カムシャフトとバルブの仕組み｜位置・開閉・リフトと回転比

エンジンが回ると、空気の入口と排気の出口が、決まった順番で開いたり閉じたりします。その動きを作るのが、カムシャフトとバルブです。どうつながっているのか見ていきます。

カムシャフトは、バルブを動かすための軸

カムシャフトは、軸に「カム」という出っ張りを付けた部品です。回ると出っ張りが相手の部品を押し、バルブを動かします。回る動きを、開け閉めの動きへ変えているんです。

バルブは、空気などを入れる入口と、燃えた後のガスを出す出口を開閉します。多くの乗用車では、細い棒の先に円盤が付いた、ポペットバルブという形を使います。

エンジンの上側にあるとは限らない

カムシャフトの場所は、エンジンによって違います。OHCはヘッド側、OHVはブロック側に置きます。OHVでは、途中の棒やアームで動きを伝えます。カムは必ず一番上、というわけではありません。

図では、Iが吸気側、Eが排気側のカムシャフトです。これは上側にカムを置いた例です。場所の違いはOHV・SOHC・DOHCで比べています。

カムが回ると、どうしてバルブが開く？

丸い部分と、出っ張った部分の差を使う

カムの丸い基準部分を「ベースサークル」といいます。回転して出っ張った部分が相手に当たると、押す量が増え、バルブが開きます。山が来たときだけ押す、という仕組みです。

カムがバルブの円盤を直接こすっているわけではありません。途中にタペットやロッカーアーム、フィンガーフォロワーなどが入ります。名前はいろいろですが、カムの動きを渡す役です。接触面の油と、動く部品の重さも重要になります。[1]

一般的には、ばねがバルブを閉じる

直前の実物写真では、カムシャフトの上側にコイル状のばねが見えます。これがバルブスプリングで、バルブを閉じる方へ戻す力をかけます。

出っ張りが通り過ぎ、カムの押す量が減ると、ばねの力でバルブが閉じます。速く回っても、カムの動きについていけるように作っています。

回転が高すぎてついていけなくなると、ねらったタイミングで閉じられないことがあります。ばね、部品の重さ、カムの形を合わせて防ぎます。ばねを強くするだけでは、こすれや負担も増えてしまいます。

開く量、開いている期間、開閉の時期を分ける

カムの高さと、バルブのリフトは必ずしも同じではない

シーソーは同じ角度で傾いても、支点のすぐ近くと先端では、動く距離が違いますよね。途中に入るロッカーアームも、支点と押される場所の関係で動く量が変わります。

ロッカーアームを使うと、てこの比率で、カム側とバルブ側の移動量が変わります。カムの山が何mm高いかだけで、バルブが何mm開くかは決まりません。

「作用角」は、どれくらいの回転角の間、開いているかを示します。比べるなら、何mm開いたところから数えるか、クランクの角度かカムの角度かをそろえます。測り方が違う数字を並べても、開く長さを正しく比べられません。

4ストロークでは、クランク2回転にカム1回転

4ストロークは、クランクシャフトが2回転して一巡します。バルブもそれに合わせて開閉するので、一般的なカムシャフトは、クランクの半分の速さで回ります。[3]

二つの軸をつなぐのは、タイミングベルトやチェーン、歯車などです。ただ回ればいいのではなく、決まった比率と位置関係を保って回す必要があります。

二本の軸をつなぐ方式の違いは、タイミングベルトとチェーンの違い｜役割・構造・点検の考え方で詳しく解説しています。

可変機構は、何を変えている？

開く時期を変えるものと、開く量を変えるもの

カムの「位相」を変えるのは、クランクに対する回転位置をずらすことです。バルブが開閉する時期を前後に動かします。山の高さを変える話とは別です。

一方、ホンダの初期DOHC VTECは、違うカムの動きへ切り替え、バルブの開く量や期間を変えます。どちらも可変バルブの技術ですが、変えるものが違います。[2]

時期を変える可変バルブタイミングと、開く量を変える切替式の可変バルブを読むと、その違いが分かります。

位相だけを変えるなら、山の形は同じままで、開閉の時期が前後します。開いている期間が同じでも、ピストンのどの位置で入口を閉じるかが変わり、中に残る空気の量や、排気と開く時間の重なりが変わります。開く時期と閉じる時期を、セットで見るのがコツです。

摩耗や異音で見るのは、カムだけではない

当たる面の摩耗、油不足、バルブの隙間、ベルトやチェーンの不具合などで、音や動きが変わります。似た音でも、原因が同じとは限りません。

バルブクリアランスは、バルブを動かす仕組みに設けた隙間です。熱で部品が膨らむことなどを考えて決めます。手作業で調整するもの、油圧で補うものがあり、測る温度や場所、必要な値はエンジンごとに確認します。

ベルトやチェーンに問題があると、軸同士の位置関係がずれることがあります。設計によっては、バルブとピストンがぶつかる原因にもなります。音の変化は軽く見ず、点検で原因を確かめましょう。

よくある疑問

カムシャフトとクランクシャフトは同じなの？

別の軸です。クランクはピストンの往復を回転につなぎ、カムはバルブを動かします。クランクシャフトで位置と役割を解説しています。

DOHCなら、バルブも二つなの？

カムの本数と、一つの気筒のバルブの数は別です。4バルブなどの数え方はマルチバルブをご覧ください。

参考資料

1. MAHLE：Valve train。カムと動弁系の設計。
2. Honda：B16A型VTEC。カム、ロッカー、可変機構の例。
3. NASA Glenn：4ストローク。クランクとカムの回転比。