ニューマチックバルブスプリング

 2002年にMOTO-GPが始まり、アプリリアがニューマチックバルブスプリング(PVS)エンジンのマシンを走らせたが、競争力は低くPVSが注目されることはなかった。そして、2006年にスズキがV型4気筒エンジンにPVSを採用、MOTO-GPの排気量が800cc以下となった2007年にはカワサキもPVSエンジンをシーズンを通して使用、シーズン終盤にはヤマハもPVSエンジンを特定のレースで使用、PVSが注目を集めることになった。

 下に長い文があるが、結論は次のとおり。

●バルブの動きは基本的に電車が発車して停止し元の位置に戻るのと同じ動き。

●ニューマチックバルブスプリングの金属スプリングに対するメリットは、次の3つの理由により高回転化・高バルブリフト化が可能であること。
 ○金属バルブスプリングが存在しないこと等により往復運動部分の質量が小さい。
 ○ガス圧を高めることにより小さなスペースで大きな反力が得られる。
 ○バルブサージングをあまり考慮する必要がない。

●往復運動部分の質量が小さいため、同回転数、同カムプロファイルであれば、バルブスプリングエンジンより摩擦損失が小さくなる。

●デスモドロミックエンジンは、低回転ではバルブ駆動系の摩擦損失(フリクションロス)がバルブスプリングエンジンより小さいが、高回転では、むしろバルブスプリングエンジンより摩擦損失が大きくなると考えられる。

 ご興味があれば以下を読まれたい。

1 通常のバルブ作動系

 まず、通常のコイルスプリングを使用するバルブ作動系を見てみる。「カムでバルブを開け、バルブスプリングで戻す」といわれているが、そんなに単純なものではない。

 一般にバルブの位置、速度、加速度の関係は図のようなものである(「自動車用ガソリンエンジン設計の要諦」(石川義和、山海堂2002)から引用)。言うまでもなく、位置を時間で微分したのが速度で、速度を微分したのが加速度である。図中の「スプリング反力」はスプリング反力による加速度である。

 なぜ、このような関係かは、「電車が発進し駅から離れ停止しまた駅に戻る」ことを想定してみれば分る。例えばカムが最大リフト時は、バルブの速度がゼロになっている。電車でいえば駅から最も離れた位置にいるのは、ブレーキを掛け終わり速度がゼロになり逆方向に発進しようとしている時である。

 電車でブレーキを掛け、さらに逆方向に加速する、つまり負の加速度を生み出すのがバルブスプリングの役割である。図ではスプリング反力による負の加速度がカムの負の加速度より大きい(絶対値)のでバルブはカムから浮かない。

 しかし、バルブスプリング反力による負の加速度がカムの負の加速度より小さければ、カムがバルブを開けている行程ですらバルブがカムから浮いてしまう(バルブジャンプ)。カムの加速度は回転数の2乗に比例するので、必要なスプリング反力も回転数の2乗に比例して大きくなる。

   
 また、スプリングの固有振動数とカムによる入力振動数が整数倍で一致すると共振し、スプリングが激しく伸縮する(バルブサージング)。2段ピッチスプリング等により抑制したとしても動的スプリング反力は変動し、右図のように、単純計算より早くバルブジャンプを起こすようになる(「直動式動弁系の動的解析によるバルブジャンプ予測」(三菱自動車テクニカルレビュー 2007No19)から引用。図中、左側の黒矢印の指示先は黄線の誤り。また、図中の「荷重」は本頁内では「反力」としている)。

2 ニューマチックバルブスプリング

 レーシングエンジンではどの程度の負の加速度が生じているのだろうか。某社の1998年型3リッター10気筒F-1エンジン(PVS)のデータ(「サムライエンジニア」(日高義明、スタジオ タック クリエイティブ2007))から計算する。

 吸気バルブ径39.5mm、吸気バルブリフト13.5mm、吸気バルブの最大負加速度30mm/rad2

 15000rpm時(カムシャフトは7500rpm)の加速度(重力加速度比)は

 30×(2×円周率×7500/60)2/(1000×9.81)=1890G

 17000rpmでは2430Gとなる。

 本エンジンの吸気バルブ1本あたりの慣性質量(コッター、スプリング等を含む)を100gとすれば、バルブを2430Gで動かすためには、

 2430×100/1000=243kgf

の力が必要である。本エンジンの最大リフト時のスプリング反力は250kgf程度ということだが、この反力は、コイルスプリングでは達成困難な数字である。

参考

1 コイルスプリングの反力

 2004年型ホンダCBR1000R(国内仕様)の最大リフト時のバルブスプリング反力は51.6kgf(吸気バルブ径29mm)である。また、ホンダS2000は2000cc4気筒で最高出力時回転数が8300rpmと二輪車並に高い(1000cc4気筒に換算すると8300×(2000/1000)(1/3)=10500rpm)が、最大リフト時のスプリング反力は82.5kgfである(吸気バルブ径36mm)。

2 ニューマチックバルブスプリングの反力

 前述の1998年型3リッター10気筒F-1エンジンのチェックバルブ開弁圧力は約1.8MPa、リリーフバルブの開弁圧力3.8MPaで、セット時反力は約123kgf、最大リフト時反力は約250kgfだった。

 なお、ライディングスポーツ誌2009-3号では2008年型カワサキZX-RRのニューマチックバルブスプリングについて「3バールから4バールの圧力がかけられているものと推測され〜」とある。仮に下図のピストン径を2.6cmとすると、4バール時のピストン反力は21kgf程度と一般市販車並にしかならない。MPaをバールと間違えたのだろうか。

   

 PVSの構造は右図(http://www.pureluckdesign.com/ferrari/f1engine/から引用)のようになっている。図中のピストンの下側が高圧空気(または高圧窒素)で満たされており、これがスプリングの役割を果たす。各部の剛性・強度が保たれる限り、空気(又は窒素)の圧力を高めることにより必要な反力を得ることができる。

 このようにPVSの第一のメリットは、

(1)少ないスペースでコイルスプリングより大きな反力が得られる。

ことにある。そして、

(2)バルブ周りをコンパクトにすることができ、コイルスプリングも不要になる。往復部分質量が小さくなり、必要スプリング反力も小さくなる。

(3)スプリングの共振をあまり考慮する必要がない。回転数が同じならコイルスプリングより必要スプリング反力が小さくなる。

 この結果、(1))〜(3)のメリットにより、バルブ加速度大の方向である

・高回転
・大バルブリフト
・大バルブリフト増加率(バルブリフト/回転角)

に大きな効果がある。また、(2)、(3)により、バルブ加速度が同じであったとしても、摩擦損失(フリクションロス)の低減に大きな効果があるが、摩擦損失全体に占めるバルブ作動系の比率は小さい(備考参照)。

 一方で、コイルスプリングとは圧縮特性が異なり、指数関数で圧力が増加することに留意が必要である。右図でコイルスプリングの特性は黒線、PVSの特性は赤線である。最大リフト時のスプリング反力はPVSがコイルスプリングを20%程度上回っているが、中間リフトでは同等以下になってしまっている。中間リフトでもバルブジャンプを起こす可能性は十分あり、PVSで中間リフト時に合わせてスプリング反力を設定すると、最大リフト時のスプリング反力は無駄に大きくなってしまうので、上記(2)、(3)のメリットもある程度は相殺される。

 また、PVSでは回転数が下がった時に空気圧(または窒素圧)を低下させ、カム駆動の摩擦損失を低減できることもメリットといわれており、この技術に関する特許出願も行われている。ただ、このようにすると空気(または窒素)の流出量が増加するので、小さな蓄圧タンクだけで1レースを持たすことは難しいように思う。

 2006年型のヤマハYZR-M1の最高回転数を17000rpmとするなら、上記F-1エンジンと同程度だが、気筒あたり排気量がF-1エンジンの300ccに対して247ccと小さいので吸気バルブ径・質量も小さく、必要バルブスプリング反力は小さい。ただ、2005年型YZR-M1は

 2004年型(後期型)と比べ吸気バルブ径を大きくしたにもかかわらず、吸気バルブリフトを小さく(加速度小の方向)せざるを得なかった(自動車技術会2006春季学術講演会(2006.5))

ことから分るように、すでにコイルスプリングの限界を超えていた。  

 そして、MOTO-GPが990cc時代だった2006年以前はスロットルを全開にすることは少なかったが、800ccとなりスロットル全開時間が長くなることにより、PVSのメリットが浮き彫りにされることになったのである。

備考

 右図はヤマハが公開した資料で、左が2007年型YZR-M1、右が2008年型YZR-M1の最高出力時摩擦損失の内訳を示しており、

バルブ作動系の摩擦損失が摩擦損失全体に占める比率は1/15程度

である。「レーシングマシンの燃費」で試算したように、2007年型YZR-M1の最高出力時摩擦損失を5.8kgf・mとすると、バルブ作動系の摩擦損失による出力損失は、最高出力発生回転数を17000rpmとして、

5.8×17000/(15×716.2)=9.2PS

程度である。これが少々変化したところで、出力の点では高バルブリフト化等ほどのメリットではない。

3 デスモドロミックバルブ作動系

 ドゥカティが使用しているデスモドロミックバルブ作動系(強制開閉バルブ)の概略構造は右図(http://diem1.ing.unibo.it/mechmach/rivola/pub38.pdf から引用)のとおり、通常のカムとは別のカム(図中Conjugate camの奥側のカム)でバルブに負の加速度を与えている。 そして

 「通常のバルブスプリング使用エンジンではカムを手で回すことができないが、デスモドロミックエンジンではカムを手で回すことができる。デスモドロミックはフリクションロスがほんどない」

 
といわれているが、この考え方は間違っている。

 通常のコイルスプリング使用エンジン(以下「バルブスプリングエンジン」)でカムを回すことができない理由のほとんどは摩擦損失(フリクションロス)ではなく、カムを回すとバルブスプリングを圧縮するからである。バルブスプリングを圧縮して溜められたエネルギーはバルブスプリングが伸びることで回収される。カムを回す時の手応えの差が摩擦損失の差ではない。

 もちろん、バルブがカムに強く押し付けられれば摩擦損失が増大するが、デスモドロミックでもカムが(ロッカーアーム/スイングアームを介して)バルブを加速すれば、バルブがカムに押し付けられる

 
そこで、バルブがカムシャフトに押し付けられる力とその時間の積(FD)が回転数によってどう変わるか見てみる。
 デスモドロミックエンジンではスイングアーム/ロッカーアームを使用しており、バルブスプリングエンジンではスイングアームを使用しない直動式もあるが、以下、その差は無視している。

   
 バルブスプリングエンジンでは、右上図の

1 + 2 + 4 + 5 + 6 + 7 

の部分の面積がFDになる。3が関係ないのは、スプリング反力の方向と同じ方向の加速度でカムが動くからである。そして、回転数が低下すれば3が減少し6が増大し、回転数が上昇すれば3が増大し6が減少する。

 もちろん、回転数の変化に伴い1、2、4、5も変化するが、FDだけでなくカム半径も考慮する必要があり、1、2、4、5より3の方がカム半径が大きく、この領域で3が増大することによりバルブがカムに押し付けられる力が減少すると、全体として摩擦損失が減少する。

 右下図は某社2リッター直列4気筒エンジンの摩擦損失が回転数によってどのように変化するかを示したものである(「自動車用ガソリンエンジン設計の要諦」(石川義和、山海堂2002)から引用)が、回転数上昇に伴い「動弁&潤滑」の摩擦損失があまり変化せず、むしろ減少しているのはこの理由による。(「潤滑」は回転数の上昇に伴い摩擦損失が増大するはずである)。

 なお、低回転で「動弁+潤滑」の摩擦損失が大きく増加しているのは、動弁系への潤滑油の供給が不十分になるからである。

 一方、デスモドロミックエンジンで、以下バルブスプリングが全くない状態(デスモドロミックであっても弱いバルブスプリングはある)を想定すると、FDは右上図で、

1 + 2 + 3 + 4 + 5

となる。図上では、バルブスプリングエンジンもデスモドロミックエンジンもFDに大差はない。しかし、回転数の増加に伴い1、2、3、4、5が増加する。特にカム半径が大きい3が増大することが問題になる。つまりデスモドロミックエンジンではバルブスプリングエンジンと異なり、回転数上昇に伴い動弁系の摩擦損失が増大する

 

 さて、右及び右下の2図はドゥカティ・MOTO-GPレーサーエンジンのバルブ加速度である。青線が実測値、赤線がシミュレーション結果で、縦軸の加速度は回転数が変わっても同程度になるよう補正されているので目安と理解されたい(http://diem1.ing.unibo.it/mechmach/rivola/
pub38.pdf から引用)。

 右図は比較的低回転時だが、加速度が細かく変動している。
 なお、加速度が変動するのはバルブ作動系が完全な剛体ではないためである。特にデスモドロミックエンジンでは、ロッカーアームの数が多い上に、閉ロッカーアーム(3つ上の図では「Negativi rocker」)が長いため、 バルブスプリングエンジンよりバルブ作動系の剛性が低くなるのが欠点である。

 そして高回転になると、右図のように本来、バルブが動かないはずの回転角であっても最大加速度の1割程度の加速度が生 じている。バルブスプリングエンジンでは、バルブ加速度の正負の一方はバルブがカムから浮く方向であるが、デスモドロミックエンジンでは、加速度の正負の両方でバルブが開・閉カムに押し付けられる

 なお、縦軸は補正されているので、上図と最大加速度が同じように見えるが、仮に下図の回転数が上図の2倍とするなら、上図と対比すべき振幅は右図の4倍になる。

 このように見ていくと、最高出力発生回転域では、デスモドロミックエンジンのバルブ作動系摩擦損失はバルブスプリングエンジンより大きいとしか思えないのである。

補足1

 MotoGP Technology Second edition (by Neil Spalding, Haynes2010)162頁に次の記述があり、ドゥカティも、デスモドロミックエンジンは高回転ではなく特に低中回転でのパワーロスが少ないとしている。
Filipo Preziosi, Director of Ducati Corse, commented on the advantages of the Desmo system used on his Desmosedici: 'There is a big difference with the Desmo system. It has less power requirements to move the valve, especially at low and intermediate revs. For sure, if you are not spending fuel to move the valves you can use the fuel to move the pistons. There is huge difference. Not at very high revs but at low and medium rpm.

 なお、この文の後に著者が次のようにも書いている。
Normal theory suggests the springs 'return' the energy as the valve goes back to its seat. While the energy may be returned, there is no doubt that compressing and releasing the springs will cause small fluctuations in crank speed as the crank drives the camshafts. The Ducati, therefore, not only has -smoothing benefits of being a 90°V4 but also an absence of valve spring loading and unloading.

 著者はデスモドロミックエンジンはバルブスプリングによる荷重変化(増加と減少)がないため、クランクシャフトの回転速度の変動が少ないとしている。デスモドロミックバルブ作動系であっても、バルブが上下に動く以上、加速度が働いており、作用反作用の法則によりカムシャフトに大きな力が加わることを理解していないように思える。理解しているなら、「低中回転限定」であることを書くはずである。

補足2

  「レーシングエンジン徹底研究」(林義正、1991グランプリ出版)に、デスモドロミックバルブ作動系について、次の記述がある。著名な技術者であっても間違えることはある。

 「第2の利点は、カム軸の回転変動がきわめて小さくなることだ。通常はバルブスプリングの強い反力を抑え込みながらカム面がバルブリフターをこじり下げるわけで、その抵抗によりカム軸は回転変動を起こしている。カム軸の回転角度で1度くらいの作動タイミングのずれは避けられないのが現状だ。デスモドロミック方式は、これが限りなくゼロに近くなる。」

 「第3の利点は、フリクションが大幅に減少することである。普通、シリンダーヘッドを組み上げた状態では、カム軸を回すのにかなりの力がいる。〜バルブスプリングの反力による抵抗が原因でそれがエンジンのパワーロスにもなる。デスモドロミック方式では、ヘッドを 組み上げた状態で、指先で簡単にカム軸を回せるのだ。かなりフリクションを小さくできるはずで、多気筒になるほど、高回転になるほど、このメリットは大きい。」

 「レーシングエンジンにデスモドロミック機構が採用されるのは時間の問題であると私は考えている。」

  MENU