エンジン性能——出力、トルク、燃費、排出ガスを含む——は、精密に調整された数十もの要素に依存しています。その中で最も重要でありながら、しばしば見過ごされるのがバルブタイミングです。これは、各エンジンサイクルにおいて吸気バルブと排気バルブが開閉する正確なタイミングのことです。可変バルブタイミング（VVT）システムは、あらゆる走行条件でこのタイミングを最適化するために開発され、現代のエンジン性能を根本から変えてきました。
従来のエンジンにおけるバルブ制御の仕組み
従来の4ストローク内燃機関では、吸気・排気バルブはカムシャフトのローブによって駆動されます。このローブの形状が3つの重要な特性を決定します：
- タイミング — ピストンの位置に対してバルブが開閉する時期
- 作動期間 — バルブが開いている時間（位相の幅）
- リフト量 — バルブがシートからどれだけ持ち上がるか
ほとんどの従来型エンジンでは、これらの位相は固定されており——交通渋滞でのアイドリング中であっても、高速道路での加速中であっても、カムシャフトのプロファイルは変わりません。この硬直性は根本的な制約となっています。
固定バルブタイミングが問題となる理由
シリンダー内部、吸気ポート、排気ポートにおけるガスの挙動は、エンジンの回転数と負荷によって大きく変化します。流速は常に変動し、吸排気通路内の圧力波はタイミングによってシリンダー充填を助けることも妨げることもあります。このため、単一の固定バルブタイミング設定ではすべての運転条件において最適となることはできません。
以下に、2つの一般的なシナリオにおける理想的なバルブタイミングの違いを示します：
- アイドリング時： バルブタイミング位相は狭いほうが効果的です——遅めの開弁と早めの閉弁、バルブオーバーラップ（吸気バルブと排気バルブが同時に開いている短い期間）は最小限またはゼロが理想です。これにより、排気ガスが吸気マニホールドに逆流したり、未燃混合気が排気系に逃げたりするのを防ぎます。
- 最大出力時： 広い位相が必要です——シリンダーへの空燃混合気の最大量を確保するため、バルブはより早く開き、より長く開いたままである必要があります。また、広いオーバーラップ位相は高回転時の排気ガス掃気をより効果的に行います。
そのため、エンジン設計者は困難な妥協を迫られます。単一の固定カムシャフトプロファイルで同時に以下を実現しなければなりません：
- 低・中回転域での高いトルク
- 許容できる高回転域での出力
- 安定した滑らかなアイドリング
- 良好な燃費と低排出ガス
1つの固定カムプロファイルですべての要件を満たすことはほぼ不可能です——これが、可変バルブタイミングが発明された正確な理由です。
可変バルブタイミングの働き
可変バルブタイミングシステムは、変化する走行条件に応じてリアルタイムでエンジンのバルブ動作を適応させます。位相タイミング、作動期間、リフト量を調整することで、エンジニアは機械的な妥協なしにエンジンのパワーカーブを大幅に変えることができます。潜在的なメリットは以下の通りです：
- より広い回転域にわたるトルクの向上
- 最大出力の向上
- 燃費の改善
- 排出ガスの低減
- 滑らかなアイドリングとスロットルレスポンスの向上
可変バルブタイミングシステムの種類
位相シフター（カムフェーザー）
最も一般的なVVTアプローチは位相シフターを使用します——クランクシャフトに対してカムシャフトを回転させる油圧作動クラッチです。エンジン回転数が上昇すると、システムは吸気カムシャフトを進角させ、吸気バルブをより早く開かせます。これにより高回転時のシリンダー充填が改善されます。ほとんどの実装では吸気カムのみに作用しますが、デュアルカムシステム（BMWのダブルVANOSなど）は吸気と排気のタイミングを独立して調整します。
可変位相幅システム
より高度なシステムは位相のシフトにとどまらず、位相を広げたり狭めたりすることもできます。よく知られた例がトヨタのVVTL-iシステムで、同一シャフト上に2つのカムプロファイルを使用します：
- 6,000rpm以下では、標準のカムローブがバルブの動きを制御します
- 6,000rpm以上では、よりアグレッシブなプロファイルを持つセカンダリカムが引き継ぎ、タイミング位相を広げてバルブリフト量を増加させます
- エンジンが8,500rpmのレブリミットに近づくにつれて、この切り替えが特徴的な力強い加速感をもたらします——激しい加速時に感じられる顕著な「第二の息吹」です
可変バルブリフトシステム
バルブの開弁タイミングを変えることは1つのことであり、どれだけ開くかを変えることはまた別の話です。BMWのバルブトロニックや日産のVVELのような可変リフトシステムは、スロットルポジションに基づいて吸気バルブのリフト量を連続的に調整することを可能にします。
このアプローチには重要な利点があります：従来のスロットルバルブが不要になる可能性があります。これが重要な理由を説明します：
- 従来のスロットルは低負荷時に吸気通路に部分的な負圧を生じさせ、ポンピングロスを増加させます
- この負圧はガスの流れを遅くし、シリンダー充填の質を低下させ、スロットルレスポンスを鈍化させます
- バルブリフトによってエンジン負荷を制御することで、吸気系をほぼ無制限に保つことができます
その結果は顕著です。スロットルレス可変リフトシステムは一般的に以下を実現します：
- 燃費8〜15%の改善
- 最大出力とトルクの両方で5〜15%の向上
- 特に低速域でのスロットルレスポンスの著しい向上
電磁バルブアクチュエーション
バルブ制御において最も先進的なコンセプトは、機械的なカムシャフトを完全に電磁駆動バルブに置き換えるものです。各バルブは電子ソレノイドによって独立して開閉され、すべてのサイクルですべての個別バルブのタイミング、リフト量、作動期間に対してエンジン制御システムに完全な自由度を与えます。
これが解き放つ可能性は驚くべきものです：
- あらゆる回転数と負荷条件に対して完全に最適化されたバルブタイミング
- 燃料節約のための軽負荷走行時の個別シリンダー休止
- 燃焼サイクル間のダイナミックな切り替え——例えば、4ストロークエンジンをリアルタイムで6ストローク構成に変換すること
- カムシャフトと関連する機械的損失の完全な排除
電磁バルブトレインはまだ主に研究開発段階にありますが、内燃機関の効率を再定義する可能性は大きいです。近い将来に量産化されるかどうかはまだ未知数です。
まとめ
可変バルブタイミングは、現代のエンジン開発において最も影響力のある技術の1つです。市街地でのアイドリングから全開加速まで、あらゆる走行条件にバルブの動作を適応させることで、VVTシステムによりエンジニアは固定タイミング設計では実現不可能だったほど、より高出力で、より効率的で、よりクリーンなエンジンを提供することができます。
とはいえ、バルブタイミングの最適化にも限界があります。所定の排気量からさらに出力、トルク、効率の向上を引き出すには、他の技術——複合過給システム、可変圧縮比エンジン、代替燃料——への依存が増していくでしょう。しかし、それはまた別の記事でのお話です。
これは翻訳記事です。原文はこちらでお読みいただけます：https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html
公開日 1月 13, 2022 • 読む時間：3分
