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第11回 バルタイをお勉強

執筆に半年掛かりました(←ちょっと大げさ)

 ご無沙汰してます。前回のレポートから半年以上? 間が空いてしまいました。

 サボっていたワケじゃないんです(マジで)。前回のレポート内で「次回は……バルブタイミング測定初体験の模様をレポートします」なんてことを書いてしまったもんで、まだ寒かった頃からバルブタイミングについて原稿を書いていたのですが、「原稿がまとまらねぇ〜ッ!」と苦悶し続けて、書き直したこと数え切れず(ちょっと大げさ? 笑)。そもそもバブルタイミングをよくわかってない人間がバルブタイミングについて書こうとしているので、書けば書くほど調べなくてはならないことが出てきたり、調べることで、元々の認識が誤っていることに気付かされたりと、書きながらバルブタイミングを勉強しているようなもんで、なかなかまとめられずに時間ばかりが過ぎてしまいました(汗)。

 そんな原稿なんで、間違えて理解している部分もあるかも? です。また簡潔に説明できないものだから、かな〜り長い原稿になっております。そんな原稿でありますが、最後までおつきあいいただければ幸いです!

まずは「バルブタイミングって何?」って話から

 そもそもバルブタイミング(以後バルタイ)とはなんなのか?

 4サイクルエンジンは、クランクが2回転する間に吸入→圧縮(→点火)→燃焼→排気という行程で燃料のガソリンを燃やしてパワーを生み出してますよね? その行程中の吸気と排気がいつ始まっていつ終わるのかをクランク角で表すのがバルタイとなります。

 例えば、吸気バルブが開いた時が何度、閉じた時が何度みたいな感じで。ちなみにクランク角というのは、クランクが円運動だから0度から360度で表しそうですが、そうではないのです。

4ストエンジンの行程
よくある4ストエンジンの行程を表したイラスト。吸入→圧縮→燃焼→排気(イラストでは点火も入れてみました)となるワケですが、このイラストを見るとクランク1周(360度)で1回燃焼しているようにみえませんか? もちろんみなさんご存知の通り4サイクルエンジンは、1回燃焼するのにクランクが2周しています。大雑把ですけど各工程で180度前後クランクが回っています(吸気と排気は200度以上回っているエンジンが多いようです)。ちなみに全部足したらクランク2周、つまり720度を超えちゃいますが、それは各工程の切り替わりで重複している部分があるからです。さて、今回のテーマは「バルタイ」ですが、このイラストでいうと両サイドの吸入と排気の部分の込み入った(笑)話となります。

 手元にあるエイプ100の整備書でバルタイ(弁開閉時期)を見てみると、吸気の開きは10度BTDC、吸気の閉じは35度ABDCと表記されています。10度や35度は、角度であろうと予測できますが、その後のBTDC、ABDCというのは、なんなんすかね?

ビフォートップデスセンター?

 角度のあとにあるBTDCやABDCが何を示しているのか? ググるともちろん出てくるわけですが、BTDCはBefoer Top Dead Center、ABDCはAfter Bottom Dead Center、それぞれ4単語の頭文字で……なんて書いてありますが、BTDC、ABDCの他に、ATDC、BBDCがあるようです。「なんのこっちゃ?」となってしまいそうですけど、これこそがバルタイのお勉強の初めの一歩? のようです。この頭文字4文字組4セットを理解しておかないと、バルタイの説明など読んでも、間違いなく全く頭に入ってこないと思われます。

 自分の場合は、こんな感じで4セットの意味を理解しました。

 4つのアルファベットの組み合わせが4セットあるわけですが、よくよく見ると、3番目と4番目のアルファベットは、どれも「DC」で同じ。1番目と2番目もよくよく見ると、2種類の組み合わせであると気付きました。具体的には1番目は「A」か「B」、2番目は「T」か「B」。

 それぞれのアルファベットは頭文字なんで……

A → After → 後
B → Before →前

T → Top → てっぺん(天)
B → Bottom →底

となります。Bが2種類ありますが、カタカナ文字としてもよく使われる英単語ですから、単語さえ覚えてしまえば、自分の場合ですが、何とか判別できるようになりました。

上死点
バルタイの話をする上で重要な要素のひとつが上死点。ピストンがシリンダー内で最も高い位置にくる状態ですね。クランクで言えば、ジャーナル(主軸)の真上にクランクピンが来る状態。バルタイはクランク角で表されますが、この状態が基準となります。ちなみに1回燃焼するのにクランクは2回転するので、上死点も2回あります。ひとつが圧縮上死点。エンジンを組む時の基本的なポジション(?)ですよね。圧縮上死点はシリンダー内が燃焼中となるので、吸排気バルブとも閉まった状態になります。もうひとつの上死点は排気上死点。こちらは排気行程から吸気行程への移行期。エイプ50のバルタイだと吸排気バルブ共にほぼ閉じた状態ですが、エイプ100のバルタイだと吸排気バルブ共に開いている、オーバーラップという状態になっています。

 どれも同じとなる3番目と4番目のアルファベット「DC」はDead Centerなんだそうで、単語自体は、こちらもカタカナ英語として、日常でもよく使うわけですが、「死」と「真ん中」と訳しても、正直「なんのこっちゃ?」となっちゃいます。実はこれ、2番目のアルファベットとの組み合わせで、TDCが上死点、BDCが下死点を意味するそう。

 上死点と下死点はエンジン用語なんでお判りの方が多いと思いますが、ご存知でない方のために書いておくと、上死点はシリンダー内を上下するピストンが最も高い位置に来た状態、逆に下死点は最も低い位置に来た状態を示す用語です。

 TDCならトップ=上、デス=死、センター=点。トップが上というのはわかりますが、センターが点っていうところだけなんかしっくりきません。恐らくは内燃機関の技術が日本に輸入された際に、技術者か翻訳者が、上死点ときっと訳したんでしょうね。「センターだから中じゃね?」って自分のような翻訳のセンスの無い人間が訳していたら「天死中」となっていたかもしれません(笑)。

要は上死点(下死点)の前か後か

 先ほどのエイプ100のマニュアルにあるバルタイ(弁開閉時期)に話を戻すと、

吸気の開き→10度BTDC
吸気の閉じ→35度ABDC

ですから、10度+B→前+TDC→上死点、つまり上死点前10度で吸気バルブが開き始め、35度+A→後+BDC→下死点、つまり下死点後35度で閉まるというバルタイを表しているわけです。

 ちなみに排気の方はというと……、

排気の開き→40度BBDC
排気の閉じ→5度ATDC

ですから、40度+B→前+BDC→下死点、つまり下死点前40度で排気バルブが開き始め、5度+A→後+TDC→上死点、つまり上死点後5度で閉まることを表してます。

 というように、バルタイを示すクランク角は、上死点もしくは下死点を基準点として、その何度前とか、その何度後で示されるわけです。

 バルタイの話をする上で避けては通れないATDC、BTDC、ABDC、BBDCについてご理解いただけましたでしょうか? この4文字熟語(笑)さえマスターできれば、バルタイの理解度は一気に進む……なんてことは残念ながらありませんが、自分的にハードルのひとつだったので、まずは説明させていただきました。

下死点
ピストンがシリンダー内で最も低い位置にくる下死点も、バルタイの話をする際は重要な基準点のひとつです。こちらも1回燃焼するのに2回通過することになりますが、上死点側のように圧縮上死点、排気上死点というような区別はされないようです(自分が知らないだけ?)。2回の下死点のうちのひとつは吸気行程の途中であり、圧縮行程への移行期となります。つまり吸気バルブが開いた状態。もうひとつは燃焼行程の終わりであると共に、排気行程への移行期であるため、排気バルブが開いた状態となります。ちなみに排気行程(右のイラスト)がクランクの回転と共に進みピストンが上死点に移動しますが、この時が排気上死点です。排気上死点は上にも書いたとおり、吸気への移行期となるので、そこからピストンが下死点まで移動すると左のイラストの状態となります。

カムの作用角を計算してみると……

 さて続いてはカムのお話です。よくカムのスペックを何度っていう感じで、角度で表しますよね? その角度っていうのが、バルブが開いているクランク角だったりするわけです。カムの作用角といわれてますよね。この作業角、ノーマルのカムなら、整備書などの主要諸元に記されている弁開閉時期(先ほどからエイプ100で実例を出しているアレです)から計算可能です。

 エイプ100のカムの作用角は、吸気側は上死点前10度から開き、下死点後35度で閉まるワケですから、10度+35度に上死点から下死点までの180度を加えた225度となります。排気側は下死点前40度から上死点後5度まで開いているので、40度+5度+180度の225度。エイプ100の純正カムって吸排気共作用角は225度なんですね。

 ついでにエイプ50の弁開閉時期をググってみたところ(こちらは整備書がないので、ネット検索で出てきた数値です)、吸気は開きが1度ATDC、閉じ11度ABDC。排気は開きが15度BBDC、閉じが5度BTDC。

BTDC
DOHCをダブル・オーバー・ヘッド・カムシャフトと言えてもそんなに自慢できませんが、BTDCをビフォー・トップ・デス・センターと言えたら、バイク好きの仲間から一目置かれる? いや、逆に「何それ?」って一言で一蹴されそうですね(笑)。クランクの回転に合わせて上死点(TDC)から書くとTDC→ATDC→BBDC→BDC→ABDC→BTDC→TDC……。日本語にすると上死点→上死点後→下死点前→下死点→下死点後→上死点前→上死点……となります。その時ピストンがどう動いているかわかるようにクランク、コンロッド、ピストンのイラストをそれぞれの位置に配置しております。ATDC→BBDC間はピストンは下方向に、ABDC→BTDC間はピストンは上方に移動しているというワケです。バルタイはピストンの動きに合わせて、効率よく混合気を吸い込む、もしくは排気ガスを吐き出す絶妙なタイミングをメーカーが設定しているワケです。チューニングとなると自分で探っていくことになります。

 エイプ100の吸気は上死点前にバルブが開き始めますが、エイプ50は上死点後1度から開き始めるんですね。だから開き始めから下死点までが179度で、それに下死点後の11度が加わって作用角は190度となります。排気は、開き始めが下死点前15度で、閉じるのが上死点前5度なので、15度+175度で吸気側と同じ作用角190度となります。

 エイプ50の純正カムに対してエイプ100純正カムは、作用角が35度も多い。ということはバルブが開いている時間が長いので、単純に考えれば多くの吸排気が可能→よりパワーを出せるってことになります。

 チューニングパーツとして販売されている、いわゆるハイカムは、作用角が大きいことからもそれが解るかと思います。二輪のチューニングパーツだとあまり作業角が表示されていないようですが、四輪のチューニングパーツだと、256度とか、288度とか、300度とかそんな作用角のハイカムもリリースされてたりします。

バルブを長く開けてるだけじゃダメ

 しかし単純に作用角の大きいカムを組めばパワーアップするのかといえば、みなさんもご存知の通り、そんなことはないようです。いくらバルブを開けておいても、エンジンが吸い込みたくない状況では混合気がシリンダー内に入っていってくれません。

 だからエンジンが吸い込みたいタイミングで吸気バルブを開けておく必要あるわけです。エンジンが吸い込みたいタイミングというのは、シリンダー内が負圧になる状態。具体的にはピストンが上死点から下死点に降りていく行程。ピストンがシリンダー内を下降していくわけですから、シリンダー内には負圧が発生するので、吸気バルブが開けば混合気がシリンダー内に入っていってくれるわけです。

 しかしピストンが上死点から下死点に下がる間ならいつでも負圧が発生しているかといえばそうではないようです。というのもピストンは、回転運動しているクランクとコンロッドに繋がっているから、上死点ではピストン速度が0で下がるに連れて速度が上がり、90度クランクが回った辺りで最も速くなり、そこから減速し始めて、下死点で速度が0になります。つまりピストンは上死点と下死点の間で急加速と急減速を繰り返しているのです。

1mmリフト
本文中に書き忘れているので、こちらで補足します。エイプ100のバルタイを例にすると、バルブが開き始めるのがBTDC10度となっていますが、上死点前11度までバルブが閉じていて、上死点前10度でバルブが開き始めるというワケじゃないんです。バルブがシリンダー側に1mm飛び出すのが上死点前10度の時というのが正しいのです。なんで開き始めをバルブが1mm開いた角度としているのか? これは1mm開いたぐらいまでは、安定したクランク角を示せないからなのです。バルブが開く瞬間とは? 1/1000mmバルブがリフトした状態でもバルブは開いたことになるっちゃなっちゃいますよね? 言い出したら1/1万mmでも1/10万mmでも……となってしまうわけです。それからカムのベース円からカム山への移行は微妙に高さを増していくので、バルブスプリングのテンションでバルブシートに押しつけられているバルブの動きは1mmぐらい飛び出すまでは非常に不安定なんです。そんなこともありバルタイは1mm突き出す、つまり1mmリフト時が開いた時となります。閉まるタイミングも同様に1mmリフト時で表されています。

エンジンが呑みたいタイミングでバルブを全開に

 このようにシリンダー内に負圧が発生する上死点から下死点までの間、ピストンスピードが変動することから吸い込む力(=負圧)が変動します。効率よくシリンダー内に混合気を吸わせてやるには、シリンダー内の負圧が高まるタイミングとバルブが全開になるタイミングを上手くリンクさせてやればいいのです。

 バルブはカムで開閉されているので、カム山のカタチに合わせて開度が変化します。つまりバルブが全開となるのは、カム山の頂点(=中心角?)となるわけです。混合気をガッツリとシリンダー内に入れるためには、シリンダー側の負圧が最大となるタイミングで、バルブがカム山の頂点で押し出されている状態とすればいいわけです。

 しかしシリンダーが混合気をスムーズに飲み込んでくれるタイミングというのが、エンジン回転数などで変化してしまうそうです。低回転だとここで調子がいいのに、高回転だとあそこで調子がいいみたいな感じで。そんなこともあり新しいエンジンであれば可変バルブタイミング機構を備え、低回転域でも高回転域でも効率のいい吸排気を可能としているものが多いわけです。

 縦型エンジンには、残念ながら可変バルブタイミング機構は備わっていないわけですが、メーカーが数多くのテストを繰り返してオールマイティなエンジン特性となるバルブタイミングを設定してくれています。それがノーマルのカムも含めた整備書に載っているバルタイとなるわけです。エンジンがノーマルで、街乗りをメインに使用するのであれば、このメーカーが設定したバルタイに調整するのが、恐らく最強のようです。

バルブタイミング
エイプ100のホンダが設定したバルブタイミングを、よくあるバルタイを示す図にして示すとこんな感じになります。上死点前10度にバルブが1mmリフトとなり、下死点後35度でバルブが1mmリフトまで閉じ、ピストンが上昇するのに従い混合気が圧縮されます。上死点前の15〜33度で点火され(CDIが自動進角するのでエンジン回転数で点火時期は変化するようです)燃焼。燃焼圧力でピストンが上死点から下死点へと押し下げられる途中で、排気バルブが開き始め、下死点前40度で排気バルブが1mmリフトに。排気バルブは圧縮上死点を超えた上死点後5度で1mmリフトまで閉じるが、その前に次の燃焼に向け吸気バルブが開き始め、上死点前10度で1mmリフトとなる……、という行程をエンジンが掛かっている間延々と猛烈な早さで繰り返していくことを示しているのですが、バルタイに興味がないと全くもってよくわからないと思います(笑)。これはエイプ100用のバルタイですが、現状のXLR80R改50改80が果たしてどんなバルタイとなっているのか、実測してみたので、次号ではその模様をレポートいたします。

合いマークに合わせて組んでも……

 ちなみにこのメーカーが設定したバルブタイミングですが、新車から一度もエンジンを開けたことがない、つまりメーカーから出荷されたままの状態でも、ズレが生じていることはあるようです。ズレが生じる理由としては、例えば使っている間にカムチェーンが伸びたなんていうもの。チェーンが伸びてもバルブタイミングは狂ってしまうのです。

 また出荷時ならぴったり合っているかといえばそうでもないのです。始めから公差の範囲でズレが生じていることは珍しくありません。こちらのズレる原因ですが、イメージしやすいもので言えば、カムスプロケットをカムに組み込むネジ穴。

 チューニングエンジンの場合、このボルト穴を長穴に加工してバルタイ調整幅を広げたりします。もちろん純正のカムスプロケットに開いている穴は長穴にはなっていませんが、ボルト径よりも大きく、いわゆる遊びがあるわけです。その遊び分、バルブタイミングをずらすことができてしまうんです。量産されるエンジンですから、バルブタイミングを計測しながらエンジンが組まれるわけではないので、ボルトは工員さんが締め付けた位置で固定されてしまいます。ボルトの中心とカムスプロケットのボルト穴の中心がピタリと合う位置で組まれることもあれば、ズレた状態で組まれることもある。ズレていればその分バルブタイミングもズレてしまいますよね。

 さらにいえばカムスプロケットのボルト穴の開いている位置も、部品生産における公差内で作られてますから、開けられた穴の位置がぴったり設計図通りとは限りません。これはバルブタイミングに関連する全ての部品にいえることとなります。

 もちろん天下のホンダの純正部品ですから、かなりの精度で作られているわけですが、それでも量産品ですから公差の範囲内で、設計値との誤差は発生します。微々たるズレですがバルブタイミングを設定値からズラしてしまう原因となってしまうのです。

 もちろんこれは公差レベルなので、ホンダが売り出すバイクのエンジンとして不良品となるわけではないのですが、バルタイがメーカー設定値通りに組み上がったエンジンと比べたら性能的に劣るはず。ほんの数度のズレですが、間違いなく性能差は生じるのです。

 よく「このエンジンはアタリ」とか「ハズレ」とか言われるじゃないですか? メーカー出荷時の性能差はバルタイだけが原因じゃないと思いますが、バルタイのズレも大きく影響を及ぼしているはずです。

次回はバルタイ計測実践編の予定(笑)

 バルブタイミングの重要性、伝わりましたかね? 自分的には調べて理解していくほどに、バルタイをしっかり調整したい気にますますなってます(笑)。

 実はこの原稿を書く遥か前に、バルタイ測定をまずやってみたんですが、その時は今より圧倒的にバルタイについての理解度が低く、測定はしたものの、実のところチンプンカンプンだったりしたわけですが、その経験を基にこの原稿を書こうとしたものの全く書けず、原稿を書くためにいろいろ後付けの知識を付けて今に至ってます。

 自分のXLR80R改50改80のエンジンは、ボアアップキット以外はホンダ純正とはいえ、クランクケースより上側は本来の部品とは全く別の部品の組み合わせ。バルタイ調整せずとも、現状、満足のいくエンジンには仕上がっています。

 でもバルタイ調整したらもっと良くなるかもしれません。ノーマルのようにメーカー指定のバルタイがあるわけではないので、最良のバルタイは自分で探すしかないのですが、エンジンチューニングを楽しむためにいじっているわけですから、いろいろ試してみたいと思っています。

 今回はこれぐらいにして、次回は何もわからないままやったバルタイ測定のレポートを、今回以上に「意味ねぇなぁ〜」と言われそうですがやってみたいと思います。

ツボ8(戸籍上は坪内英樹):主に四輪誌などで活躍中のフリー・ライター。二輪免許は小型限定しか持っていないという筋金入りのG2(原付二種)フリーク。趣味はスクリューマウントのスーパータクマ―レンズを装着したEOS7Dでの写真撮影。ここでのレポート用写真も同セットで撮影しているので、ピンがアマい。ちなみにレポートは滞っていたが、XLR80R改50改80の方はキャブを変更するなどレポートのネタは溜まっているようだ。
ツボ8


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2021/09/17掲載