このような疑問に、愛車遍歴7台、サーキット走行経験もある筆者がお答えします。
鍛造ピストンのデメリットは熱膨張率の高さ
社外ピストンや高性能エンジンに採用されることの多い、鍛造ピストンの最大のデメリットは、その熱膨張率の高さにあります。
熱膨張率が高いと、冷間時のピストンクリアランス(ピストンとシリンダーの隙間)をあらかじめ広くとる必要が出てくるので、エンジンが暖まるまでの性能に難があるからです。
鍛造ピストンはアルミの塊に高い圧力を加えることで製造され、アルミの分子の密度が高く高強度になります。
素材自体の強度が高いので、無駄な部分を削り落とすことで軽量化を計れる反面、熱膨張は分子レベルで起こるので、分子の密度が高い鍛造ピストンは熱膨張しやすいとも言えます。
エンジンのピストンは厳密に言うと、冷えている時は上から見るとわずかに楕円形状で、横から見るとわずかに台形となっており、その理由は、エンジンが暖まりピストンが熱膨張した後に、真円やまっすぐな円柱となることで、本来の性能を発揮出来るように、あらかじめ計算のうえ設計されている為です。
鋳造ピストンのメリットは熱膨張率の低さ
純正ピストンや汎用エンジンに採用されることの多い、鋳造ピストンの最大のメリットは、その熱膨張率の低さにあります。
熱膨張率が低いと、冷間時からある程度ピストンクリアランスを詰めることが出来るので、冷間時の性能や排気ガスの面で有利だからです。
鋳造ピストンは溶かしたアルミを型に流し込むことで製造されるので、高圧でプレスする鍛造に比べてアルミの分子の密度が低く、熱膨張率もその分低くなります。
鍛造に比べて分子の密度が低く強度が無いので、部品を肉厚にする必要があり、軽量化の範囲は限られてきますが、物理の原則として分子の密度＝重量なので、必ずしも鍛造が軽く鋳造が重いということにはなりません。
使用用途や目標とする耐久性により、どこまで安全マージンを削って軽量化するかは変わってきますので、例えばレース用鍛造ピストンと、市販車用の鋳造ピストンとでは要求される強度が異なるため、より要求強度の低い市販車用の鋳造ピストンのほうが軽く造れる場合もあります。
最近の鍛造ピストンは設計技術の向上で熱膨張率が低下
最近の鍛造ピストンの進化はめざましく、設計技術の向上により、より熱膨張率の低い鍛造ピストンの製造が可能となっています。
組み合わせるシリンダーの素材や、ピストンの形状などで、熱膨張の影響を最小限に抑えることが出来るようになったからです。
例えばヤマハは、チョイ乗りが多いであろうスクーターにも鍛造ピストンを採用しており、鍛造ピストンのデメリットが払拭されつつあることが伺えます。
また、従来のアルミ鍛造ピストンと鋳鉄スリーブシリンダーでは、アルミと鉄で素材の熱膨張率が異なるので、より大きなクリアランスが必要でした。
しかし、最近になって採用が進んでいるシリンダーメッキ処理によるスリーブレスアルミシリンダーであれば、ピストンとシリンダーの素材は同じアルミなので熱膨張率が近くなり、クリアランスをよりシビアに詰めることができます。
