可変バルブ機構(VVT/VVL)の仕組みとメリットをエンジン開発者が解説!

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可変バルブ機構(VVT/VVL)の仕組みが知りたい

エンジン性能を向上させる重要な機能

VVTやVVLの可変バルブ機構はエンジンの燃費性能や耐ノック性能を向上させることのできる重要な機能です。

今回は、可変バルブ機構の仕組みとそのメリットについて解説をしていきます。

エンジン開発の経験がるある現役自動車エンジニアです

私は、現役の自動車開発エンジニアであり、エンジン開発の経験もあります。

吸気バルブや排気バルブの設計を行う動弁系の開発の経験もあるため、その仕組みやメリットを詳しく説明することができます。

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可変バルブ機構は各自動車メーカーのエンジンに採用

トヨタのVALVEMATIC

トヨタは「VALVEMATIC」と呼ばれる可変バルブリフト機構を有しています。これはバルブリフトを連続的に可変させることができます。

ホンダのVTEC

ホンダの「 VTEC」は、可変バルブタイミングと可変バルブリフトの2つの機能を統合させたシステムになります。

しかし、トヨタの「VALVEMATIC」のようにバルブリフトを連続的には変化させることはできず、2種類のバルブプロフィールを用意しておいて、それを途中で切り替えるという方法を採用しています。

日産のVVEL

日産の「VVEL」はバルブリフトとバルブタイミングを連続的に変化させることができる機能を持っています。

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可変バルブ機構の種類

まず、可変バルブ機構には可変バルブタイミング(VVT)と可変バルブリフト(VVL)の2種類があります。

以下で、それぞれの特徴について解説をします。詳細は後述しますが、可変バルブ機構を使うことによって、ポンピングロスや排気吹き出し損失などのエネルギーロスを低減することができるようになります。

可変バルブタイミング(VVT)

VVTは、バルブ開閉タイミングを可変にする機構です。

もう少し厳密な解説をすると、開閉タイミングの位相を可変にする(リフトカーブを平行移動する)ということです。つまり、バルブをオープンするタイミングを早める(進角)と、クローズするタイミングも早まるということです。

反対に、オープンタイミングを遅らせる(遅角)と、クローズタイミングも遅れます。

VTTは吸気バルブと排気バルブにそれぞれに実装されるため、「吸気VVT」や「排気VVT」という呼び方をすることが多いです。VVTはコストアップに直結するので、吸気と排気のどちらか一方だけに実装されるケースも少なくありません。

可変バルブリフト(VVL)

VVLは、バルブのリフトカーブを可変にする機構です。

リフトカーブを変更できるため、バルブのオープンタイミングを固定した状態でクローズタイミングを可変にすることができます。

VVTとVVLの両方を組み合わせたシステムを存在します。VVT+VVLにすることで、バルブのオープンタイミングとクローズタイミングをそれぞれ独立させて制御することができるようになります。

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可変バルブ機構のメリット

充填効率(シリンダー内の空気量)を最大化できる

充填効率(シリンダー内の空気量)は吸気バルブのクローズタイミングが非常に重要になります。

充填効率はエンジン回転数と相関が強く、エンジン回転数が上がるにつれて吸気バルブクローズタイミングを遅らせる必要があります。

これは、「吸気慣性効果」の影響です。エンジン回転数が高いときは空気の流速も早くなり(慣性効果が高くなり)、遅閉じにしても空気をシリンダーに詰め込むことができるからです。

逆に、エンジン回転数が低いときは空気の流速が遅いため、遅閉じにしてしまうとせっかくシリンダーに導入した空気が逆流してシリンダーから吸気ポートを通って抜けていってしまうのです。

したがって、回転数の上昇に合わせて吸気バルブタイミングを遅角させることによって、常に充填効率を最大化させることができるのです。

ポンピングロス(ポンプ損失)を低減できる

可変バルブ機構は、ポンピングロス(ポンプ損失)の低減にも効果があります。

ポンピングロスを低減するために重要なことは、吸気行程中と排気行程中のバルブ開口面積を大きく開けることです。そのためには、リフト量の高いリフトカーブにすることが重要になります。

ホンダのVTECでは、バルブリフトの低い「ローカム」とバルブリフトの高い「ハイカム」の2種類のバルブプロフィールを用意しています。高負荷領域はハイカムを使うことによって、吸排気行程中のポンピングロスを低減させる工夫をしています。

排気吹き出し損失を低減できる

排気吹き出し損失をも低減することができます。

排気吹き出し損失とは、膨張行程中に排気バルブを開ける(ブローダウン)とシリンダー内の高圧・高温のエネルギーの高いガスが排気ポートに抜けてしまうことによる損失です。

排気吹き出し損失はエンジン回転数の上昇に伴って、排気バルブの開弁タイミングを進角すると最適化できます。それはエンジン回転数によって排気行程の時間が変化するためです。

エンジン回転数が低いときは、ピストンスピードがゆっくりなので排気行程の時間は長く取ることができます。そのため、排気バルブの開弁タイミングが遅くても十分排気できるのです。反対に、タイミングが早すぎるとガスが抜けすぎてしまい排気吹き出し損失が増大します。

しかし、高回転のときは時間が足りません。そこで、高回転域では早めに排気バルブを開けてないとガスが排気する前に、次の吸気行程が始まってしまうのです。

高負荷領域の掃気がしやすくなる

高負荷領域では、シリンダー内の掃気が重要になります。掃気とは、燃焼が終わった高温の既燃ガスをシリンダー内から吐き出す(掃除する)ことを指します。

では、なぜ既燃ガスがシリンダー内に残留するとよくないのでしょうか?その理由は、ノッキングが起こりやすくなるからです。既燃ガスが残留すると次のサイクルの筒内温度が高くなり、圧縮行程でノッキングが起こりやすくなってしまいます。

掃気を促すためには、吸気バルブと排気バルブをオーバーラップさせることが必要です。吸気バルブと排気バルブの両弁を開けることによって、吸気ポート→シリンダー→排気ポートと空気の流れができて掃気がしやすくなります。

オーバーラップは、吸気バルブのクローズタイミングを遅角、排気バルブのオープンタイミングを進角すると実現します。

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