可変バルブタイミング

可変バルブタイミング（VVT ）は、内燃機関のバルブリフトのタイミングを変更するプロセスであり、性能、燃費、または排出量を改善するためによく使用されます。可変バルブリフトシステムと組み合わせて使用​​されることが増えています。これを実現する方法は、機械装置から電気油圧式およびカムレスシステムまで多岐にわたります。ますます厳しくなる排出ガス規制により、 ^[1]多くの自動車メーカーがVVTシステムを採用しています。

2 ストロークエンジンでは、VVT と同様の結果を得るために パワー バルブ システムが使用されます。

内燃機関内のバルブは、燃焼室への吸気ガスと排気ガスの流量を制御するために使用されます。これらのバルブイベントのタイミング、期間、リフトは、エンジン性能に大きな影響を与えます。可変バルブタイミングまたは可変バルブリフトがなければ、バルブタイミングはすべてのエンジン速度と条件で同じであるため、妥協が必要になります。^[2]可変バルブタイミング作動システムを備えたエンジンは、この制約から解放され、エンジン動作範囲全体で性能を向上させることができます。

ピストン エンジンでは通常、カムシャフトによって駆動されるバルブが使用されます。カムは、吸気および排気サイクルごとに一定の時間 (持続時間) バルブを開きます (持ち上げます)。クランクシャフトの位置に対するバルブの開閉のタイミングが重要です。カムシャフトは、タイミング ベルト、ギア、またはチェーンを介してクランクシャフトによって駆動されます。

エンジンは高速で作動する場合、大量の空気を必要とします。しかし、十分な空気が各燃焼室に入る前に吸気バルブが閉じる場合があり、性能が低下します。一方、レーシングカムのようにカムシャフトがバルブを長時間開いたままにすると、エンジン速度が低いときに問題が発生し始めます。排気バルブがまだ開いているときに吸気バルブを開くと、未燃焼の燃料がエンジンから排出され、エンジン性能が低下し、排出量が増加します。エンジニアの David Vizard の著書「Building Horsepower」によると、吸気と排気が同時に開いている場合、はるかに高圧の排気が吸気チャージをシリンダーから押し戻し、最悪の場合、排気ガスで吸気マニホールドを汚染します。

初期の可変バルブタイミング システムでは、離散的 (段階的) な調整が使用されていました。たとえば、3500 rpm 未満では 1 つのタイミングが使用され、3500 rpm を超えると別のタイミングが使用されます。

より高度な「連続可変バルブタイミング」システムは、バルブタイミングを連続的（無限）に調整することができる。そのため、あらゆるエンジン速度や条件に合わせてタイミングを最適化することができる。^{[2] [3]}

VVT の最も単純な形式はカム位相制御で、クランクシャフトに対してカムシャフトの位相角を前方または後方に回転させます。これにより、バルブの開閉が早まったり遅くなったりしますが、カムシャフトのリフトと持続時間はカム位相制御システムだけでは変更できません。

VVT システムで可変持続時間を実現するには、複数のカム プロファイルや振動カムなどの複雑なシステムが必要です。

吸気バルブの遅閉じ（LIVC） 連続可変バルブタイミングの最初のバリエーションは、従来のエンジンよりもわずかに長く吸気バルブを開いたままにすることです。これにより、ピストンは圧縮行程中に実際にシリンダーから空気を押し出し、吸気マニホールドに戻します。排出された空気はマニホールドを高圧で満たし、その後の吸気行程では、取り込まれる空気は高圧になります。吸気バルブの遅閉じは、部分負荷状態でのポンピング損失を40％削減し、一酸化窒素（NOx）排出量を24％削減することが示されています。ピークエンジントルクはわずか1％の低下を示し、炭化水素排出量は変化しませんでした。^[3]

吸気バルブの早期閉鎖 (EIVC) 低エンジン速度、高真空状態に関連するポンピング損失を減らすもう 1 つの方法は、通常よりも早く吸気バルブを閉じることです。これは、吸気行程の途中で吸気バルブを閉じることを意味します。低負荷状態では空気/燃料の需要が非常に低く、シリンダーを満たすために必要な作業が比較的大きいため、吸気バルブを早期に閉鎖するとポンピング損失が大幅に減少します。^[3]研究によると、吸気バルブを早期に閉鎖するとポンピング損失が 40% 減少し、燃費が 7% 向上します。また、部分負荷状態では一酸化窒素の排出量が 24% 減少しました。吸気バルブを早期に閉鎖することの考えられる欠点は、燃焼室の温度が大幅に低下し、炭化水素の排出量が増加する可能性があることです。^[3]

吸気バルブの早期開放 吸気バルブの早期開放は、排出量を大幅に削減できる可能性を秘めたもう 1 つのバリエーションです。従来のエンジンでは、バルブオーバーラップと呼ばれるプロセスを使用して、シリンダー温度の制御を支援します。吸気バルブを早期に開くと、不活性/燃焼した排気ガスの一部が吸気バルブを介してシリンダーから逆流し、吸気マニホールドで瞬間的に冷却されます。この不活性ガスは、その後の吸気行程でシリンダーに充填され、シリンダーの温度と一酸化窒素の排出量の制御に役立ちます。また、排気行程で排出される排気ガスが少なくなるため、容積効率も向上します。^[3]

排気バルブの早め/遅めの閉じ方 排気バルブの早めの閉じ方と遅めの閉じ方を操作して、排出量を削減できます。従来、排気バルブが開き、ピストンが上昇するにつれて、排気ガスがシリンダーから排気マニホールドに押し出されます。排気バルブのタイミングを操作することで、エンジニアはシリンダー内に残る排気ガスの量を制御できます。排気バルブを少し長く開いたままにすると、シリンダーがさらに空になり、吸気行程でより多くの空気/燃料を充填する準備が整います。バルブを少し早く閉じると、より多くの排気ガスがシリンダー内に残り、燃料効率が向上します。これにより、あらゆる状況下でより効率的な操作が可能になります。

この技術が量産車で広く利用されない主な要因は、エンジン内部の条件下でバルブタイミングを制御する費用対効果の高い手段を生み出せるかどうかである。^[要出典]毎分3000回転で動作するエンジンは、カムシャフトを毎秒25回転させる。そのため、性能上の利点を得るには、バルブタイミングイベントが正確なタイミングで発生する必要がある。電磁式および空気圧式のカムレスバルブアクチュエータは、正確なバルブタイミングの制御に最も優れているが、2016年現在、量産車では費用対効果が高くない。^[要出典]

可変バルブ開放時間方法の探求の歴史は、バルブ開放時間が「蒸気遮断」と呼ばれていた蒸気機関の時代にまで遡ります。初期の蒸気機関車で使用されていたスティーブンソン弁装置は、可変遮断、つまり動力行程中にシリンダーへの蒸気の流入が遮断される時間の変更をサポートしていました。

可変カットオフへの初期のアプローチは、吸気カットオフの変化と排気カットオフの変化を結合していました。吸気カットオフと排気カットオフは、コーリス バルブの開発により切り離されました。これらは、吸気カットオフ、つまりトルクが遠心調速機とトリップ バルブによって機械的に制御される定速可変負荷定置エンジンで広く使用されました。

ポペット弁が使用されるようになると、カムシャフトを使用した簡略化されたバルブギアが使用されるようになった。このようなエンジンでは、可変プロファイルカムを調速機によってカムシャフトに沿って移動させることで可変カットオフを実現できた。^[4]セルポレット蒸気自動車は非常に高温高圧の蒸気を生産するためポペット弁が必要となり、特許取得済みのスライドカムシャフト機構を使用して、吸気弁のカットオフを変化させるだけでなく、エンジンを逆転させることも可能にした。^[5]

1910年代の初期の実験的な200馬力クレルジェV-8は、バルブタイミングを変更するためにスライディングカムシャフトを使用していました^[要出典]。 1920年代初期のブリストルジュピター 星型エンジンのいくつかのバージョンには、主に高圧縮比に関連して吸気バルブタイミングを変更するために可変バルブタイミングギアが組み込まれていました。^[6]ライカミングR-7755エンジンには、パイロットが選択できる2つのカムで構成される可変バルブタイミングシステムがありました。1つは離陸、追跡、脱出用、もう1つは経済的な巡航用です。

エンジンの回転速度に合わせてバルブの開閉期間を変えられることの望ましさは、最大許容回転数制限が一般的に上昇し始めた1920年代に初めて明らかになりました。この頃まで、エンジンのアイドリング回転数と動作回転数は非常に似通っていたため、可変バルブ期間の必要性はほとんどありませんでした。可変バルブタイミングが最初に使用されたのは、アランソン・パートリッジ・ブラシが作成した1903年型キャデラック・ランナバウトおよびトノーで、特許番号767,794「内燃機関用吸気バルブ装置」は1903年8月3日に出願され、1904年8月16日に認可されました。^[7] 1919年より少し前に、ボクスホールの主任設計者ローレンス・ポメロイは、既存の30-98モデルに代わるHタイプと呼ばれる4.4Lエンジンを設計していました。^{[8]このエンジンでは、単一のオーバーヘッドカムシャフトが縦方向に移動して、異なるカムシャフトローブを噛み合わせることができるようになりました。可変持続時間バルブ開放に関する最初の}特許が登場し始めたのは1920年代でした。たとえば、米国特許US patent 1,527,456です。

1958年、ポルシェはドイツ特許を申請し、1959年には英国特許GB861369として公開されました。ポルシェの特許では、バルブリフトと持続時間を増やすために振動カムを使用しました。デスモドロミックカムは、偏心シャフトまたはスワッシュプレートからのプッシュ/プルロッドを介して駆動されます。実際に機能するプロトタイプが作られたかどうかは不明です。

フィアットは、可変リフトを含む機能的な自動車用可変バルブタイミングシステムの特許を取得した最初の自動車メーカーです。1960年代後半にジョバンニ・トラッツァによって開発されたこのシステムは、油圧を使用してカムフォロワーの支点を変化させます（米国特許3,641,988）。^[9]油圧はエンジン速度と吸気圧力に応じて変化しました。典型的な開度の変化は37％でした。

アルファロメオは、量産車に可変バルブタイミングシステムを採用した最初のメーカーです（米国特許4,231,330）。^{[10] 1980年型}アルファロメオ スパイダー2000の燃料噴射モデルには、機械式VVTシステムが搭載されていました。このシステムは、1970年代にジャンパオロ・ガルセアによって設計されました。^[11] 1983年以降のすべてのアルファロメオ スパイダーモデルは、電子式VVTを採用しました。^[12]

1989年、ホンダはVTECシステムをリリースしました。^[13]以前の日産 NVCSがカムシャフトの位相を変更するのに対し、VTECは高エンジン回転数で別のカムプロファイルに切り替えてピークパワーを向上させます。ホンダが製造した最初のVTECエンジンはB16Aで、日本とヨーロッパで販売されたインテグラ、CRX、シビックハッチバックに搭載されました。 ^[要出典]

1992年、ポルシェは連続調整を可能にする初のシステムであるVarioCamを初めて導入しました（それ以前のシステムはすべて離散調整を使用していました）。このシステムはポルシェ968でリリースされ、吸気バルブのみで作動しました。

可変バルブタイミングはオートバイのエンジンに適用されてきましたが、システムの重量増加のため、2004年まで「技術的ショーピース」として役に立たないものとみなされていました。^[14]それ以来、VVTを搭載したオートバイには、カワサキ1400GTR /コンクール14（2007年）、ドゥカティムルティストラーダ1200（2015年）、BMW R1250GS（2019年）、ヤマハYZF-R15 V3.0（2017年）、スズキGSX-R1000R 2017 L7などがあります。

可変バルブタイミングは船舶用エンジンにも導入され始めている。ボルボ・ペンタのVVT船舶用エンジンは、ECMによって制御されるカム位相器を使用しており、カムシャフトタイミングの進みまたは遅れを連続的に変化させる。 ^[15]

2007年、キャタピラー社は、2002年のEPA要件以降のEGRの使用を回避するために、NOx排出量を削減するVVT技術を使用したC13およびC15 Acertエンジンを開発しました。^{[16] [17]}

2010年に三菱は、可変バルブタイミングシステムを搭載した世界初の乗用車用ディーゼルエンジンである4N13 1.8L DOHC I4を開発し、量産を開始しました。 ^{[18] [19]}

メーカーは、さまざまなタイプの可変バルブタイミング システムの実装を説明するために、さまざまな名前を使用しています。これらの名前には次のものがあります。

• AVCS（スバル）
• AVLS（スバル）
• CPS（プロトン）
• CVVTCS（日産、インフィニティ）
• CVVT（ヒュンダイとキアが開発しましたが、ジーリー、イランホドロ、ボルボにも搭載されています）
• DCVCP - デュアル連続可変カム位相制御 (ゼネラルモーターズ)
• DVT（デスモドロミック可変タイミング、ドゥカティ）
• DVVT (ダイハツ、プロドゥア、武陵)
• FSI、TFSI、TSI、SI（フォルクスワーゲングループ）
• MIVEC（三菱）
• マルチエア（FCA）
• VCT（フォード）
• N-VCT（日産）
• S-VT（マツダ）
• Ti-VCT (フォード)
• VANOS ( Variable No ckenwellen S teuerung) -バルブトロニックなしおよび追加ありの「カムシャフト タイミング」( BMW )
• ヴァリアトーレ ディ ファセアルファ ロメオ(VCT) (アルファ ロメオ)
• バリオカム（ポルシェ）
• VTEC、i-VTEC（ホンダ、アキュラ）
• VTi (シトロエン、プジョー、オペル、BM W グループ)
• VVC ( MG ローバー)
• VVL（日産）
• バルブリフト（アウディ）
• VVA (ヤマハ)
• VVEL（日産、インフィニティ）
• VVT (クライスラー、ゼネラルモーターズ、プロトン、スズキ、マルチ・スズキ、いすゞ、フォルクスワーゲングループ、トヨタ)
• VVT-i、VVTL-i（トヨタ、レクサス）
• VTVT（ヒュンダイ）

この方法では、2 つのカム プロファイルを使用し、アクチュエータを使用してプロファイル間を切り替えます (通常は特定のエンジン速度で切り替えます)。カムの切り替えにより、可変バルブ リフトと可変持続時間も実現できますが、調整は連続的ではなく離散的です。

このシステムの最初の量産使用は、ホンダのVTECシステムでした。VTEC は油圧を変更して、高リフト、高持続時間のロッカー アームを隣接する低リフト、低持続時間のロッカー アームにロックするピンを作動させます。

多くの量産 VVT システムはカム位相調整型で、カムシャフトとバルブの位相 (位相とは、吸気カムシャフトと排気カムシャフトの相対的なタイミングを指し、角度の単位で表されます) を変更するバリエータと呼ばれるデバイスを使用します。これにより、カム タイミングの連続調整が可能になります (ただし、初期のシステムの多くは個別調整のみを使用していました)。ただし、持続時間とリフトは調整できません。

これらの設計では、カム ローブの一部に振動または揺動運動が使用され、^{[説明が必要]、}これがフォロワーに作用します。その後、このフォロワーがバルブを開閉します。振動カム システムには、従来のカム ローブを使用するものもあれば、偏心カム ローブとコネクティング ロッドを使用するものもあります。原理は蒸気エンジンに似ており、シリンダーに入る蒸気の量は蒸気の「カットオフ」ポイントによって制御されます。

この設計の利点は、揚力と持続時間の調整が連続的であることです。ただし、これらのシステムでは揚力は持続時間に比例するため、揚力と持続時間を個別に調整することはできません。

BMW（バルブトロニック）、^[20]日産（VVEL）、トヨタ（バルブマチック）の振動カムシステムは、吸気バルブのみに作用します。

偏心カム駆動システムは、回転中にカム ローブの角速度を遅くしたり速くしたりする偏心ディスク機構を介して動作します。ローブが開いている間に遅くなるように調整することは、その持続時間を長くすることと同じです。

このシステムの利点は、リフトとは無関係に持続時間を変えることができることです^[21]（ただし、このシステムではリフトは変化しません）。欠点は、各シリンダーに2つの偏心駆動装置と制御装置（吸気バルブ用と排気バルブ用）が必要であり、複雑さとコストが増大することです。

MG Rover は、このシステムを使用したエンジンをリリースした唯一のメーカーです。^{[引用が必要]}

このシステムは、長さに沿って変化するカムローブで構成されています^[22]（円錐形に似ています）。カムローブの一方の端は、短い持続時間/減少したリフトプロファイルを持ち、もう一方の端は、より長い持続時間/大きいリフトプロファイルを持っています。その間で、ローブはこれら2つのプロファイル間のスムーズな遷移を提供します。フォロワーと接触するカムローブの領域をシフトすることにより、リフトと持続時間を連続的に変更できます。これは、カムシャフトを軸方向に動かす（エンジン全体でスライドさせる）ことで実現され、固定されたフォロワーが変化するローブプロファイルにさらされ、異なる量のリフトと持続時間を生成します。この配置の欠点は、カムとフォロワーのプロファイルが、接触応力を最小限に抑えるように注意深く設計する必要があることです（プロファイルが変化するため）。

フェラーリはこのシステムとよく関連付けられていますが^{[23] [24]}、これまでの量産モデルでこのシステムが採用されていたかどうかは不明です。

このシステムは量産エンジンでは使用されていないことが知られています。

これは、2 つの (間隔が狭い) 平行カムシャフトで構成され、両方のカムシャフトにまたがり、2 つのローブによって同時に作用するピボット フォロワーを備えています。各カムシャフトには、エンジンのクランクシャフトに対する角度位置を調整できる位相調整機構があります。1 つのローブはバルブの開放を制御し、もう 1 つのローブは同じバルブの閉鎖を制御するため、これら 2 つのイベントの間隔によって可変期間が実現されます。

この設計の欠点は次のとおりです。

• 長時間設定では、片方のローブの揚力が低下し始める一方で、もう片方のローブの揚力は依然として増加している可能性があります。これにより、全体的な揚力が低下し、動的問題が発生する可能性があります。ある企業は、バルブの不均一な開度の問題をある程度解決し、フルリフトでの長時間の持続を可能にしたと主張しています。^{[25] [26] [27]}
• 平行シャフト、より大きなフォロワーなどによるシステムのサイズ。

このシステムは量産エンジンでは使用されていないことが知られています。

動作原理は、1 つのフォロワーが 1 組の近接したローブにまたがるというものです。フォロワーは、ノーズ半径の角度限界まで、2 つのローブを組み合わせた表面を連続した滑らかな表面として「認識」します。ローブが正確に位置合わせされている場合、持続時間は最小 (各ローブ単独の持続時間と等しい) であり、位置合わせが極端にずれている場合、持続時間は最大です。この方式の基本的な制限は、ローブ ノーズの真半径 (カムシャフト角度またはクランクシャフト角度でこの値の 2 倍) に等しい持続時間の変化のみが可能であるという点です。実際には、このタイプの可変カムの持続時間の変化の最大範囲は、クランクシャフト角度で約 40 度です。

これは、1925年にUSPTOの特許ファイル（1527456）に登場した最初の可変カムの提案の背後にある原理です。「クレムソンカムシャフト」はこのタイプです。^[28]

「らせん状の動きを持つ2軸同軸複合プロファイル」としても知られるこのシステムは、量産エンジンで使用されていることは知られていない。^{[29] [30] [31] [32]}

以前のタイプと原理が似ており、同じ基本持続時間ローブ プロファイルを使用できます。ただし、単一平面での回転ではなく、軸方向と回転方向の両方で調整されるため、動きにらせん状または 3 次元的な側面が生まれます。この動きにより、以前のタイプの持続時間範囲の制限が克服されます。持続時間範囲は理論的には無制限ですが、通常はクランクシャフトの 100 度程度で、ほとんどの状況をカバーするのに十分です。

このカムは製造が難しく、非常に精密な螺旋加工と慎重な組み立てが必要となるため、製造コストも高いと言われています。

バルブを操作するためにカムシャフトに依存しないエンジン設計は、可変バルブタイミングと可変バルブリフトを実現する上でより柔軟性があります。これまでのところ、カムレス設計を採用している唯一の量産車はケーニグセグ ジェメラです。

このシステムは、エンジン潤滑油を利用して吸気バルブの閉鎖を制御します。吸気バルブを開くメカニズムには、チャンバー内にバルブ タペットとピストンが組み込まれています。エンジン制御システムによって制御されるソレノイド バルブがあり、カム リフト時に通電されて逆止弁を通してオイルを供給し、オイルがチャンバーに充填され、オイル パンへの戻りチャネルがバルブ タペットによってブロックされます。カムの下降運動中、特定の瞬間に、戻り通路が開き、オイル圧力がエンジン パンに解放されます。

• ホンダ技術図鑑 VTEC
• デルファイ可変カムフェイザー（VCP）
• ボルボ CVVT の記事
• MGローバーVVC記事
• MG ローバー VVC の記事 (sandmuseum.com より)
• Mechadyne VVA システム