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可変バルブタイミング（VVT ）は、内燃機関のバルブリフトイベントのタイミングを変更するプロセスであり、性能、燃費、または排出ガス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。排出ガス規制がますます厳しくなっているため、多くの自動車メーカーがVVTシステムを使用しています[ 1 ] 。
2ストロークエンジンは、可変バルブタイミング（VVT）と同様の結果を得るために、パワーバルブシステムを使用している。
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れ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、持続時間、およびリフトは、エンジンの性能に大きな影響を与えます。可変バルブタイミング（可変バルブリフト）がない場合、バルブタイミングはすべてのエンジン回転数と条件で同じであるため、吸排気効率で望ましい結果を達成するには妥協が必要です。これはシミュレーションで説明されています。実際の結果は、自然吸気システムで使用可能な周囲の燃焼サイクルガス、または強制吸気ジオメトリ、燃料パルス幅タイミング、および可変バルブタイミングを備えた車両で使用できる場合と使用できないその他の要因に基づいて異なります。[ 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、エンジンの動作範囲全体で性能を向上させることができます。
ピストンエンジンは通常、カムシャフトによって駆動されるバルブを使用します。カムは、吸気および排気の各サイクル中に、一定時間（持続時間）バルブを開閉します。クランクシャフトの位置に対するバルブの開閉タイミングは重要です。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から駆動されます。
エンジンは高速運転時に大量の空気を必要とします。しかし、各燃焼室に十分な空気が入る前に吸気バルブが閉じてしまうと、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、低速エンジン回転数で問題が発生し始めます。排気バルブが開いている間に吸気バルブを開くと、未燃焼燃料がエンジンから排出され、エンジンの性能低下と排気ガスの増加につながります。エンジニアのデビッド・ヴィザードの著書「Building Horsepower」によると、吸気と排気の両方が同時に開いている場合、はるかに高圧の排気が吸気混合気をシリンダーから押し戻し、吸気マニホールドを排気ガスで汚染します。
初期の可変バルブタイミングシステムでは、段階的な調整が用いられていました。例えば、3500rpm以下ではあるタイミングが使用され、3500rpm以上では別のタイミングが使用されるといった具合です。
より高度な可変バルブタイミングシステムでは、バルブタイミングを連続的（無限）に調整できます。そのため、タイミングをあらゆるエンジン回転数や条件に合わせて最適化できます。[ 2 ] [ 3 ]
VVTの最もシンプルな形態はカム位相制御であり、カムシャフトの位相角をクランクシャフトに対して前後に回転させることで、バルブの開閉タイミングを早めたり遅らせたりします。ただし、カム位相制御システムだけでは、カムシャフトのリフト量や作用角を変更することはできません。
VVTシステムで可変バルブタイミングを実現するには、複数のカムプロファイルや振動カムなど、複雑なシステムが必要となる。
連続可変バルブタイミングの最初のバリエーションは、アトキンソンサイクルを模倣して、吸気バルブを従来のエンジンよりもわずかに長く開いたままにするというものです。これにより、圧縮行程中にピストンが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すことになります。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取り込まれる空気は高圧になります。吸気バルブの閉じるタイミングを遅らせると、部分負荷条件下でポンピング損失が40%減少し、窒素酸化物（NOx）排出量が24%減少することが示されています。エンジンの最大トルクはわずか1%低下し、炭化水素排出量は変化しませんでした。[ 3 ]
低エンジン回転数、高真空状態に伴うポンピング損失を減らすもう 1 つの方法は、吸気バルブを通常よりも早く閉じることです。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/燃料の要求が非常に低く、シリンダーを満たすのに必要な仕事が比較的高いため、吸気バルブを早く閉じ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、吸気バルブを早く閉じ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、部分負荷状態では窒素酸化物排出量が 24% 減少します。吸気バルブを早く閉じることの潜在的な欠点は、燃焼室の温度が大幅に低下し、炭化水素排出量が増加する可能性があることです。[ 3 ]これはアトキンソン サイクルを模倣するもう 1 つの方法であり、強制吸気ミラー サイクルエンジンで一般的に使用されています。
吸気バルブの早期開弁は、排出ガス削減に大きな可能性を秘めたもう一つのバリエーションです。従来のエンジンでは、シリンダー温度の制御を助けるためにバルブオーバーラップと呼ばれるプロセスが使用されています。吸気バルブを早期に開弁すると、不活性ガス/燃焼済み排気ガスの一部が吸気バルブを通ってシリンダーから逆流し、吸気マニホールド内で一時的に冷却されます。この不活性ガスは次の吸気行程でシリンダーを満たし、シリンダー温度と窒素酸化物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、体積効率も向上します。[ 3 ]
排気バルブの閉じるタイミングを早めたり遅らせたりすることで、排出ガスを削減できます。従来、排気バルブが開くと、ピストンが上昇する際に排気ガスがシリンダーから排気マニホールドへと押し出されます。排気バルブのタイミングを調整することで、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ことで、シリンダー内の排気ガスがより多く排出され、吸気行程でより多くの空気/燃料混合気を充填する準備が整います。バルブを少し早く閉じることで、シリンダー内に残る排気ガスの量が増え、燃費が向上します。この動作モードでは、EGRバルブと同様の働きをし、一部のエンジンではEGRバルブを完全に置き換えることもあります。これにより、あらゆる条件下でより効率的な運転が可能になります。
この技術が量産車に広く採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費用対効果の高い方法で制御できるかどうかという点にある。毎分3000回転で動作するエンジンでは、カムシャフトが毎秒25回転するため、性能向上を図るにはバルブタイミングを正確なタイミングで作動させる必要がある。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、バルブタイミングを最も正確に制御できるが、2016年時点では量産車への導入費用対効果は低い。
可変バルブ開弁時間の探求の歴史は、バルブ開弁時間が「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式バルブ装置は、可変遮断、つまり動力行程中にシリンダーへの蒸気供給が遮断されるタイミングの変更を可能にしていました。
可変カットオフの初期のアプローチでは、吸気カットオフの変化と排気カットオフの変化が連動していました。吸気カットオフと排気カットオフは、コーリス弁の開発によって分離されました。これらは、定速可変負荷定置エンジンで広く使用され、吸気カットオフ、ひいてはトルクは、遠心ガバナーとトリップ弁によって機械的に制御されました。
ポペットバルブ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機構が使用されるようになった。このようなエンジンでは、ガバナーによってカムシャフトに沿って移動する可変プロファイルカムを使用して、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発生させるため、ポペットバルブが必要であり、これらは特許取得済みのスライドカムシャフト機構を使用しており、吸気バルブのカットオフを変更するだけでなく、エンジンを逆回転させることもできた。[ 5 ]
1910年代の初期の実験的な200 馬力のクレルジェV-8エンジンは、スライドカムシャフトを使用してバルブタイミングを変更しました。 1920年代初頭のブリストル・ジュピター星型エンジンのいくつかのバージョンは、主に圧縮比の上昇に伴って吸気バルブタイミングを変化させるために、可変バルブタイミング機構を組み込んでいました。[ 6 ]ライカミングR-7755エンジンは、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を備えていました。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弁時間を変化させることができることの望ましさが初めて明らかになったのは、最大許容回転数制限が一般的に上昇し始めた1920年代でした。この頃までは、エンジンのアイドル回転数と運転回転数は非常に似ていたため、可変バルブ開弁時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の最初の使用は、1903年8月3日に出願され、1904年8月16日に付与された特許767,794「内燃機関用吸気バルブ機構」によって作成された1903年型キャデラック・ランナバウトとトノーでした。 [ 7 ] 1919年より少し前に、ヴォクスホールのチーフデザイナーであるローレンス・ポメロイは、既存の30-98モデルの後継として提案されたHタイプと呼ばれる4.4Lエンジンを設計しました。[ 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っていました。可変バルブ開弁の最初の特許が現れ始めたのは1920年代のことでした。たとえば、米国特許US特許1,527,456などです。
1958年、ポルシェはドイツ特許を出願し、1959年には英国特許GB861369として出願・公開された。ポルシェの特許では、バルブリフトとバルブ開弁時間を増加させるために、振動カムが使用されていた。デスモドロミックカムは、偏心シャフトまたは斜板からプッシュ/プルロッドを介して駆動される。実際に動作するプロトタイプが製作されたかどうかは不明である。
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した。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 ]油圧はエンジン回転数と吸気圧に応じて変化します。典型的な開度変化は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した（米国特許4,231,330）。[ 10 ] [ 11 ] 1980年のアルファロメオ 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・ガルセア技師によって設計されました。[ 12 ] 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を採用しています。[ 13 ]
1989年、ホンダはVTECシステムを発表しました。[ 14 ]以前の日産NVCSはカムシャフトの位相を変更するのに対し、VTECは高回転域で別のカムプロファイルに切り替えて最高出力を向上させます。ホンダが最初に製造した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。
1992年、ポルシェは初めて連続調整が可能なシステムであるVarioCamを導入しました（それまでのシステムはすべて離散的な調整でした）。このシステムはポルシェ968に搭載され、吸気バルブのみに作用しました。
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たが、システムの重量増加のため、2004 年時点では役に立たない「技術的なショーピース」と見なされていた。[ 15 ]それ以降、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)、ドゥカティ ムルティストラーダ 1200 (2015)、BMW R1250GS (2019) 、ヤマハ YZF-R15 V3.0 (2017)、スズキ GSX-R1000R 2017 L7、モト グッツィ V85TT、ハーレーダビッドソン ミルウォーキーエイト、KTM 1390 スーパーデュークなどがある。
可変バルブタイミングは船舶用エンジンにも徐々に普及し始めている。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フェーザーを使用して、カムシャフトのタイミングの進角または遅角を連続的に変化させる。 [ 16 ]
2007年、キャタピラーは、2002年のEPA規制以降EGRの使用を避けるためにVVT技術を使用してNOx排出量を削減したC13およびC15 Acertエンジンを開発しました。[ 17 ] [ 18 ]
2010年、三菱自動車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、量産を開始した。 [ 19 ] [ 20 ]
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、多くの異なる名称を使用しています。これらの名称には以下が含まれます。
この方式では、2つのカムプロファイルを使用し、アクチュエータによってプロファイルを切り替えます（通常は特定のエンジン回転数で切り替えます）。カム切り替えによって可変バルブリフトと可変バルブタイミングを実現できますが、調整は連続的ではなく段階的です。
このシステムが初めて量産に採用されたのは、ホンダのVTECシステムでした。VTECは油圧を変化させることでピンを作動させ、高リフト・高デュレーションのロッカーアームを隣接する低リフト・低デュレーションのロッカーアームに固定します。
多くの量産型VVTシステムはカム位相制御式であり、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間の相対的なタイミングを角度で表したもの）を変化させるバリエーターと呼ばれる装置を使用しています。これによりカムタイミングを連続的に調整できます（ただし、初期のシステムの多くは離散的な調整のみでした）が、作用角とリフト量を調整することはできません。
これらの設計では、カムローブの一部が振動または揺動運動を起こし、それがフォロワーに作用します。フォロワーはバルブを開閉します。振動カムシステムの中には、従来型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。原理は蒸気機関に似ており、シリンダーに入る蒸気の量は蒸気遮断点によって制御されます。
この設計の利点は、揚力と持続時間を連続的に調整できる点です。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）[ 21 ] 、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、偏心ディスク機構を介して動作し、カムローブの回転中の角速度を減速および加速します。ローブが開いている期間に減速するように設定することは、その期間を長くすることと同等です。
このシステムの利点は、リフトとは独立して作動時間を変化させることができる点です[ 22 ]（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が必要となること（吸気バルブ用と排気バルブ用）で、複雑さとコストが増大することです。
MGローバーは、このシステムを採用したエンジンを発売した唯一のメーカーである。
このシステムは、長さに沿って形状が変化するカムローブ（円錐形に似ている）で構成されています[ 23 ]。カムローブの一端は短い持続時間/低いリフトプロファイルを持ち、もう一端は長い持続時間/高いリフトプロファイルを持っています。その間では、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移動することで、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移動（エンジン上をスライド）することで、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することによって実現されます。この構成の欠点は、カムとフォロワーのプロファイルを、接触応力（プロファイルが変化するため）を最小限に抑えるように慎重に設計する必要があることです。
フェラーリはこのシステムとよく関連付けられているが、[ 24 ] [ 25 ]これまでに生産モデルでこのシステムが使用されたかどうかは不明である。
このシステムは、市販のエンジンで使用されている例は知られていない。
これは、2本の（間隔の狭い）平行なカムシャフトと、両方のカムシャフトにまたがり、2つのカムローブによって同時に作用されるピボット式フォロワーで構成されています。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備わっています。一方のカムローブがバルブの開閉を制御し、もう一方のカムローブが同じバルブの閉鎖を制御するため、これら2つの動作の間隔を調整することで可変バルブタイミングを実現します。
この設計の欠点は以下のとおりです。
作動原理は、1つのフォロワーが近接した2つのローブにまたがるという点にある。ノーズ半径の角度限界までは、フォロワーは2つのローブの複合面を連続した滑らかな面として作用する。ローブが完全に整列しているときは持続時間が最小値（各ローブ単独の場合と等しい）となり、ローブのずれが極限に達すると持続時間は最大値となる。この方式の基本的な制約は、持続時間の変化幅が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その2倍）にしかならないことである。実際には、このタイプの可変カムの最大持続時間変化範囲は約40クランクシャフト度である。
これは、1925年に米国特許商標庁の特許ファイル（1527456）に初めて登場したと思われる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。[ 29 ]
上記のシステムは市販エンジンで使用されていることは知られていませんが、簡略化されたバージョンがMechadyneによって2008年モデルのViper V10エンジン用に開発されました。このプッシュロッドエンジンは、シリンダーあたり2つのバルブと1つのカムシャフトを備えていました。排気バルブのタイミングは、カムインカムシステムによって吸気バルブに対して最大36°まで調整されました（排気バルブの開弁時間は変更されませんでした）。[ 30 ]
「らせん運動を伴う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。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
原理は従来型と類似しており、同じ基本デュレーション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を行うため、らせん状または三次元的な動きとなります。この動きにより、従来型のデュレーション範囲の制限が解消されます。デュレーション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角度で約100度程度となり、ほとんどの状況に対応できます。
このカムは製造が難しく高価であり、非常に精密ならせん加工と慎重な組み立てが必要であると言われている。
バルブの作動にカムシャフトを使用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高い柔軟性を持つ。これまでのところ、カムレス設計を採用している唯一の市販車はケーニグセグ・ジェメラである。
このシステムは、エンジン潤滑油を利用して吸気弁の開閉を制御します。吸気弁開閉機構は、チャンバー内にバルブタペットとピストンを備えています。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作動し、カムリフト時に逆止弁を通してオイルを供給します。オイルはチャンバー内に充填され、オイルパンへの戻り通路はバルブタペットによって塞がれます。カムが下降する際、特定の瞬間に戻り通路が開き、油圧がエンジンオイルパンに解放されます。