バルブタイミング

バルブタイミング (valve timing) とは、レシプロエンジンの吸入きゅうにゅう、排気はいきを行おこなうためのバルブの開閉かいへい時期じきを表あらわす言葉ことばである。

ほとんどのエンジンでは、バルブタイミングはクランクシャフトの角度かくどおよびピストンのシリンダー内うちでの位置いちに関連付かんれんづけられ、決定けっていされている。そのため、ピストンの上うえ死し点てんおよび下した死し点てんが開閉かいへいタイミングの一ひとつの基準きじゅんとなる。

この項目こうもくでは4ストロークエンジンにおけるバルブタイミングのほか、2ストロークエンジンにおけるポートタイミング (port timing) も併あわせて記述きじゅつする。

概要がいよう

直進ちょくしん運動うんどうを回転かいてん運動うんどうに変換へんかんするレシプロエンジンでは、混合こんごう気き（直ちょく噴の場合ばあいには空気くうき）を取とり込こみ、圧縮あっしゅくし、燃焼ねんしょうさせ、排気はいきするという過程かていを繰くり返かえす。このとき、燃焼ねんしょう室しつ内うちと外界がいかいを隔へだてるための機構きこうがバルブである。一般いっぱん的てきな4ストロークエンジンと、ほとんどのユニフロー掃気ディーゼルエンジンの排気はいきバルブにはポペットバルブが用もちいられている。

吸入きゅうにゅう時じには吸入きゅうにゅうするためのバルブを開ひらく
圧縮あっしゅく、燃焼ねんしょう時じには気密きみつするため、すべてのバルブを閉とじる
排気はいき時じには排気はいきするためのバルブを開ひらく

上記じょうきがバルブの主おもな役目やくめである。一般いっぱん的てきな4ストロークエンジンの場合ばあい、クランクシャフトの1/2の回転かいてん数すうにて回転かいてんするカムシャフトが存在そんざいし、バルブはこのカムによって駆動くどうされる。

吸入きゅうにゅう効率こうりつ・排気はいき効率こうりつを高たかめ、混合こんごう気きの燃焼ねんしょうをスムーズに行おこなわせるためには、バルブタイミングを回転かいてん数すうや負荷ふかに応おうじて変かえる必要ひつようがあり、これを実現じつげんしたのが可変かへんバルブ機構きこうである。この機構きこうには、バルブタイミングを段階だんかい的てきに変かえるもの、連続れんぞく的てきに変かえるもの、さらにはバルブのリフト量りょうを段階だんかい的てきに変かえるもの、連続れんぞく的てきに変かえるもの、以上いじょうの複数ふくすうを組くみ合あわせたものなど、さまざまなバリエーションが提案ていあんされている。

4ストロークエンジンのバルブタイミング

4ストロークエンジンのバルブタイミング図ず
赤あか – 排気はいきバルブ開ひらき弁べん
青あお – 吸気きゅうきバルブ開ひらき弁べん
黒くろ – バルブオーバーラップ
をそれぞれ示しめしている

4ストロークエンジンは1回かいのサイクルをクランクシャフトが2回転かいてん（720°）する間あいだに行おこなう。そのため、バルブタイミング図ずはIOからスタートして2回転かいてんするように読よみ取とる必要ひつようがあり、読よみ手てにはやや複雑ふくざつな解釈かいしゃくが求もとめられる。

4つのバルブタイミングパラメータ

IO (Intake Valve Open) — 吸気きゅうきバルブ開放かいほう — このタイミングからシリンダー内ないに混合こんごう気きが吸入きゅうにゅうされ始はじめ、吸入きゅうにゅう行程こうていがスタートする。上うえ死し点てんの少すこし手前てまえ（BTDC）から開ひらくことで、排気はいきバルブと同時どうじに開ひらいているオーバーラップの時間じかんを作つくり出だし、吸気きゅうき効率こうりつを高たかめる効果こうかを発揮はっきする。
IC (Intake Valve Close) — 吸気きゅうきバルブ閉鎖へいさ — このタイミングで吸入きゅうにゅう行程こうていが終了しゅうりょうする。このICを経へて1回転かいてん目めの上うえ死し点てん（圧縮あっしゅく上じょう死し点てん）に到達とうたつするまでの区間くかんは圧縮あっしゅく行程こうていとなる。下した死し点てんを過すぎた位置いち（ABDC）までバルブを開あけているのは、吸気きゅうき自体じたいの慣性かんせい力りょくを用もちいて更さらに充填じゅうてん効率こうりつを高たかめるためである。
点火てんかから膨張ぼうちょう行程こうていへ — ICから1回転かいてん目めの上うえ死し点てん（圧縮あっしゅく上じょう死し点てん）に到達とうたつする直前ちょくぜん（BTDC）で点火てんかプラグによる点火てんかが行おこなわれ、次つぎのEOまでの区間くかんは膨張ぼうちょう行程こうていとなる。
EO (Exhaust Valve Open) — 排気はいきバルブ開放かいほう — 膨張ぼうちょう行程こうていの中途ちゅうとにあるこのタイミングから排気はいきバルブが開ひらき、排気はいき行程こうていがスタートする。実際じっさいには下した死し点てんの少すこし手前てまえ（BBDC）から開ひらき始はじめ、膨張ぼうちょうの圧力あつりょくを利用りようして排気はいきガスを強制きょうせい的てきに排出はいしゅつさせる効果こうかを利用りようする。
EC (Exhaust Valve Close) — 排気はいきバルブ閉鎖へいさ — このタイミングで排気はいきバルブが閉とじて排気はいき行程こうていが終了しゅうりょうする。実際じっさいには上うえ死し点てん（排気はいき上じょう死し点てん）の少すこし後ご（ATDC）で閉とじる上うえに、吸気きゅうきバルブの開放かいほう（IO）が排気はいき上じょう死し点てんの少すこし手前てまえ（BTDC）から始はじまるため、排気はいき行程こうていと吸気きゅうき行程こうていが同時どうじに行おこなわれる区間くかんが存在そんざいする事ことになる。これが後述こうじゅつのオーバーラップである。

バルブタイミング例れい

エンジン種別しゅべつ	吸気きゅうき開ひらけ(IO)	吸気きゅうき閉(IC)	排気はいき開ひらけ(EO)	排気はいき閉(EC)
自然しぜん吸気きゅうきガソリンエンジン	0–30° BTDC	30–50° ABDC	3–60° BBDC	10–30° ATDC
ターボ・ディーゼルエンジン	50–80° BTDC	30–50° ABDC	30–60° BBDC	40–85° ATDC

バルブオーバーラップ

詳くわしくはバルブオーバーラップを参照さんしょう。

シリンダーが排気はいき行程こうていから吸気きゅうき行程こうていに移行いこうする際さいに、排気はいきバルブ閉鎖へいさの前まえに吸気きゅうきバルブ開放かいほうが始はじまることで、吸排気はいきバルブが同時どうじに開ひらき混合こんごう気きの流入りゅうにゅうと排気はいきガスの流出りゅうしゅつが同時どうじに起おきる区間くかんが発生はっせいする。これがバルブオーバーラップと呼よばれるものである。排気はいきガスが排気はいきポートに排出はいしゅつされる際さいの負ふ圧あつ（排気はいきパルス）の力ちからを利用りようして、混合こんごう気きをシリンダー内ないに引ひっ張ぱり込こんで充填じゅうてん効率こうりつを増ますために、このような区間くかんが設もうけられている。

一般いっぱん的てきに排気はいきガスの力ちからで過か給きゅう機きを回転かいてんさせて強制きょうせい的てきに混合こんごう気きをシリンダー内ないに押おし込こむエンジンでは、過か給きゅう圧あつで混合こんごう気きが排気はいきポートへ押おし出だされてしまわないように、バルブオーバーラップはやや短みじかめになっている。逆ぎゃくに過か給きゅう機きの圧力あつりょくを利用りよう出来できない自然しぜん吸気きゅうきエンジンでは、排気はいきパルスの力ちからを最大限さいだいげん利用りようするため、バルブオーバーラップは大おおきめに取とられることが多おおい。

作用さよう角かく・リフト量りょうの大おおきいハイカムを使用しようする事ことで高こう回転かいてんでも吸気きゅうき量りょうを確保かくほする事ことで高こう出力しゅつりょくを得えられる。しかし作用さよう角かく。リフト量りょうが大おおきくなることで結果けっか的てきにバルブオーバーラップ領域りょういきも拡大かくだいされるため、アイドリングや始動しどう、発進はっしんが困難こんなん、軽けい負荷ふか時じの燃焼ねんしょうが不安定ふあんていになるなどのデメリットも発生はっせいする。

2ストロークエンジンのポートタイミング

排気はいきデバイスを持もたない2ストロークエンジンのポートタイミング図ず
赤あか – 排気はいきポート開放かいほう
青あお – 吸気きゅうきポート開放かいほう
黒くろ – 掃気ポート開放かいほう及および掃気区間くかん
をそれぞれ示しめしている

2ストロークエンジンはクランクシャフトが1回転かいてん（360°）する間あいだに1回かいのサイクルが完了かんりょうする為ため、ポートタイミング図ずも4ストロークのように2回転かいてん追おいかける必要ひつようはなく、単純たんじゅんに1回転かいてんで読よみ取とればよい。

なお2ストロークエンジンでは、ピストンの上下じょうげによってシリンダー内壁ないへきに設もうけられた掃気・排気はいきポートが開閉かいへいされる構造こうぞう上じょう、ポートタイミング図ずでは上うえ死し点てんと下した死し点てんを結むすんだ中心ちゅうしん線せんに沿そって、開閉かいへいタイミングが必かならず左右さゆう対称たいしょうとなって図示ずしされることが特徴とくちょうとして挙あげられる。また、掃気によってシリンダー内ないの排気はいきガスと混合こんごう気きの入いれ替かえが行おこなわれる関係かんけい上じょう、4ストロークのバルブオーバーラップに相当そうとうする掃気区間くかんが非常ひじょうに大おおきい事ことも特徴とくちょうである。

排気はいきデバイスが装備そうびされたエンジンの場合ばあいは、排気はいきポートのポートタイミングが回転かいてん域いきに応おうじて変化へんかする。また、一部いちぶのエンジンでは特殊とくしゅな掃気ポート形状けいじょうにより、掃気ポートタイミングを左右さゆう非対称ひたいしょうとしたものやイソ・イセッタのように掃気ポートのみのシリンダーを有ゆうした単たん気筒きとうダブルピストンなども存在そんざいする。

6つのポートタイミングパラメータ

IO (Intake Port Open) — 吸気きゅうきポート開放かいほう — このタイミングからクランクケース内ないに混合こんごう気きが吸入きゅうにゅうされ始はじめる。シリンダー内ないはこの時とき上昇じょうしょう行程こうてい（圧縮あっしゅく行程こうてい）を経へて点火てんかが行おこなわれている。
IC (Intake Port Close) — 吸気きゅうきポート閉鎖へいさ — このタイミングでクランクケース内ないへの混合こんごう気き吸入きゅうにゅうが終了しゅうりょうする。シリンダー内ないは点火てんかを経へて下降かこう行程こうてい（膨張ぼうちょう行程こうてい）が始はじまっており、ピストンの下降かこうに併あわせてクランクケース内ないの混合こんごう気きの一いち次じ圧縮あっしゅくが行おこなわれる。
EO (Exhaust Port Open) — 排気はいきポート開放かいほう — 下降かこう（膨張ぼうちょう）行程こうていの中途ちゅうとにあるこのタイミングから排気はいきポートが開ひらき、シリンダー内ないの排気はいきがスタートする。実際じっさいには下した死し点てんの手前てまえ（BBDC）から開ひらき始はじめ、膨張ぼうちょうの圧力あつりょくを利用りようして排気はいきガスを強制きょうせい的てきに排出はいしゅつさせる効果こうかを利用りようする。
SO (Scavenging Port Open) — 掃気ポート開放かいほう — 排気はいきポートの開放かいほうから少すこし遅おくれて掃気ポートが開放かいほうされ、掃気区間くかんが始はじまる。掃気ポートも下した死し点てんの手前てまえ（BBDC）から開ひらき始はじめ、クランクケース一いち次じ圧縮あっしゅくの圧力あつりょくを利用りようして混合こんごう気きをシリンダー内ないに押おし込こみつつ、排気はいきガスの追おい出だしも同時どうじに行おこなう。
SC (Scavenging Port Close) — 掃気ポート閉鎖へいさ — このタイミングで掃気ポートからの混合こんごう気き吸入きゅうにゅうが停止ていしする。下した死し点てんの少すこし後ご（ABDC）に閉鎖へいさされ、ピストンは既すでに上昇じょうしょう行程こうていに転てんじているため、クランクケース側がわに若干じゃっかんの吹ふき戻もどしが発生はっせいする。この時ときクランクケースからキャブレター側がわに混合こんごう気きが逆流ぎゃくりゅうしないように、吸気きゅうきポートにはリードバルブやロータリーディスクバルブが設もうけられることが一般いっぱん的てきである。
EC (Exhaust Port Close) — 排気はいきポート閉鎖へいさ — このタイミングで排気はいきポートが閉とじてシリンダー内ないの排気はいきが終了しゅうりょうする。実際じっさいには下した死し点てん（排気はいき上じょう死し点てん）の少すこし後ご（ABDC）で閉とじるため、シリンダー内ないの混合こんごう気きが若干じゃっかんエキゾーストチャンバー内うちに流出りゅうしゅつしてしまう。しかしこの時とき、先さきにエキゾーストチャンバーに排出はいしゅつされた排気はいきガスがチャンバー内部ないぶで応力おうりょく波はとなって排気はいきポートまで戻もどってくるため、適切てきせつな排気はいきポートタイミングとチャンバー容量ようりょう選択せんたくが行おこなわれたエンジンであれば、応力おうりょく波はによって流出りゅうしゅつした混合こんごう気きは再ふたたびシリンダー内ないに押おし戻もどされ、充填じゅうてん効率こうりつが増ます。これはエンジンの回転かいてん数すうによって効果こうかが変化へんかするため、最大さいだいの充填じゅうてん効率こうりつが達成たっせいされる回転かいてん域いきを俗ぞくにパワーバンドと呼よび、この回転かいてん域いきに入はいることをパイプインするともいう。

ポートタイミング例れい

エンジン種別しゅべつ	吸気きゅうき開ひらけ(IO)	吸気きゅうき閉(IC)	排気はいき開ひらけ(EO)	掃気開ひらけ(SO)	掃気閉(SC)	排気はいき閉(EC)
対称たいしょう掃気ポート	55–70° BTDC	55–70° ATDC	30–50° BBDC	20–35° BBDC	20–35° ABDC	30–50° ABDC
非対称ひたいしょう掃気ポート	55–70° BTDC	55–70° ATDC	30–50° BBDC	EO後ごのBBDC	ECと同時どうじかEC前まえのABDC	30–50° ABDC
排気はいきデバイス有あり	55–70° BTDC	55–70° ATDC	SO前まえのBBDC↓ SOと同時どうじまで可変かへん	20–35° BBDC	20–35° ABDC	SCと同時どうじ↓ SC後ごのABDCまで可変かへん

参考さんこう資料しりょう

Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.

外部がいぶリンク

[1] - 元日がんじつ産さんワークスチームメカニックの藤沢ふじさわ公男きみおが考案こうあんした藤沢ふじさわ式しきバルブタイミング図ず - archive.today（2013年ねん4月がつ27日にちアーカイブ分ぶん）によるバルブタイミングの概要がいよう説明せつめい。上記じょうきの図ずよりもより直感ちょっかん的てきにバルブタイミングが理解りかい可能かのうである。
日本にっぽん財団ざいだん図書館としょかん（電子でんし図書館としょかん）3S級きゅう舶用はくよう機関きかん整備せいび士し指導しどう書しょ - 船舶せんぱく用よう4ストロークエンジンのバルブタイミング図ずと、2ストロークエンジンのポートタイミング図ずが掲載けいさいされている。