストンには使われないのでは？ヘッドなどは冷却してやれば表面温度はある程度抑えられますが、ピストンは冷やしようがありませんから・・

軽量化と高性能化は別の話で、高性能化（単にハイパワーと言うのなら）のためにあえて重量を増やすことだってあります。
自動車としてみて、増えた重量以上にパワーが得られれば、結果的に早くなります。

高性能化はどれだけ多くの空気（混合気）を送り込んで、効率よく燃焼させ、パワーを得るかです。
パワーの上限が決まっているか、それ以上必要が無いときは軽量化が問題になってきます。

ですから、話を分けて考えないとごちゃごちゃになってきます。

軽量化に焦点を絞ると部分的なプラスチック化が結構効いているようですね。
タイミングチェーンがタイミングベルトに変わり、エンジンのフロントのカバーはプラスチックのことが多くなりました。
最近ではヘッドカバー（カムカバー）とインテークマニホールドを一体型にしてプラスチックで作っている車もあります。
軽量化は材質を軽いもので作るとともに部品点数を減らすのも有効です。

実現できるかどうか分かりませんが、オルタネーターやウォーターポンプなどに排気タービン（ターボチャージャーの片割れ）で発電した電力で動かすと、エンジンのパワーロスは減らせますし、エンジン本体は軽くなるかも（補器類で自動車としては重くなるかも）
昔、エンジンのパワー表示はグロス表示と言って、冷却水の循環、発電、点火などはすべて外部から動力を与えて、全くロスの無い状態でパワーを測定していました。
それに対して現在は車体に乗っている状態で測定しています（ネット表示）。
２０％くらいの差がついたと聞いたこともあります。

クランクシャフトもカムシャフトも強度や磨耗の問題があり、安直に材質を変えるのは難しいでしょう。
ただ、カムシャフトなどは中空タイプは可能でしょう。


成形技術も非常に難しくなりますが、金属並みの強度で結構な耐熱性を持つプラスチックも出ています。
シリンダライナを打ち込んでブロック自体をプラスチック化することも不可能ではないでしょう。
プラスチックの比重は１前後、鉄で８弱ですから、金属に比べれば大幅な軽量化は期待できます。
クランクケースなどは可能性があるかも。
ただ、そういった特殊な樹脂は非常に高価になります。（なっているはずです）

Answer 4

車バイク以外のピストンならばMgもやってますが・・・
（エンジンのピストンじゃないです、でも部品名はピストン）
性能を維持していく上でエンジンの場合Mgでは無理なのでは。