ヘリカルカムシャフト

ヘリカルカムシャフトは、機械式可変バルブ駆動(VVA) システムの一種です。より具体的には、バルブの開放時間を広範囲で連続的に無段階に変化させることができ、追加された時間はすべてバルブが最大リフトしているときになります。

この記事で可変持続時間カムシャフトとは、シリンダー ヘッド内の従来のカムシャフトを置き換え、従来のフォロワーを介してバルブを操作するように設計されたカムシャフトを指します。その他の条件は次のとおりです。

• 持続時間の範囲は段階がなく連続的です。
• 追加された範囲はすべて、フルバルブリフト時です。
• 範囲は十分に広く、非常に高い回転速度でも最大限のトルクとパワーを発揮します。
• この範囲は、吸気バルブの遅延閉鎖 (LIVC) によるエンジン負荷制御を可能にするのに十分な広さです。
• バルブの開閉速度、加速、ジャークなどは、すべての持続時間設定で許容範囲内です。

純粋に機械的な可変持続時間カムシャフトについては長年にわたって多くの主張がなされてきたが、これらすべての要件を満たすことができたものはなかったため、これらの資格は与えられなければならない。^[要出典]

大規模な組織と個人の両方が多大な努力と費用を費やしたにもかかわらず、米国特許 1,527,456のようなカムシャフトの配置は大幅に改善されることはなく、主流の自動車業界では使われていません。多くのエンジニア (およびその他の人々) は、多大な努力と長年の失敗の後に実用的な可変持続時間カムシャフトが開発される可能性について、それが実現する可能性は非常に低く、達成不可能な「聖杯」のままであるだろうと意見を述べました。

ヘリカルカムシャフトは、ごく最近クレムソン大学の研究で代表されるように、非常に多くの一般的な同軸シャフト複合プロファイルクラスのカムにかなり遠くから属します（そのカムは、米国特許 1,527,456などの他の多くのカムと原理的に本質的に同一です）。

ヘリカルカムシャフトは、2 つのプロファイルの円周方向と軸方向の動きを組み合わせた独自のヘリカル動作を備えている点で、この一般的なクラスの他の製品とは大きく異なります。

カム ローブの閉じる側面が開く側面に達するまで、持続時間を増やすことができます (持続時間は 720 度)。一般的な用途では、ヘリカル カムシャフトの持続時間は、公道走行可能な汎用エンジンの平均 (通常のバルブ クリアランスで測定した場合の約 250 度) から、これより約 100 度または 150 度上までの連続範囲になります。

バルブは、通常の加速、ジャークなどの速度で開きます。その後、通常の速度で閉じるまで、必要な時間だけ最大リフトで開いたままになります。

ヘリカルカムシャフトは、基本的にローブのノーズにある分割線から始めて、開く側面と閉じる側面を互いに遠ざけるように回転させることによって、持続時間を変化させます。側面が離れるにつれて、ノーズ領域はカムシャフトの回転中心の周りの一定半径の領域で「埋められ」ます。ノーズの一定半径が増加すると、一定半径のベース円から同じ角度量が削除されます。

示されているカムシャフトの場合、最小持続時間は元のカムシャフトと同じ約 260° で、最大持続時間は 345° です。

この機構は、外側のシャフトがカム ローブの本体を支える同軸シャフト配置です。カム ローブの本体は、最大持続時間形式になっています。

通常、メインローブ本体の長さは約 450° です。ローブは軸方向に非常に長く、約 45 mm (1.8 インチ) あり、そのプロファイルは、ローブの先端から一定の半径約 170° 離れた従来の開閉側面で構成されています。ローブには、カムシャフトの回転軸に対して約 35° の螺旋角を持つ螺旋状のスロットが機械加工されています。

スロットの幅は、ローブの閉鎖側面の角度範囲に等しい。^{[説明が必要]}スロットの 1 つのエッジは、170 度の一定のノーズ半径を横切ってローブの全長にわたって対角線上に延びています。もう一方のエッジは、すべてがベース サークル レベルになるように研磨されています。スロットは、実際にはカム ローブの本体の閉鎖側面を置き換えます。スロットをブリッジするのは、閉鎖側面のプロファイルに研磨されたローブのセグメント (厚さ約 10 mm) です。セグメントは内側のシャフトに取り付けられています。スロットの 1 つのエッジは、ローブのノーズ半径と同じ半径の一定の円筒形半径を持ちます。もう一方のエッジは、ローブのベース サークルの半径を持ちます。閉鎖側面セグメントの各エッジに沿った小さな領域は、隣接するスロットのエッジと同じ一定の半径を持ちます。

つまり、セグメントはらせん状のスロットのどこにでも配置でき、フォロワーは常にセグメントとの間でスムーズに移動できます。ローブ セグメントは内部シャフトに固定されているため、相対的な軸方向の動きによってバルブの開放時間が変わります。フォロワーは、軸方向に静止しているセグメントと常に一直線になるように配置されます。

スロットの螺旋角度は約 35° であるため、外側シャフトの軸方向の動きによってセグメントが回転し、ノーズ一定半径の露出量が増減して持続時間が変わります。

ヘリカル カムシャフト システムのベース プロファイルまたは最短持続プロファイルは、標準的な量産エンジン プロファイルとほぼ同じです。ヘリカル カムシャフト ベース プロファイルは、特にロッカー比が 2:1 前後とかなり高いピボット カム フォロワーで使用されるローブ形状の一般的なグループに属します。

このローブ プロファイル ファミリは、主にローブ リフトが短いという特徴があります。このため、ローブは非常に丸みを帯びた (または「鼻が尖った」) 外観をしています。カムシャフトの回転軸を中心としたノーズ領域の曲率半径は、約 20 度程度の角度範囲にわたってほぼ一定半径であることがよくあります。ヘリカル カムシャフトでは、この領域が真の一定半径である必要があります。場合によっては、ノーズから 0.25 mm (またはそれ以下) だけ削除する必要があります。^[要出典]測定すると、ノーズ領域の加速率とジャーク率は標準よりもわずかに高くなります。

ローブ ノーズは通常、持続時間を延長するために約 150° 追加できます。揚力面の形状は変更されません。持続時間が延長されるため、最高出力を実現するために、揚力率と総揚力をレーシング カムほど極端にする必要はありません。

VVA（特に可変期間）の従来の用途は、エンジン回転数をバルブ開放期間に合わせることです（これは、 VTEC が大まかに行っていることです）。一般的な考え方は、低回転数でのパワー不足、アイドリングの乱れなど、長時間のレーシングカムに伴う問題を回避して、高回転数でのパフォーマンスを向上させることです。エンジンは通常、回転数が上昇するにつれて、ほぼ直線的に期間を増やす必要があります。目的は、許容される回転数範囲のあらゆるポイントでトルクを最大化することです。つまり、ヘリカルカムシャフトでは、回転数範囲の最大パワーポイントという古い概念は適用されません。ヘリカルカムシャフトでは、吸気システムの「呼吸」限界に達するまで、またはおそらくエンジン部品の機械的強度限界を超えるまで、パワーが増加し続けます。^{[引用が必要]}ヘリカルカムシャフトの標準的な 250 度から 350 度以上の持続範囲は、基本的に、適度に頑丈なエンジンが約 1500 RPM からおそらく 20,000 RPM 以上まで強力に「引っ張る」ことができ、500 または 600 RPM でスムーズにアイドリングできることを意味します。^{[引用が必要]}

フルリフト時の持続範囲や、このようなことを実行できる高 RPM 機能を備えた機械式 VVA システムはこれまで存在していませんでした。「カムレス」電磁/油圧システムは、ヘリカル カムシャフトと同様の持続範囲/リフト範囲を備えていますが、現時点では高 RPM 機能は厳しく制限されています。

おそらくもう少し実用的なレベルでは、道路用エンジンのダイナモメーターテストでは、ヘリカルカムシャフトの持続時間の増加がわずか 30 度程度に制限されている場合でも、一般的な道路用エンジンは標準カムと同じ RPM パワーピークで 25% ～ 30% パワーを増加できることが示されています。また、アイドリングおよび低 RPM の動作はまったく正常です。

ヘリカル カムシャフトを燃料節約ツールとして応用することは、エンジンの出力を最大化するというよりも、さらに重要な応用である可能性があります。スズキ GSX 250 cc エンジンでヘリカル カムシャフトのプロトタイプをテストしたところ、アイドリング時の燃費が著しく向上することが分かりました。この特定のヘリカル カムシャフトは、吸気カム ローブの閉じる側ですべての持続時間の増加が発生するように配置されており、吸気バルブの開き点はスズキ GSX 250 エンジンの標準のままです。この目的は、LIVC がアイドリング時の燃料消費に及ぼす効果をテストすることでした。

LIVC の基本的な目的は、吸気ポンピング損失を減らすことです。これらのポンピング損失はアイドリング時に最大となり、マニホールド圧力(および出力) が増加するにつれて徐々に減少します。テスト用のスズキ エンジンは、標準カムシャフトを装着した同じエンジンと比較した場合、アイドリング時の燃費が一貫して 40% 向上しました。これは少しありそうにないと思われるかもしれませんが、アイドリング時には、使用される燃料の約 80% が吸気ポンピング損失を克服するためだけに使用されると推定されていることを覚えておく必要があります。したがって、ポンピング損失の減少は、アイドリング時の燃料使用量に大きく直接影響します。出力が上昇すると、40% はすぐに減少しますが、一般的な道路/交通での使用におけるエンジンの場合、全体的な数値はおそらく 10% から 20% の改善になります。アイドリング時の燃費の驚くべき改善は、おそらくスズキのようなキャブレター エンジンにのみ当てはまります。現代の多気筒燃料噴射式自動車エンジンがヘリカル カムシャフトでどのように動作するかは、まだテストされていません。アイドリング時の燃費は大幅に改善されると思われますが、40% はないでしょう。少なくとも他の変更を加えなければ改善されないでしょう。スズキは、約 55 度または 60 度余分に遅れて閉じた状態でアイドリングしていました。つまり、下死点から約 120 度後です。つまり、必要な合計時間は約 320 度でした。LIVC によるエンジン負荷制御には、非常に長い時間が必要です。通常、LIVC による負荷制御には、高 RPM パワー、特に汎用の道路走行アプリケーションに必要な時間よりもはるかに長い時間が必要です。重要なのは、LIVC に使用する場合、この非常に長いバルブ開放時間はすべて、フルバルブリフトでなければならないということです。シリンダーに出入りする流れを妨げないように、バルブリフトは最大でなければなりません。流れが制限されるとポンピング損失が発生し、LIVC の目的全体が無効になります。

ヘリカル カムシャフトを高回転出力の補助と LIVC による負荷制御に使用することについて説明しましたが、両方の機能を同じエンジンで使用できない理由はないことは明らかです。現実的には、ヘリカル カムシャフトの原理はツイン カム エンジンにのみ適用できます。出力を最大化するには、吸気カムと排気カムの両方をヘリカル カムシャフト タイプにする必要があります。高回転性能に必要な持続時間の増加は、吸気カムと排気カムの両方でほぼ等しく、基本持続時間ローブ プロファイルの中心線についてほぼ対称的な増加である必要があります。LIVC 操作のみの場合は、吸気カムシャフトのみをヘリカル カムシャフトにする必要があります。ツイン ヘリカル カムシャフトの配置と適切な制御により、エンジンは極めて高い出力と非常に高い燃費の両方を実現できます。

また、絶対的なパワーを犠牲にして、さらに燃費を向上させる可能性もあります。ヘリカル カムシャフトと LIVC の一般原理により、非常に高い圧縮比 (CR) を使用することもできます。ここでの考え方は、非常に高い幾何学的 CR を使用しながら、デトネーションを回避するために LIVC によって圧縮圧力を制限することです。燃焼後の膨張比は依然として高いままです。燃焼中の燃料/空気混合物の熱エネルギーを基本的に使用可能な機械的エネルギーに変換するのは、膨張比です。膨張した高温ガスがピストンを動かすほど、より多くの熱エネルギーが有用な仕事に変換され、熱効率が高くなります。この一般原理は通常、「アトキンソン サイクル」と呼ばれます。(厳密に言えば、アトキンソン サイクルは、機械的に異なる長さの圧縮ストロークと膨張ストロークを持つエンジンを指します。現代の実践では、圧縮圧力は、吸気バルブの一定量の遅い閉じによって制限されます。これは、異なるストローク長とまったく同じ効果があります)。アトキンソン サイクルでは、全体的なパワーが低下するという代償を払って効率が向上します。たとえば、エンジンの幾何学的 CR が 18:1 の場合、デトネーションを回避するには、空気/燃料混合気を全負荷の約半分に制限する必要があります。その結果、全負荷時にエンジンは半分の燃料を使用しますが、出力は同等の「通常の」エンジンの半分ではなく、約 3 分の 2 または 4 分の 3 になります。つまり、熱効率が向上します。このようなエンジンは経済的ですが、吸気ポンプ損失は依然として発生します。

ヘリカルカムシャフトにより、アトキンソンサイクルとLIVCの両方を同時に適用できます。CRが高いため、アイドリング時にさらに多くのLIVCを使用できるため、ポンピング損失がさらに低減し、効率が向上します。結果として得られるエンジンは、ディーゼルと非常によく似た（またはそれ以上の）燃費を実現し、より安価なLPG燃料で稼働できます。また、ディーゼルよりも軽量で製造コストも低くなります。このようなエンジンを搭載した車は、「ハイブリッド」車よりもはるかにシンプルで安価な代替品となるでしょう。（ただし、ヘリカルカムシャフト/アトキンソン/LIVCエンジンを搭載したハイブリッド車はさらに経済的です）。

現在、エンジン研究の最近の「流行」の分野の一つは、予混合圧縮着火(HCCI) エンジンです。これは、ディーゼルエンジンと同様に、火花点火エンジンを軽負荷または部分負荷で作動させることを意味します。HCCI では、多かれ少なかれ制御された圧縮着火が突然本格的なデトネーションに発展しないように、圧縮圧力を非常に迅速かつ正確に変更する必要があります。ヘリカルカムシャフトの主な強みの一つは、まさにそれができることです。しかし、簡単に制御できる LIVC (アトキンソンの高 CR 効果の有無にかかわらず) は、明らかにリスクのある HCCI プロセスよりもエンジンを制御するはるかに簡単な方法であると思われます。また、HCCI が LIVC などよりも燃料効率が良いかどうかは疑わしいです。

ヘリカル カムシャフトの持続時間は、同軸配置の外側シャフトを長さ方向 (または軸方向) に移動することによって変更されます。ヘリカル カムシャフトのヘリックス角は、おそらく常に約 30 ～ 35 度になります。ヘリックス角は、使用されるセグメントの幅 (通常約 10 mm または 0.39 インチ) と、ローブの先端部の一定半径の 20 度の領域 (通常、円周は約 7 mm) に起因します。したがって、この領域を横切る対角線上の分割線は、通常、カムシャフトの軸に対して約 35 度でなければなりません。これは、軸方向の移動 1 ミリメートルあたり約 3.5 (クランクシャフト) 度という数値に相当します。30 mm (1.2 インチ) の移動で、持続時間は 105 度変化します。ヘリカル カムシャフトはこれよりはるかに大きな変化が可能ですが、テストの結果、この量でほとんどの目的に十分であることがわかっています。^[要出典]

シャフトを軸方向に動かすのにはほとんど力は必要ないため、LIVC 負荷制御のみにヘリカル カムシャフトを使用する場合、軸方向の動きをアクセル ペダルに直接機械的に接続できる可能性があります。同様に、ヘリカル カムシャフトを高回転出力の向上に使用する場合は、単純な自己完結型遠心コントローラ/アクチュエータのみを使用できます。^{[引用が必要]}

いくつかのプロトタイプは、遠心コントローラ/アクチュエータを使用して非常にうまく動作しました。ヘリカル カムシャフトを操作してカムの LIVC と高 RPM 機能の両方を使用する場合、LIVC を使用できるように各カムに油圧アクチュエータが必要になる可能性があります。各ヘリカル カムシャフトには、高 RPM 使用のための位相変更メカニズムも必要です。低 RPM および部分負荷では、ヘリカル カムシャフトはすべて LIVC になります。高 RPM および全負荷では、ヘリカル カムシャフトから長い持続時間が必要になりますが、位相変更メカニズムは、閉側フランクの持続時間の増加をすべてより対称的な持続時間の増加に変更する必要があります。これらはすべて機械的に実行できる可能性がありますが、必要な量の LIVC と位相を整理するためにコンピューター/マイクロプロセッサーを備えた外部電源構成がおそらく賢明です。 HCCI 動作の場合、状況は明確ではありませんが、圧縮圧力を変更するのに必要な軸方向の移動が非常に短い (したがって非常に高速) ため、ヘリカル カムシャフトはこのプロセスに非常に適していると思われます。

このシステムの欠点はコストです。かなりシンプルな装置ですが、非常に正確な螺旋加工と非常に慎重な組み立てが必要です。螺旋カムシャフトのプロトタイプは、通常、加工と材料で約 1,500 ドルかかります。^{[引用が必要]}この数字は、生産時には大幅に削減されます。螺旋カムシャフトのコストが実際に高いのは、従来のカムシャフトと比較した場合のみです。従来のカムシャフトの製造コストは、製造業者がユニットあたり数ドルしかかからないと言われています。^{[引用が必要]}この事実により、螺旋カムシャフトは実際よりも高価に見える傾向があります。そうは言っても、螺旋カムシャフト (および関連するコントロールなど) のコストは、おそらく他の生産 VVA システムとほぼ同じ (またはそれよりも安い) でしょう。^{[引用が必要]}

さまざまなプロトタイプは、^{これまで何時間にもわたるテスト（一部は超高速回転）で摩耗や極限強度（破損）の問題を一度も示していません。しかし、量産車のカムシャフトは}理想的には車両の寿命まで持たなければならないため、本当に長期にわたるテストが実施されるまでは疑問が残ります。しかし、解決不可能な長期的問題はおそらくないだろうという兆候があります。^[要出典]

ヘリカルカムシャフトは、リフトを倍増するピボットフォロワーを介して作動する必要があります。ヘリカルカムシャフトは、実際には反転バケットタイプのフォロワーと一緒に使用することはできません。反転バケットは今でも使用されていますが、ロードエンジンとレーシングエンジンの両方で、ピボット「フィンガー」フォロワーに置き換えられつつあります。ピボットフォロワーが必要なだけでなく、エンジンがシリンダーあたり4つのバルブを備えている場合は、フォロワーをフォーク状にして、1つのヘリカルカムシャフトローブで2つのバルブを作動させる必要があります。これは、問題というよりは特性です。非常に広い持続範囲が必要な場合は、カムシャフトに沿った軸方向のスペースが多少制限されるため、通常は1つのヘリカルカムシャフトローブ（およびその動作スペース）用のスペースしか見つかりません。

ヘリカル カムシャフトでは、非常に短い作用時間や可変リフトを実現できません^{[誰によると? ]}。多くの企業や製造業者^{[誰によると? ]}は、独自の VVA システムが非常に短い作用時間およびそれに伴う低バルブ リフトを実現することを利点のように見せかけていますが、実際には選択の余地はありません。

ヘリカルカムシャフトがバルブトロニックタイプの振動カム構成の「駆動」カムにならない物理的な理由はありません。（しかし、それはかなり複雑になり、バルブトロニック部分の配置によってヘリカルカムシャフトの高回転能力が制限されます）。その結果、信じられないほど多様な持続時間/リフトの組み合わせが可能になります。これは研究に非常に役立ちます。しかし、現実の世界では、おそらく組み合わせの 95% は 4 ストローク サイクルにあまり役立つ関連性がありません。もちろん、これはある程度ヘリカルカムシャフトにも当てはまります。約 400 度以上の使用は想像しにくいですが、ヘリカルカムシャフトにはさらに 300 度程度の余裕があります。

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  スズキ GSX 250 標準カム
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  スズキヘリカルカム – 最小持続時間
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  スズキヘリカルカム – 中距離持続時間
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  スズキヘリカルカム – 最大持続時間設定

• 米国特許 6,832,586
• 「Two Wheels」誌、2008 年 7 月、74 ～ 75 ページ。記事: 「ひねりを加えたタイミング - ウィリアムズ ヘリカル カム」 https://web.archive.org/web/20081220005104/http://www.twowheels.com.au/ 著者: ジェレミー ボウドラー
• 「パフォーマンス ビルドアップ」誌、第 15 巻第 1 号、30 ～ 35 ページ。ストーリー: 「ヘリカル カム - 誘導の新しい展開」著者: ポール タズソン
• 「Fast Fours」誌、2004 年 7 月、100 ～ 108 ページ。ストーリー: 「Totally Twisted」著者: Paul Tuzson http://www.fastfours.com.au 2008 年 12 月 16 日にWayback Machineにアーカイブされました