ヘリカルカムシャフト

ヘリカルカムシャフトは、機械式可変バルブ機構（VVA）の一種です。より具体的には、バルブリフトが最大になった状態で、バルブの開弁期間を広範囲かつ連続的に無段階に変化させることができるカムシャフトです。

この記事における可変作用角カムシャフトとは、シリンダーヘッド内の従来のカムシャフトを置き換え、従来のフォロワーを介してバルブを操作する 設計のカムシャフトを指します。さらに、以下の用語も定義されています。

  • 持続時間の範囲は段階がなく連続的です。
  • 追加された範囲はすべて、フルバルブリフト時のものです。
  • 範囲は十分に広く、非常に高い回転速度でも最大限のトルクとパワーを発揮します。
  • この範囲は、吸気バルブの遅延閉鎖 (LIVC) によるエンジン負荷制御を可能にするのに十分な広さです。
  • バルブの開閉速度、加速、ジャークなどは、すべての持続時間設定で許容範囲内です。

純粋に機械的な可変持続時間カムシャフトについては長年にわたって多くの主張がありましたが、これらすべての要件を満たすことができたものはなかったため、これらの資格は付与される必要があります。

大規模組織と個人の両方が多大な努力と費用を費やしたにもかかわらず、米国特許1,527,456のようなカムシャフト構造は、これまで大きな改良が加えられることなく、主流の自動車業界では未だに活用されていません。多くのエンジニア（そしてその他多くの人々）は、これほどの努力と長年にわたる失敗の末に、実用的な可変作用角カムシャフトが開発される可能性は極めて低く、実現不可能な「聖杯」として残るだろうと考えていました。

詳細

ヘリカルカムシャフトは、ごく最近クレムソン大学の研究で代表されたように、非常に多くの一般的な共軸シャフト複合プロファイルクラスのカムにかなり遠くから属します (そのカムは、米国特許 1,527,456など、他の多くのカムと原理的に同一です)。

ヘリカルカムシャフトは、ユニークなヘリカル運動（2 つのプロファイルの円周方向と軸方向の運動の組み合わせ）を備えている点で、この一般クラスの他のカムシャフトとは大きく異なります。

カムローブの閉側側面が開側側面に達するまで作用角を延長することができ、その範囲は720度です。典型的な用途では、ヘリカルカムシャフトの作用角は、一般公道走行用エンジンの平均的な作用角（通常のバルブクリアランスで測定した場合約250度）から、それより約100～150度高い範囲まで連続的に変化します。

図1：プロトタイプのヘリカルカムシャフト。カムシャフトは最小作動位置にあります。
図2：スズキGSX250バイクエンジンの吸気口用ヘリカルカムシャフトと、比較のための標準GSXカムシャフト

バルブは、通常の加速、ジャークなどの速度で開きます。その後、通常の速度で閉じられるまで、必要な時間だけ最大リフトで開いたままになります。

メカニズム

ヘリカルカムシャフトは、基本的にローブのノーズ部にある分割線を起点として、開閉フランクを互いに遠ざけるように回転させることによって作用角を変化させます。フランクが離れるにつれて、ノーズ部はカムシャフトの回転中心を中心とする一定半径の領域で「埋められ」ます。ノーズ部の一定半径が増加すると、一定半径のベース円から同じ角度だけ角度が減少することになります。

最大持続位置
最小持続時間位置。この2つの極端な値の間には、無段階に持続時間を設定できます。

図示されたカムシャフトの場合、最小持続時間は元のカムシャフトと同じ約 260° で、最大持続時間は 345° です。

この機構は同軸シャフト配置で、外側のシャフトがカムローブ本体を支えています。カムローブ本体は最大持続時間状態にあります。

通常、メインローブ本体の持続時間は約450°です。ローブは軸方向に約45mm（1.8インチ）と非常に長く、その形状はローブ先端から170°の一定半径で隔てられた従来型の開閉面で構成されています。ローブには、カムシャフトの回転軸に対して約35°の螺旋角を持つ螺旋状のスロットが機械加工されています。

スロットの幅は、ローブの閉じる側面の角度範囲に等しくなります。スロットの一方のエッジは、170 度の一定のノーズ半径を横切ってローブの全長にわたって対角線状に伸びています。もう一方のエッジは、すべてがベース円の高さになるように研磨されています。スロットは、実際にはカム ローブの本体の閉じる側面を置き換えます。スロットを橋渡しするのは、閉じる側面のプロファイルに研磨されたローブのセグメント (厚さ約 10 mm) です。セグメントは内側のシャフトに取り付けられています。スロットの一方のエッジは、ローブのノーズ半径と同じ半径の、一定の円筒形半径を持ちます。もう一方のエッジは、ローブのベース円の半径を持ちます。閉じる側面セグメントの各エッジに沿った小さな領域は、隣接するスロットのエッジと同じ一定の半径を持ちます。

一定のノーズ半径の領域は、黒い背景に白いマスキング テープでマークされています。
一定半径の基本円は赤い背景にマスキング テープで貼られています。

つまり、セグメントはヘリカルスロット上の任意の位置に配置でき、フォロワーは常にセグメントとの間でスムーズな移行を実現します。ローブセグメントは内側のシャフトに固定されているため、軸方向の相対移動はバルブの開弁時間を変化させます。フォロワーは、軸方向に静止しているセグメントと常に一直線になるように配置されています。

カムシャフトをヘッドに取り付けた状態で、最小作動角の位置でカムシャフトを回転させます。ローブセグメントがフォロワーと一直線になっていることに注意してください。黒のフェルトペンで印を付けた部分は、おおよそ一定半径の領域を示しています。
カムシャフトは最大持続位置にあります。セグメントがフォロワーと一直線に並んでいることにご注目ください。

スロットの螺旋角度は約 35° であるため、外側のシャフトの軸方向の動きによってセグメントが回転し、ノーズの一定半径が多少露出して持続時間が変わります。

プロフィール

ヘリカルカムシャフトシステムのベースプロファイル、つまり最短作用角プロファイルは、標準的な量産エンジンのプロファイルとほぼ同じです。ヘリカルカムシャフトのベースプロファイルは、ピボットカムフォロワー、特にロッカー比が2:1程度の比較的高いカムフォロワーで使用されるローブ形状の一般的なグループに属します。

このローブプロファイル群は、主にローブリフトが短いことを特徴としています。そのため、ローブは非常に丸みを帯びた（または「スナブノーズ」）外観をしています。ノーズ領域（カムシャフトの回転軸を中心とした）の曲率半径は、約20度の角度範囲にわたってほぼ一定半径となることがよくあります。ヘリカルカムシャフトでは、この領域が真の一定半径であることが求められます。場合によっては、ノーズからわずか0.25 mm（またはそれ以下）の削り取りで済みます。測定すると、ノーズ領域における加速度とジャーク率は標準よりもわずかに高くなります。

標準的なスズキ カムシャフト ローブ プロファイルとヘリカル カムシャフトのベース持続プロファイルを比較すると、実質的に同一であることがわかります。

ローブノーズは通常、約150°追加することで、持続時間を延長できます。揚力面の形状は変わりません。この持続時間の延長により、最高出力を得るために、レーシングカムほど極端な揚力率と総揚力を設定する必要はありません。

アプリケーション

VVA（特に可変期間）の従来の用途は、エンジン回転数をバルブ開放期間に一致させることです（これは、VTEC が行っていることとほぼ同様です）。基本的な考え方は、低回転数での出力不足やアイドリングの乱れなど、長時間の持続時間を持つレーシングカムに伴う問題を回避して、高回転数でのパフォーマンスを向上させることです。エンジンは通常、回転数が上昇するにつれて、ほぼ直線的に期間を増加させる必要があります。目的は、許容される回転数範囲のあらゆるポイントでトルクを最大化することです。つまり、ヘリカルカムシャフトでは、回転数範囲での最大出力ポイントという古い概念は適用されません。ヘリカルカムシャフトでは、吸気システムの「呼吸」限界に達するまで、またはより可能性が高いのは、エンジン部品の機械的強度限界を超えるまで、出力が増加し続けます。ヘリカル カムシャフトの標準的な 250 度から 350 度以上の持続範囲は、基本的に、適度に頑丈なエンジンが約 1,500 RPM からおそらく 20,000 RPM 以上まで強く「引っ張る」ことができ、それでも 500 または 600 RPM でスムーズにアイドリングできることを意味します。

フルリフト時の作動範囲と高回転域でこのような性能を備えた機械式VVAシステムはこれまで存在していませんでした。「カムレス」の電磁油圧式システムはヘリカルカムシャフトと同様の作動範囲とリフト範囲を備えていますが、現状では高回転域での性能は厳しく制限されています。

おそらくもう少し実用的なレベルでは、道路用エンジンの動力計テストにより、ヘリカルカムシャフトの持続時間の増加がわずか 30 度程度に制限されている場合でも、一般的な道路用エンジンは標準カムと同じ RPM パワーピークで 25% ～ 30% パワーを増加できることが示されています。また、アイドリングおよび低 RPM の動作はまったく正常です。

ヘリカルカムシャフトを燃費向上ツールとして応用することは、エンジン出力を最大化するだけでなく、さらに重要な用途となる可能性があります。スズキGSX 250ccエンジンにヘリカルカムシャフトのプロトタイプを組み込んだテストでは、アイドリング時の燃費が著しく向上することが示されました。このヘリカルカムシャフトは、吸気カムローブの閉弁側ですべての作用角が増加するように配置されており、吸気バルブの開弁点はスズキGSX 250エンジンの標準のままです。このテストの目的は、LIVC（低速回転時 ...

LIVCの基本的な目的は、吸気ポンピング損失を低減することです。このポンピング損失はアイドリング時に最大となり、マニホールド圧力（および出力）が上昇するにつれて徐々に減少します。テストに使用したスズキ製エンジンは、標準カムシャフトを装着した同じエンジンと比較して、アイドリング時の燃費が一貫して40%向上しました。これは少し信じがたいように思えるかもしれませんが、アイドリング時には消費燃料の約80%が吸気ポンピング損失を相殺するために消費されると推定されていることを忘れてはなりません。したがって、ポンピング損失の低減は、アイドリング時の燃料消費量に大きな直接的な影響を及ぼします。出力が上昇すると、この40%という数値は急速に減少しますが、一般的な道路／交通用途のエンジンでは、全体的な数値はおそらく10%から20%の改善となるでしょう。アイドリング時の燃費の驚くべき向上は、おそらくスズキのようなキャブレターエンジンにのみ当てはまるでしょう。現代の多気筒燃料噴射式自動車エンジンがヘリカルカムシャフトでどのように動作するかは、まだ検証されていません。アイドリング時の燃費は大幅に向上すると思われますが、少なくとも他の変更を加えなければ 40% は改善されないかもしれません。スズキは、約 55 度または 60 度遅れてアイドリングしていました。つまり、下死点から 120 度後です。つまり、必要な合計時間は約 320 度でした。LIVC によるエンジン負荷制御には、非常に長い時間が必要です。通常、LIVC による負荷制御には、高回転出力、特に汎用の道路走行用アプリケーションに必要な時間よりもはるかに長い時間が必要です。重要なのは、LIVC に使用する場合、この非常に長いバルブ開放時間はすべて、フルバルブリフトでなければならないということです。シリンダーへの流入と流出の流れを妨げないように、バルブリフトは最大でなければなりません。流れが少しでも制限されるとポンピング損失が発生し、LIVC の目的全体が無効になります。

ヘリカルカムシャフトを高回転パワーの補助とLIVCによる負荷制御に使用することについて説明してきましたが、両方の機能を同じエンジンで使用できない理由はないことを明確にしておく必要があります。現実的には、ヘリカルカムシャフトの原理はツインカムエンジンにのみ適用できます。出力を最大化するには、吸気カムと排気カムの両方をヘリカルカムシャフトタイプにする必要があります。高回転性能に必要な作用角の増加は、吸気カムと排気カムの両方でほぼ等しく、基本作用角ローブプロファイル中心線に対してほぼ対称的な増加である必要があります。LIVC操作のみの場合は、吸気カムシャフトのみをヘリカルカムシャフトにする必要があります。ツインヘリカルカムシャフトの配置と適切な制御により、エンジンは極めて高い出力と非常に低い燃費の両方を実現できます。

また、絶対的なパワーを犠牲にして、燃費をさらに向上させる可能性もあります。ヘリカル カムシャフトと LIVC の一般原理により、非常に高い圧縮比(CR) を使用することもできます。ここでの考え方は、非常に高い幾何学的 CR を使用しながら、デトネーションを回避するために LIVC によって圧縮圧力を制限することです。燃焼後の膨張比は依然として高いままです。燃焼している燃料/空気混合物の熱エネルギーを基本的に使用可能な機械エネルギーに変換するのは、膨張比です。膨張した高温ガスがピストンを動かすほど、熱エネルギーはより多くの仕事に変換され、熱効率が高くなります。この一般原理は通常、「アトキンソン サイクル」と呼ばれます。(厳密に言えば、アトキンソン サイクルは、機械的に異なる長さの圧縮ストロークと膨張ストロークを備えたエンジンを指します。現代の実践では、圧縮圧力は、吸気バルブを一定量遅く閉じることによって制限されます。これは、異なるストローク長とまったく同じ効果があります)。アトキンソン サイクルでは、効率が追加される代わりに、全体的なパワーが低下します。例えば、エンジンの幾何学的CRが18:1の場合、デトネーションを回避するには、空燃比を全負荷時の約半分に制限する必要があります。その結果、全負荷時の燃料消費量は半分になりますが、出力は同等の「通常」エンジンの半分ではなく、約3分の2または4分の3になります。つまり、熱効率が向上します。このようなエンジンは経済的ですが、吸気ポンプ損失は依然として残ります。

ヘリカルカムシャフトは、アトキンソンサイクルとLIVCの両方を同時に適用することを可能にします。高いCRにより、アイドリング時により多くのLIVCを使用できるため、ポンピングロスがさらに低減し、効率が向上します。結果として得られるエンジンは、ディーゼルとほぼ同等（あるいはそれ以上）の燃費を実現し、より安価なLPG燃料で稼働できます。また、ディーゼルよりも軽量で製造コストも低くなります。このようなエンジンを搭載した車は、「ハイブリッド」車よりもはるかにシンプルで安価な代替品となるでしょう。（ただし、ヘリカルカムシャフト/アトキンソン/LIVCエンジンを搭載したハイブリッド車は、さらに経済的です。）

現在、エンジン研究において最も「流行」している分野の一つに、予混合圧縮着火（HCCI）エンジンがあります。これは、ディーゼルエンジンと同様に、火花点火エンジンを軽負荷または部分負荷で運転することを意味します。HCCIでは、圧縮圧力を非常に迅速かつ正確に制御する必要があります。制御された圧縮着火が突然本格的なデトネーションへと発展するのを防ぐためです。ヘリカルカムシャフトの最大の強みの一つは、まさにそれを可能にすることです。しかし、アトキンソンの高CR効果の有無にかかわらず、制御が容易なLIVCは、明らかにリスクの高いHCCIプロセスよりもはるかにシンプルなエンジン制御方法であるように思われます。そして、HCCIがLIVCなどよりも燃費が良いかどうかは疑問です。

手術

ヘリカル カムシャフトの作用角は、同軸配置の外側のシャフトを長さ方向 (または軸方向) に移動することで変更されます。ヘリカル カムシャフトの螺旋角は、常に 30 ～ 35 度程度になります。螺旋角は、使用されるセグメントの幅 (通常約 10 mm または 0.39 インチ) と、ローブの先端部の半径が 20 度の一定領域 (円周で通常約 7 mm) によって決まります。したがって、この領域を横切る対角線の分割線は、カムシャフトの軸に対して通常約 35 度にする必要があります。これは、軸方向の移動 1 ミリメートルあたり約 3.5 度 (クランクシャフト) という数値に相当します。30 mm (1.2 インチ) の移動で、作用角は 105 度変化します。ヘリカル カムシャフトはこれよりはるかに大きな変化に対応できますが、テストの結果、ほとんどの用途ではこの値で十分であることがわかっています。

シャフトを軸方向に動かすのに必要な力はごくわずかであるため、ヘリカルカムシャフトをLIVC負荷制御のみに使用する場合、軸方向の動きをアクセルペダルに直接機械的に制御できる可能性があります。同様に、ヘリカルカムシャフトを高回転域の出力向上に使用する場合も、シンプルな自己完結型の遠心式コントローラ／アクチュエータのみで対応可能です。

いくつかのプロトタイプは、遠心コントローラ/アクチュエータを使用して非常に良好に動作しました。ヘリカルカムシャフトを操作してLIVCとカムの高回転側の両方の機能を使用したい場合は、LIVCを使用できるように各カムに油圧アクチュエータが必要になる可能性があります。また、各ヘリカルカムシャフトには、高回転で使用するための位相変更機構も必要です。低回転および部分負荷では、ヘリカルカムシャフトは完全にLIVCになります。高回転および全負荷では、ヘリカルカムシャフトからの長い作用角が必要ですが、位相変更機構により、閉側フランクでの作用角の増加をより対称的な作用角の増加に変更する必要があります。これらはすべて機械的に行うこともできますが、実用的な構成は、必要なLIVCの量と位相を調整するコンピューター/マイクロプロセッサーを備えた外部電源構成になるでしょう。 HCCI 動作の場合、状況は明確ではありませんが、圧縮圧力を変更するのに必要な軸方向の移動が非常に短い (したがって非常に高速) ため、ヘリカル カムシャフトはこのプロセスに非常に適していると思われます。

実用的な考慮事項

このシステムの欠点はコストです。非常にシンプルな装置ではありますが、非常に精密なヘリカル加工と慎重な組み立てが必要です。ヘリカルカムシャフトの試作品は、加工費と材料費で通常約1,500ドルかかります。この金額は量産段階になれば大幅に削減されます。ヘリカルカムシャフトのコストが実際に高いのは、従来のカムシャフト（メーカーの1ユニットあたりの製造コストはわずか数ドルと報告されています）と比較した場合のみです。この事実により、ヘリカルカムシャフトは実際よりも高価に見える傾向があります。とはいえ、ヘリカルカムシャフト（および関連制御機器など）のコストは、他の量産VVAシステムとほぼ同等（あるいはそれ以下）になる可能性があります。

様々なプロトタイプは、長時間にわたるテスト（一部は超高回転でのテスト）を経ても、摩耗や極限強度（破損）の問題は一度も発生していません。しかし、量産車のカムシャフトは理想的には車両の寿命まで持続する必要があるため、本当に長期にわたるテストが実施されるまでは疑問が残ります。しかしながら、解決不可能な長期的な問題はおそらく発生しないであろうという兆候があります。

ヘリカルカムシャフトは、リフトを増幅するピボットフォロワーを介して作動します。ヘリカルカムシャフトは、逆バケット型のフォロワーと併用することはできません。逆バケット型は今でも使用されていますが、ロードエンジンとレーシングエンジンの両方で、ピボット「フィンガー」フォロワーに置き換えられつつあります。ピボットフォロワーが必要なだけでなく、エンジンが1気筒あたり4バルブの場合、1つのヘリカルカムシャフトローブで2つのバルブを作動させるようにフォロワーをフォーク状にする必要があります。これは問題というよりは特性です。カムシャフトの軸方向スペースが限られているため、非常に広い作動範囲が必要な場合、通常は1つのヘリカルカムシャフトローブ（とその作動スペース）しか確保できません。

ヘリカルカムシャフトは、非常に短い作用角や可変バルブリフトを実現できません。多くの企業やメーカーは、自社のVVAシステムが非常に短い作用角とそれに伴う低いバルブリフトを実現していることを、ある種の利点であるかのように宣伝していますが、実際には他に選択肢がないのです。

バルブトロニック型振動カム機構において、ヘリカルカムシャフトを「駆動」カムとして使用できない物理的な理由はありません。（ただし、構成が非常に複雑になり、バルブトロニック部分がヘリカルカムシャフトの高回転性能を制限する可能性があります。）その結果、信じられないほど多様な作用角とリフト量の組み合わせが可能になります。これは研究において非常に有用となる可能性があります。しかし、現実世界では、おそらく95%の組み合わせは4ストロークサイクルとはあまり関連性がありません。もちろん、これはある程度ヘリカルカムシャフトにも当てはまります。約400度以上の使用は想像しにくく、ヘリカルカムシャフトにはさらに約300度程度の可動範囲がある可能性があります。

揚力、速度、加速度、ジャークのグラフ。

  • スズキ GSX 250 標準カム
    スズキ GSX 250 標準カム
  • スズキヘリカルカム – 最小持続時間
    スズキヘリカルカム – 最小持続時間
  • スズキヘリカルカム – 中速域の持続時間
    スズキヘリカルカム – 中速域の持続時間
  • スズキヘリカルカム – 最大持続時間設定
    スズキヘリカルカム – 最大持続時間設定

参考文献

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