同じエンジンでも、おとなしく走るときと、思い切り回すときでは、欲しい空気の量や流れ方が違います。そこで、入口の開け方まで変えてしまうのが可変バルブリフトです。
リフトは、バルブを閉じた位置から開く量
エンジンのバルブは、空気の入口やガスの出口を開け閉めする弁です。閉じた位置から、どれくらい動かして開くか。この動く量を「リフト量」といいます。まずは、扉をどれくらい大きく開けるか、という話です。
可変バルブリフトは、運転状態に合わせて、その開く量を変える仕組みです。バルブを動かす出っ張りを切り替える方式もあれば、間の部品の動かし方を変えて、連続的に調整する方式もあります。
普通は、カムシャフトの山でバルブを押して開きます。山の形によって、開く量、期間、途中の動く速さが変わります。別の山の動きを選んだり、途中の仕組みを調整したりすれば、開き方を変えられます。
実物のカムシャフト。カム山の形と、その動きをバルブへ伝える部品が開き方を決めます。この写真は可変リフト機構の型式を示すものではありません。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
同じ入口なのに、開き方を変えられるの？
ハグルマ先生
変えられますよ。いつ開けるかと、どれくらい開けるかは別の話なので、ここでは後者に注目しましょう。
大きく開く設定と、小さく開く設定を使い分ける
回転が速くなると、空気を取り込める時間も短くなります。そこで、バルブを大きく開いたり、長く開いたりして、必要な空気を入れやすくします。でも、それがゆっくり回るときや、少しの力で走るときにも最適とは限りません。全開で走るときと、買い物へ向かうときでは、エンジンへの注文も違うわけです。
可変リフトは、いつでも全開にするための仕組みではありません。欲しい空気の量や回転数に合わせ、開く量や期間を選びます。燃費を優先して、吸気を閉じる時期を切り替える使い方もあります。
SUBARU EJ25 i-AVLSの断面モデル。バルブの動きを変える実例で、カムの位相だけを変える機構としては説明しません。SUBARU EJ25 i-AVLS.jpg — 160SX (talk) / 出典 / CC BY-SA 3.0
ボルトくん
一番大きいカムを、ずっと使えばいいんじゃないの？
ハグルマ先生
低回転や軽い負荷に合う開き方も必要なんですよ。大きく長く開ける設定が、いつでも一番いいとは限りません。その場面に合わせて選べるのが利点です。
初期DOHC VTECは、別のカムの動きを切り替える
オイルの圧力で、アームをつなぐピンを動かす
HondaのB16Aに使われたDOHC VTECは、低中回転用と高回転用のカムを使い分けます。カムの動きをバルブへ渡す腕のような部品が、ロッカーアームです。そのアーム同士を、オイルの圧力で動くピンでつないだり離したりして切り替えます。
低回転では、両側のアームが低中回転用のカムに合わせてバルブを動かします。中央のアームは、高回転用のカムに大きく押されますが、この時点では両側とつながっていません。3本をピンでつなぐと、両側も中央の大きな動きに連れられ、バルブを大きく、長く開くようになります。山そのものが、むくむく高くなるわけではありません。
Honda K20のヘッド。初期B16Aと同一の部品や制御条件を示した写真ではありません。カムとアームがヘッド内に配置される実物例として見てください。k20-head — Joe Flores / 出典 / CC BY-SA 3.0
ピンは、アームの中へ横から通す短い棒です。オイルの圧力でこれを横へ動かし、隣同士のアームの境目をまたがせると、一緒に動くようになります。
3本のアームをつなぐ部分を示した図です。油圧で短いピンAを押すと、中央の長いピンBと受け部も動き、2本のピンが境目をまたいで連結します。油圧を抜くと、ばねで戻して連結を解きます。穴の位置が合った状態の機能図で、Hondaの公開特許とB16A解説に基づいています。量産部品の形や寸法、油路を再現したものではありません。図：MECCANISMO / 技術根拠
真ん中のアームは、つながっていないときも、高回転用のカムに押されて動きます。ただ、その動きは両側へ伝わらず、バルブを大きく開きません。この空動きを「ロストモーション」と呼びます。
VTECの切り替えは、全部同じ回転数ではない
切り替わる条件は、エンジンの型式、油や水の温度、負荷などで違います。VTECなら全部同じ回転数で切り替わるわけではありません。SOHC用、一部の気筒を休ませるもの、膨張を大きく使うものなど、目的もいろいろあります。
ボルトくん
VTECが働くと、部品が増えてパワーが出るの？
ハグルマ先生
部品は増えませんよ。カムの動きをバルブへ渡す方法を変えるんです。空気の入り方が変わり、高回転で力を出すことなどに役立ちます。
連続可変は、開く量を細かく調整する
二つの設定を切り替えるほかに、開く量を一定の範囲で細かく調整する「連続可変」もあります。トヨタのバルブマチックは、吸気の時期を変えるVVT-iと、リフトを連続的に変える仕組みを組み合わせた技術です。
バルブの開く量で空気を調整できると、途中のスロットルを強く絞って空気を吸う負担を減らせる場合があります。スロットルは空気量を調整する弁です。バルブで調整するから、スロットルが必ずなくなるという意味ではありません。
細かく選べる分、動かす装置やセンサー、制御も複雑になります。二段切り替えと比べるなら、何のために、どこまで変えるかをそろえて見ましょう。
ボルトくん
連続可変なら、二段の間の開き方も選べるの？
ハグルマ先生
決まった範囲で、細かく変えられますよ。ただし、変えられる量や、開いている期間も変わるかは仕組みによって違います。
開く量と時期を、組み合わせて変える
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
| 変える項目 | 代表的な方法 | 区別したいこと |
|---|---|---|
| 開閉する時期 | クランクに対するカムの位相をずらす | 同じ山なら形と高さは変わらない |
| リフトや開く期間 | 別のカム動作を選ぶ | 時期だけをずらす方法とは別 |
| リフトを連続調整 | 動きを伝える機構を調整する | 変えられる範囲は設計ごとに違う |
Hondaが2000年に発表したDOHC i-VTECは、VTECと、吸気カムの回転位置を連続的に変えるVTCを組み合わせました。ただし、i-VTECという名前のエンジンが、全部、初期B16Aと同じ高回転切り替えをするわけではありません。
ボルトくん
VTECとVTCって、同じ仕事を二つでしてるの？
ハグルマ先生
変えるものが違うんですよ。カムの動きを切り替える装置と、回転位置をずらす装置を使えば、開き方と時期を別々に調整できます。
切り替わらないときも、原因は一つではない
不調を調べるときも、油圧（オイルの圧力）、油を振り分ける弁、アームをつなぐ部分、カムの位置を変える装置、センサーを分けます。「切り替わった感じがしない」だけで、カムやアームが壊れたとは決まりません。指定のオイルと、実際に測った値で確認します。
よくある疑問
VTECが作動すると必ず大きな音がする？
音や加速の感触は、吸気や排気、制御で変わります。大きな音がしないから故障、とも限りません。型式ごとの制御と点検値で確認します。
高リフトのカムへ替えるだけで速くなる？
空気と排気の道、使う回転数、ばね、ピストンとの距離、制御を合わせる必要があります。開く量だけ増やしても、必要な空気が入り、うまく燃えるとは限りません。
すべての可変リフトは油圧で切り替える？
すべてが油圧式ではありません。動かす装置や動きを渡す方法は、それぞれ違います。初期DOHC VTECの仕組みが、ほかの連続可変にもそのまま当てはまるわけではありません。
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