昨今の自動車には欠かせない可変バルブタイミングシステムについて解説します。
なぜ可変バルブタイミング機構が必要なのか。
一番メジャーな位相変化型を紹介。
目次・・・
●バルブタイミングとは
●バルブタイミングを可変にしたい・・・
●可変バルタイの仕組み
●位相変化型のバリエーション
【書き起こし】【VVT】可変バルブタイミングの仕組みと構造を解説します【自動車エンジンの仕組み】
(00:05) みなさんこんにちはメカのロマンを探求する会 今回のお題はこれ可変バルブタイミング 自動車のレシプロエンジンにおいて吸気と排気の量バルブをどのタイミングで開閉する かはエンジンの特性を決定付ける上で非常に重要な要素です 基本的にはカムの形状カムプロファイルですべてが決定されるため エンジンが組み上がった後は変更することができません ところが可変バルブタイミングという魔法の美術を使うとそれを操ることが出来るよう になるんです ということで今回は可変バルタイについて調べてきましたのでご紹介したいと思います バルブタイミングとはホーストのレシプロエンジンはこのような構造と動きをしてい ます 吸気バルブが開いてピストンが下がって混合気をシリンダに吸い込む 吸気バルブが閉じてピストンが上昇して混合気を圧縮する 電気火花で混合気を燃焼させてその熱でガスが膨張してピストンを押し下げる
(01:13) 排気バルブを開いてピストンが上昇して排ガスを押し出す排気が終わると排気バルブを 閉じ いる これを延々と繰り返して回転しています 来年機関の性能を大きく左右する要素の1つがいかにガス交換をするかです それに大きな影響を及ぼすのがこのバルブを開閉するタイミングです 9期が始まる瞬間に開けたり廃棄が悪瞬間に閉じるというだけではエンジンの性能を 出しきれません バルーンが動く仕組みはカムシャフトについているカムがバルブを押し下げ スプリングで定位置に戻されます バルブには重さがあり急にバンバン開け閉めすることは不可能です カムやバルブステムに大きな負荷がかかるしバウンドもしてしまいます だから瞬間的に開閉するわけではなく クランク角が進むごとに開いていきます また空気にも感性があるためピストンが tdc 8 bdc にくるよりも前にバルブを開けておくというような場面もあり ます
(02:19) エンジンの性能を引き出すためには回転数や深琴に要求される バルブ開閉タイミングは違いますのでそれを見ていきましょう 吸気バルブ吸気バルブはある意味排気バルブよりも重要です排ガスは腐っても燃焼ガス で膨張した後でも圧力があるし温度が高くて音速も上がっているため 排気バルブを抜けるのも早くなります吸気バルブを通過する混合機は基本的にピストン に 引っ張られるだけなのでそう簡単にはいきません 吸気バルブが開くタイミング球技開始時はピストンが tdc に来る前に開けます実は吸気行程の直前の排気工程では排ガスは排気管性や 排気が苦悩を使って シリンダ内を負圧にしてくれていますだからこの負圧を生かして シリンダに 今後機を引っ張り込みます このタイミングでは排気バルーンをその負圧を作るために開いていて この吸排気バルブが同時に開いていることを
(03:23) バルブオーバーラップと呼びます 排気感性や排気脈動に関しては別動画で解説していますのでそちらもぜひ参考にしてみ てください 吸気バルブが閉じるタイミング 先ほどれてきたように空気には重さがあり完成もあります ピストンの加工が作り出す負圧によって混合気がシリンダ内に入ってきピストンが bdc に達するとピストンの加工は終わりますところが勢いよくシリンダに向かって いく混合気には 慣性力が働くため負圧がなくなっても シーンだにどんどん入っていきます だから bdc ぴったりでバルブを閉じてしまうとこの慣性力を生かせないため bdc を過ぎたところでバルブを閉じます ピストンが上昇してきて9機の速度が シリンダに向かう状態からシリンダから出ていく向きに変わる瞬間にバルブを閉じい られればより多くの混合気をシリンダに充てんできます
(04:30) 吸気バルブのオープンとクローズは以上のように行いますここでどういう状況でどう いうタイミングを選べばいいのでしょうか それは回転数や負荷で変わってきます 低回転時理想は遅く明けて早く閉じる エンジンの高出力化にはバルブオーバーラップが大切なものを低回転時に吸気バルブが 早く開きすぎるとバルブオーバーラップによってハ役が吸気ポートに流れていって しまいます ここなると流入空気が減るし排気と混合気が混ざってしまってもったいないです アイドリングが不安定になる原因にもなります だからそうならないために少し遅めに開くのがいいです 馬た低回転の場合は9期関西も小さいので リストン上昇に伴って今後 気がシリンダから逆流しやすくなっていますだから バルブを閉じるのが遅いとピストンの上昇によってシリンダの外に戻っていってしまい ます 公開展示理想を早く開けて遅く閉じる エンジンの回転数が上がると今後沖の流速が鳴り
(05:38) 慣性力も大きくなります だから吸気バルブは早めに開けてバルブオーバーラップを大きく取り 早期がスムーズに働くようにした方がいいです また閉じるときも同様に9期関西が強く効いているので 細めにした方がパワーを引き出せます 高回転高出力エンジンの場合より効率の良いガス交換を行うためバルブリフト量大きく 取ります バルブの動きにも加速度の限界があるため大きいバルブリフト量を確保しようと すると早めにバルブを開いて遅く閉じる必要があるため自動的にバルブオーバーラップ が大きくなってしまう側面もあるようです 排気バルブ低回転時理想は遅く明けて早く閉じる あまり早く排気バルブを開けるとまだ圧力は残っている排ガスを捨ててしまうことに なるので遅めに開くことにより十分に膨張させてエネルギーを搾り取ります バル某バーラットが大きいと安定が悪くなるので早めに閉じます 公開展示理想は早く開けて遅く閉じる
(06:46) バルブを早く開けないと高圧の排気ガスが排気工程中に抜けきれないので燃焼ガスの エネルギーを捨てるのを覚悟で早めにバルブを開けます またバルブオーバーラップの効果を生かすため閉じるのも遅くします 公開展示と低回転時で理想的なバルブタイミングが違う 以上のように公開展示と低回転時でベストなバルブタイミングは違います 実際にはさらに同一回転数での負荷の違いや egr のかなみ さらにはバルブリフト量などの違いもあって何回です 簡易的ですが図示するとこんな感じになります 横軸がプラン9画ピストンの位置で縦軸がバルブの開き具合を示していますざっくり 書いただけなので グラフの長さなどは適当ですが公開展示と低回転時の雰囲気の違いがわかると思います 同じん人で高回転と低回転の性能を両立しようとするとこのように矛盾が生じてしまう わけです
(07:53) バルブタイミングを可変にしたい 高回転でより多くのピークパワーを出したい時と低回転でもトルクフルに安定して 走れるようにするのでは求められる バルブ開閉タイミングが違います 高回転と低回転でそれぞれバルブの開閉タイミングを変えれば ok なのですがそう簡単には行けません カムやカムシャフトは金属の塊なので状況によって形を変えられるほど器用な代物では ありません カムは形状によってバルブリフト量やタイミングを決定しそれを カムプロファイルと呼びます このカムプロファイルは遺伝子のようなものなのでふつうは一生変わりません カムプロファイルはそう簡単に変わらないのですがそれでもバルブタイミングを可変に する方法はいくつかあります一番メジャーな方法をご紹介します が変バルタイの仕組み可変バルタイの例として 油圧で米を動かしてカムシャフトのいすを動かすタイプを見ていきましょう
(08:59) カムシャフトの動きはクランクシャフトとシンクロしています 位相変化形の可変バルブタイミングはカムの形状は変えられないけど カムシャフトとそれにつながっているカムの位相をずらして全体的なタイミングを ずらそうという作戦です ピストンやクランクを固定した場合を見てみます カムの総体的な位置をこんな風に動かします ピストンからバルブまでを模式的に表すとこうなります ピストンコンロッドクランククランクシャフトクランクシャフトスプロケットカム チェーンカムスプロケット カムシャフトカムバルブ これらは高回転時に動きが追随しなくなったり 破断しない限りシンクとします 位相変化形ではこのカムスプロケットと カムシャフトの間にか同機構を組み込み この2社の角度を変えてバルブタイミングを変更することができますか6の角度を 進めるのを神格 遅くするの近くと言います理想とは違いますが一応バルブタイミング が変わっています
(10:06) 構造 それではどんな構造をしているのでしょうか カムチェーンが引っかかるスプロケットと一体になったハウジング これが基準となりますその中にローターとそれと一緒に動く 便が入っておりこれがカムシャフトにつながっています ローターは回転方向に何度か回転することが可能で 子の回転によってカムスプロケットとカムシャフトの移送を任意に変えることができ ます それではどのように機能するのでしょうか この方式はベントハウジングが作る部屋にエンジンオイルを出し入れすることによって ローターを動かします 外側のハウジングはスプロケットと一体なので矢印の部分に油圧をかければ ローターはこのように時計回りにもあります逆にこちらも部屋に油圧をかければ 反時計回りに回転します このスプロケットが写真で見て時計回りに回転するものであった場合前者は神格となり 後者は近くとなります
(11:14) トヨタの vvti などではこのポジションを任意の中間地点に持って行くことが できます これで一応タイミングは皿せますでもこれだと例えば 吸気バルブを開けるのを早めようとした場合自動的に吸気バルブを閉じるのも早くなっ てしまいます だから可変バルタイとはいえある程度妥協しながらの設定となってしまいます この種の可変バルタイは吸気と排気の両方に装備できますが9基のタイミングを可変に した方が影響が大きいので古いエンジンは9基だけに採用されていることが多いです また sohc にこれを取り付けると吸気と 排気の両方が同じ方向に良いそうがずれるためえっ効果が小さくなってしまいます ここで代表的な位相変化方可変バルブタイミングの設定例を見てみましょう アイドル低回転実弟付過給器を知覚して廃棄を神格バルブオーバーラップを減らして 安定させる 低回転高負荷トルクが必要なためピストンによる混合機押し戻しを防ぐために吸気を 神格する
(12:20) 仲介展示中付過給器を神格して廃棄を近く これによってバルブオーバーラップを最大限に生かす でも本当は遅くしたい吸気バルブ閉じタイミングが早くなることによる9期関西の効率 低下は妥協 早めに排ガスを抜きたいけどこれも妥協になっていると思います ついでに egr を勝つ 要することによってポンピングロスを減らし燃費の向上と排ガスの有害な成分を低減さ せています 高回転高出力吸気を近くこれは意外かもしれませんが高回転になると吸気は企画した方 がいいみたいです バルブオーバーラップの早期の力よりも9期関西の効果の方が大きいためバルブ オーバーラップは諦めて9期関西で混合気を重点しようという考えみたいですね 簡単に説明するとこのような感じになります このタイプはばルームの移送を連続可変できる上に 構造がシンプルな判明カムプロファイル自体は変えられないため カムの作用角 開きと閉じの総体的な関係とバルブのリフト量は固定です
(13:27) この方式はが変ばルーターの中では最もメジャーな方法で名前こそ違うものもいろんな メーカーで採用されています 位相辺が方のバリエーション 先ほど説明した岩津方式はエンジンを売りの油圧を使うのでエンジンを始動して 岩津が上がらないと機能しません その問題を解決するために高級車には電動のタイプも採用されていてこれなら 油圧に関係なく可変バルタイを動かすことができます そうすることによって低温時の始動性を向上させたり egr によって燃料の気化を促進させ 炭化水素の排出量を減らしたりで ているようです さらに頻繁にエンジンの始動と停止を繰り返すハイブリッド車には でコンプ機能としても活用できるようです 新しいものとして油圧方式でも中間ロック機構を備えたものがあります 従来の油圧オンリーの方式では一番近くのポジションでエンジンを始動するしかなく あまりに大きく近くを取れるようにローターの可動範囲を設定してしまうとその
(14:37) ポジションでスターターを回すことになって 指導が困難になってしまいます そこでエンジン停止時に指導に適切なポジションでローターをロックすることによって 始動性を損なうことなく大きな可変範囲を実現しています エンジン始動後は始動時よりもさらに近くでも 神格でもエンジンを運転することができます その大きな変化を何に使うのかというとアトキンソンサイクルを利用できるようにして います 普通は圧縮比と膨張比は同じなのですが吸気バルブのと塩大幅に遅らせることによって 一時的に混合気が圧縮されない状況を作り 包丁に使うストロークの方が長くなるようにして燃費を良くします うp 主のヤリス州のガソリン mt にもこのタイプの vvt iw がついてい て普通に乗っても燃費が20km パーリットルを超えているのでこの経済性は可変 バルタイ様様だと思います エンジンブレーキが極端に弱いのもこれが影響しているのかもしれない
(15:43) 一昔前はピークパワーを重視した上で低回転トルクを出すために装備されていた可変 バルブタイミングですがいつのまにか 低燃費のギミックになっていました ということで今回もご視聴ありがとうございました 今後もいろんな動画を投稿していきますのでぜひチャンネル登録をよろしくお願いし ます それでは次回もお楽しみにバイバイ
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