エンジンのバルブは、決まったタイミングで開けばよさそうですよね。でも、その「ちょうどいいタイミング」が、走り方によって変わります。そこで登場するのが、可変バルブタイミングです。
変えるのは、空気の入口と排気の出口を開く時期
バルブは、エンジンへ空気を入れたり、燃えたガスを出したりする弁です。これを動かすカムシャフトと、ピストンを動かすクランクシャフトは、ベルトやチェーンなどでつながっています。
可変バルブタイミングは、その回転の関係を調整し、バルブが開閉する時期を変える仕組みです。基本的な位相調整式では、開く時期と閉じる時期をまとめて前後へ動かします。扉を大きくする話とは、まず分けて考えましょう。
この開閉の時期が「バルブタイミング」です。可変というのは、回転数やエンジンの負荷に合わせ、決まった範囲で時期を動かせること。開く量を変える仕組みとは、別の働きです。
ヘッド内のカムシャフトとチェーン。カムの回転位置が変わると、ピストンの位置に対するバルブの開閉時期も変わります。写真だけで可変機構の型式は断定しません。Albero a camme e catena di distribuzione in testata di motore automobile – particolari.jpg — Anna.Massini / 出典 / CC BY-SA 4.0
ボルトくん
入口を開ける時間割まで、途中で変えるの？
ハグルマ先生
そうですよ。回転の速さや必要な力に合わせて、空気を取り込みやすい時期へ調整するんです。
同じ開閉時期では、すべての運転状態に合わせにくい
流れる空気にも、勢いがある
空気は、扉を開けたら一瞬で必要な量が入る、というものではありません。流れるのに時間がかかりますし、流れ始めれば勢いも付きます。一方、エンジンの回転が速くなると、次の動きまでの時間は短くなります。ゆっくり回るときと、猛烈に回るときに、同じ時間割がいつも合うとは限らないんですね。
高回転でたっぷり空気を入れられる時期が、低回転や軽い負荷でも一番いいとは限りません。安定して回ること、燃費、パワー、排出ガスを合わせて選びます。高回転なら全部遅くする、といった決まりではありません。
吸気の基本図。実際は、空気の流れや圧力を利用するため、ピストンが端へ来る時刻とバルブの開閉は一致しない場合があります。Four stroke cycle intake.png — Wapcaplet at English Wikipedia / 出典 / CC BY-SA 3.0
ボルトくん
空気を入れたいなら、ずっと長く開けておけばいいんじゃないの？
ハグルマ先生
開ける時間を長くすると、条件によって空気が戻ったり、排気側との重なりが増えたりしますよ。吸い始める時期と、空気を閉じ込める時期を合わせて決めるんです。
同じカム山が働く時期を、前後にずらす
クランクに対して、カムの回転位置を変える
「位相」は、繰り返す動きの中で、どこまで進んだかを表す言葉です。ここでは、ピストンを動かすクランクシャフトに対して、カムがどの角度まで回っているか、ということです。
チェーンなどに回される歯車と、カムの軸の間に、少しだけ位置をずらせる装置を挟みます。歯車に回してもらう関係を保ちながら、軸が向く位置を調整するわけです。同じ長さの演劇を、予定より早く始めたり遅く始めたりする感じですね。同じ山を使うなら、カムの高さと形は変わりません。
日産VQ35HRの可変タイミング機構を示す展示。吸気側と排気側で機構が異なる実例で、両方を同じ油圧構造として扱いません。nissan-vq35hr-vvt — 160SX / 出典 / CC BY-SA 3.0
進角と遅角を、開く時期だけで読まない
| 同じ形の吸気カムの位相を動かす場合 | 開く時期 | 閉じる時期 |
|---|---|---|
| 進角：早い側へずらす | 早くなる | 早くなる |
| 遅角：遅い側へずらす | 遅くなる | 遅くなる |
開閉の時期を早い方へ動かすのが「進角」、遅い方へ動かすのが「遅角」です。同じ吸気カムを早めれば、開くのも閉じるのも早まります。空気をいつ閉じ込めるかも変わるので、開く瞬間だけで効果は決まりません。
ボルトくん
早く開くようにしたら、閉じる時期はそのままなの？
ハグルマ先生
カム全体をずらす方式なら、開くのも閉じるのも一緒に早まりますよ。開いている期間や、開く量を変える方式とは別なんです。
オイルの圧力や電動モーターで動かす
油圧式は、オイルの圧力で装置の中を動かします。ECUというコンピューターが、油を振り分けるバルブなどで流れを調整します。中の形や、停止中に位置を固定する方法は、設計によって違います。
電動モーターで、カムの位置を調整する方式もあります。トヨタのVVT-iEのEは電動を表します。油圧式とは、始動中や低回転で使える調整の範囲などが変わります。ただし、電動だから何もかも上、というわけではありません。
コンピューターは、二つの軸の位置を測るセンサーで、目標どおりの場所へ動いたかも確かめます。アクセルの踏み方だけで、カムの角度が一つに決まるわけではありません。
ボルトくん
オイルって、滑りやすくするだけじゃなくて、カムを動かすのにも使うの？
ハグルマ先生
油圧式では、そうですよ。油の圧力を動かす力に使うので、量や粘り、汚れ、通り道の状態も関係します。電動など、別の動かし方もあります。
実際の車では、出力と燃費の両方に関わる
トヨタが1995年に発表したVVT-iは、運転の状態に合わせて吸気カムの時期を調整する技術でした。その後のDual VVT-iは吸気と排気の両方、VVT-iWは吸気を広い範囲で調整するなど、同じ系列でも受け持つ範囲が違います。
吸気を閉じる時期を変え、実際に圧縮する空気の量を調整する設計もあります。軽い負荷なら効率を優先し、大きな負荷なら必要な力を出すために使えます。部屋の広さで決まる圧縮比を、機械的に変えるのとは別です。
ボルトくん
可変バルブタイミングは、速く走るときだけ働くの？
ハグルマ先生
燃費や排出ガス、低回転での乗りやすさにも関わるんですよ。閉じる時期や入口と出口の重なりを変えて、そのときに合う動きにします。
不調のときは、油やセンサーも調べる
不調になると、警告灯、力の低下、アイドリングの乱れなどが出ることがあります。ただし、点火や空気の通り道でも似た症状は出ます。故障コードだけで装置を交換せず、油、調整するバルブ、センサー、軸の位置関係を調べます。
よくある疑問
VVT-iとVTECは同じ？
同じ仕組みではありません。代表的なVVT-iはカムの回転位置をずらし、初期のDOHC VTECは違うカムの動きへ切り替えます。両方を使うエンジンもあります。
可変機構があればタイミングベルトは不要？
タイミングを変えても、カムとクランクをつなぐ部分は必要です。ベルト、チェーン、歯車のどれを使うかは、エンジンによって違います。
進角は、いつでもトルクを増やす？
いつでも増えるわけではありません。回転数や負荷、吸気と排気の圧力、閉じる時期でも変わります。早いほどいい、遅いほどいいという話ではないんです。
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