Moto GPコミュのニュウマチックバルブ

「気筒数とエンジン特性について」トピ
http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=41368146&comm_id=3433&page=all
で議論していたところ、ニュウマチックに関するコメント(53、54、57、60、61、66～68)がありました。混乱を避けるためこの件(含関連)に関しては、こちらで議論を深めたいと思います。

　ニュウマチックのメリットは、サージング限界の高さにつきます。空気バネですから、物理的には共鳴周波数は存在します。けれども、それはピストンエンジンの回転限界を遙かに超えます。
　仮に長さ10cm程度の気柱振動に置き換えて考えると、圧力や温度が決まらなければ正確な計算はできませんが、少なく見積もってもkHzのレベルです。回転数で表記すると6万rpm以上です。クランクはカムシャフトの2倍で回転しますので、エンジン回転数では12万rpmを大きく超えるところにサージング限界が存在します。
　したがって、「物理的共鳴周波数は存在するが、ピストンエンジンにおけるサージング限界は無いと見なすことができる」といえます。
　もちろん、金属スプリングを研究されている方々も頑張っておられるでしょうから、年々サージング限界は引き上げられるでしょうが、一気に10万rpm超といった大幅な向上は残念ながら期待薄と言わざるを得ません。

　しかし、フリクションは増加すると思います。空気圧の供給はクランクで駆動するポンプです。ポンプにはロスが必ずありますし、バルブまでの圧力管での損失や漏れもあります。したがって、同じバネの強さならコイルスプリングが有利だと思われます。
低回転ではニュウマチックの方がフリクションは少ないという報告もありますし、必要に応じてバネの強さを増減できるニュウマチックでは確かに可能です。しかし、定常運転が条件だろうと考えます。バルブに空気圧を供給するためには、ポンプの吐出圧を上昇し、圧力管を昇圧させる必要がありますし、タイムラグは必ずあります。
　レースのように回転数が刻々と変化し、しかも比較的高回転を多用する状況下では、ポンプの吐出圧を常に高く保つ必要があるのではないかと考えられます。

　もう1つの選択肢にデスモドロミックがあります。ニュウマチックもコイルスプリングも「バネ」です。そこで「開弁時にカムシャフトからもらったエネルギーを内部に蓄え、閉弁時にバルブを押し戻すことで開放する」働きは同じです。デスモドロミックであれば、強制的に開閉弁させることになりますので、バネの制約がありません。これは、サージング限界が存在しないことと、機械的に最高の加速度でバルブを開閉できるということです。
　図1に示すように、開弁時はニュウマチック・コイルスプリング・デスモドロミック共に差がありません。しかし、閉弁時はニュウマチック・コイルスプリングはバネに蓄えられたエネルギー(フリクション等で開弁時の入力が若干目減り)でバルブを加速することになります。市販車では、騒音低減のため最大リフトを犠牲にしても、サインカーブを基本に(開弁時と閉弁時を対称に)カム山をデザインしますが、モータースポーツでは対称でないデザインが一般的です。デスモドロミックは閉弁用カムで強制的にバルブを加速できます。したがって、同じ開弁期間なら、リフトで得をします。
　フリクションに関しては、バネで押しつけられていない分摩擦は小さくなりますが、部品点数が増加し、1つのバルブに対して2つのカム山が接していますので、差し引きしても増加は避けられないでしょう。

ニュウマチック・コイルスプリング・デスモドロミック等について、コメントをよろしくお願い致します。

コメント(27)

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[1] mixiユーザー 04月12日 12:20

ﾆｭｰﾏﾁｯｸのﾓﾄgpﾏｼﾝは

駆動に使う窒素ｶﾞｽを１ﾚｰｽ分ﾀﾝｸに充填するだけなんで

ﾎﾟﾝﾌﾟは無いらしい

うろ覚えなんで
間違ってたらｽﾏｿ

[2] mixiユーザー 04月12日 18:14

オイラも文系の理系マニアですんで素人情報ですが・・・。
確かＦ１のルノーエンジンのニウマチックはタンク充填だったと思います。

それとバネ式バルブとデスモのフリクションの差は、デスモの場合、組んだ状態でカムを指先で
回せる程の軽さであるという話を聞いたことがあります。
但し、それでもデスモが主流とならないのは重点が上に行く、つまりヘッドが重くなるからと。

[3] mixiユーザー 04月12日 18:28

デスモは機構が複雑な分、回転が上がれば上がるほどフリクションが増えるようですよ。

逆にスプリング式だと、一番回転が上がったときに必要なスプリング圧が全部の回転域でかかってるので、低回転時のフリクションでは損しているとも。

[4] mixiユーザー 04月12日 23:15

コイルスプリングもニュウマチックも多分閉鎖荷重は同じだと思います。
違いはフルリフト時の荷重だと思いますよ。
コイルスプリングもスペースに制限が無ければレートは下げられますが、
ガスならばあのスペースでもコイルよりも低いレートでいけるんじゃないですかね。
ＥＮＧのメカロスは回転上昇に対し二次曲線的に増加します。
古い情報で申し訳ありませんが、３．５ＬのＦ１ＥＮＧ（コイルＳＰＧ）は
１４０００ｒｐｍで２００ｐｓ以上（モータリング時）ありました。
つまりアウトプットで８００ｐｓのＥＮＧは１０００ｐｓ以上を
発生できなくてはならなかったんですよ。
ニュウマチックにしたくなる理由、分かると思いませんか？（笑）
今なら補器類（特にポンプ類）はメカニカルな駆動ではなく電気だと思うので
それ程のフリクションロスにはならないのでは？
以前のＦ１ＥＮＧは燃料も油圧もメカポンプでしたからねえ。
燃料ポンプひとつで２～３０ｐｓでしたよ・・・懐かしい（苦笑）

[5] mixiユーザー 04月12日 23:36

ﾄﾞﾛｯﾌﾟさん、強力公園さん、TOTOさん

＞タンク充填

　情報ありがとうございます。この方法なら、損失はなく美味しいところだけをいただけますね。また、タンク内が十分高圧であれば直ぐにでも昇圧できますので、低回転時は思い切って降圧できると思います。タンクの重量は最低重量規定がありますので、ハンデにはなりませんし、搭載性も何とかなっているようですね。ただ、市販車への直接的なフィードバックは、無理ですね。

＞デスモのフリクション

　モータースポーツ用マシンのフリクションは、市販車と比べものにならない程小さく抑えてあります。例えば、市販車では必ずブレーキの引きずりがありますが、モータースポーツ用マシンはリターンスプリングを使い1mm弱のクリアランスを確保し、引きずりをゼロにしています。エンジンでも、ベアリングやリングの精度管理の徹底で、片手で回せる程に仕上がっています。
　本当に大変なのは、その強大な加速度なのです。仮に(少なく見積もって)バルブリフト10mmとしても20000rpmにおける平均加速度は、約900G(重力の900倍)にもなります。これに追従するためには強力なスプリングが必要となり、低回転時のフリクションが増加してしまいます。そこで妥協して、トップのFig.1のようにしているわけです。
　ニュウマチックであれば、回転数に応じて昇圧すると、最高回転時はトップのFig.1のデスモのようなカーブも可能だろうと思います。
　ニュウマチックとデスモの得失ですが、重量や搭載性も重要ですが、最後は正確さだろうと思います。可動部分には必ずクリアランスが必要で、部品に力が掛かるとたわみが発生します。また、流体に漏れはつきもので、圧力の伝達にはタイムラグがあります。これらを総合的に判断すると、MotoGPに限っては現在の技術ではニュウマチックが僅差で有利だろうと思います。しかし、デスモも精度を上げていますので、見ている方としては(やっている方は大変でしょうが)面白いです。

[6] mixiユーザー 04月13日 00:05

Island Cylinder 様
バネ式もニウマチックもそうなのですが、恐らく「作用に対する反作用」という「神の見えざる手」が
ある程度は人智をカバーしてくれるのに対して、デスモは、それを人間が考えてやらなきゃ
ならない分、メンドイんじゃなかろうかとお話を聞いて素人考えに思ってしまいました。

あと脱線失礼で話題にしますが、ＭｏｔｏＧＰじゃないですがモトクロスではホンダの４ｓｔは
ＤＯＨＣではなくてＯＨＣだったと記憶してるのですが、デスモはおろか、初期の設計段階で
正確、或いは柔軟なバルブ駆動が出来るなら、ヘッドの重量化をチャラにするためにカムを
頭に２本も付ける事すら重点も高位置化を防ぐには邪魔になっているって事なんだろうかと
見ていますがどんなもんなんでしょうか。

[7] mixiユーザー 04月13日 00:10

タカさん

　レートを決定するのは、閉弁時の加速度です。したがって、スペースとレートに直接的な関係はありません。
　また、最高回転時のメカロスはコイルスプリングもニュウマチックも同じです。コイルスプリングで14000rpm時200psのメカロスなら、ニュウマチックでも200psになります。ニュウマチックは中低速時にレートを下げて、フリクションで得をしようという発想です。

[8] mixiユーザー 04月13日 00:28

強力公園さん

　モトクロスのOHCは仰るとおり軽量化が目的です。7000～8000rpm程度であれば、OHCでも問題なく回ります。OHCはカムシャフトが1本ですみますが、ロッカーアームやロッカーシャフトが必要ですので、コストや部品単位の軽量化のメリットがあるか疑問です。しかし、ヘッドそのものは小型化できますので、その分軽量化できます。

[9] mixiユーザー 04月13日 01:17

コイルＳＰＧを設計すると分かるんですが、
バウンドを抑えるための閉鎖荷重を設定するとセット荷重が決まってきます。
リフトとスペースと材質から外径、線形、巻数におのずと限界がありその上サージングも考慮しなくてはならなくなると、フルリフト時の荷重は結構出たなりになってしまうんですよ。最低限レース距離を走りきるだけのタフネスも必要ですしねえ・・・。
少なくともニュウマチックの採用を始めた頃のＦ１ではピークパワーを稼ぐため、でした。
１４０００ｒｐｍという領域ではベローズから上のボリュームはガスＳＰＧのレートに結構効いてましたよ。
いや、レートにというよりフリクションロスに、ですね。
まあ、今なら低中速時にガス圧を下げるぐらいのことをしてるかもしれませんがねえ。
でもそうなるとコンデンサー（サージタンク？）とか大変かも・・・。
まさかポンプでコントロールなんてしてないですよね？
どなたかご存知でしたら教えてもらえませんかねえ・・・。

[10] mixiユーザー 04月13日 03:41

ふと思ったのですが、Fig.1の曲線の積分した面積が、インテークバルブから入る吸気量と完全に比例するのなら、デスモの方がたくさん吸えるということであり、ピークパワーではデスモが完全に有利ですね。

ですが、スプリングだと最高回転数付近では多少バルブがジャンプしているのだとしたら、カムによるリフト量と、バルブ開弁量は完全には一致しないのかなと思いました。

バルブ開閉の正確さではデスモ有利でも、吸気量はスプリングでも変わらないのかなと。

あと、流体力学を理論的には知らないので素人考えですが、リフト量を上げていった場合に、ポート径に比して一定以上のリフト量を超えると、リフト量を増やしてもガスの流速や流量はさほど上がらないんじゃないかという気がします。

もっとも、最高出力近辺だと、吸気にも慣性がかかっているでしょから、バルブは全閉→全開→全閉が極力短い時間で行なわれる方がたくさん吸えて良いようには思えます。

[11] mixiユーザー 04月13日 14:02

タカさん

　貴重な情報ありがとうございます。私はエンジン屋ですし、サージング限界の遥か下の方のバウンドもあまり問題にならない回転数(2000～3000rpm)で実験していますから、バネについてはあまり深く考えず最大加速度および最大荷重を基準にしていました。言われてみるとなるほどです。高回転になると、バウンドは重要ですね。正確な動きを阻害するだけでなく、バルブシートを壊す可能性もありますから。
　そうなると、十分荷重が掛かっているフルリフトに近い状態ではレートを下げて、着座直前にはしっかりカム山に押し付けたいわけです。これに対して、ニュウマチックは逆の動きをしていると思うのですが。コイルスプリングはリフトと荷重が比例関係ですが、ニュウマチックは断熱変化をします。理想を言わしてもらえば、動き始めからフルリフトまで荷重一定だと思います。どうでしょうか？
　ニュウマチックの圧力コントロールについては、私もポンプではないと思います。恐らく、チェックバルブを設置し、圧を下げる時は大気に放出しているのではないかと思いますが、詳細を知りたいと思います。

TOTOさん

＞積分した面積が、インテークバルブから入る吸気量と完全に比例するのなら

　完全に比例はしませんが、定性的には正しいです。

＞カムによるリフト量と、バルブ開弁量は完全には一致しない

　そのとおりです。スプリングが一番の原因ですが、部品の変形やクリアランスもありますので、僅かですがデスモでもこの現象はあります。

＞ポート径に比して一定以上のリフト量を超えると、リフト量を増やしてもガスの流速や流量はさほど上がらない

　計算では、バルブ系の1/4を超えてリフトしても流量は増加しないことになります。しかし、仰るとおり空気にも慣性はあります(流れは急に曲がれない)し、開弁から閉弁まで常に最大リフトしているわけではありませんので、機械的に可能ならリフトは大きい方がいいです。

＞全閉→全開→全閉が極力短い時間で行なわれる方がたくさん吸えて良い

　同感です。ただ、言うは易し、行なうは・・・・・

[12] mixiユーザー 04月13日 14:33

＞Island Cylinder さん

＞ニュウマチックは断熱変化をします。

ああなるほど！断熱変化するからリフト量が増えて圧縮されてくると反力が直線的な比例でなく、より強く立ち上がるわけですね。

となると、ニュウマチックはゼロリフト近辺の圧が不足しないように圧をかけていくと、フルリフト近辺の圧は金属スプリングより強くなってしまって、フリクションが大きくなるということになりますか？

ゼロリフト近辺は、ピストンが押してくるガス圧でバルブが閉まりそうな気もするので、そんなにバルブスプリング圧をかけなくても大丈夫そうな気もしますが、どうなのでしょう？

[13] mixiユーザー 04月13日 15:06

TOTOさん

＞ニュウマチックはゼロリフト近辺の圧が不足しないように圧をかけていくと、フルリフト近辺の圧は金属スプリングより強くなってしまって、フリクションが大きくなる

　理論的にはそうなるはずです。そこで損をしても、それ以上に中低回転時に減圧して得をしようというコンセプトだと思います。

＞ゼロリフト近辺は、ピストンが押してくるガス圧でバルブが閉まりそう

　吸気弁閉弁直前(吸気行程の終わり)は、吸気ポートとシリンダ内圧力はほぼ同じです。排気弁閉弁直前(排気行程終わり＆吸気行程始まり)も排気ポートとシリンダ内圧力はほぼ同じです。ただし、ターボエンジンや大型トラック等で排気ブレーキを使用中は排気ポート圧が高くなりますが、排気弁が閉まらなくなるほどではありません。
　バルブ開閉に最も力が必要なのは、排気弁開弁時です。膨張行程の終わりでもシリンダ内はまだ高圧ですから、その圧力に抗してバルブを開けなければなりません。もっとも、カム山で押し開けますし、開弁の瞬間だけですから、問題はありません。

[14] mixiユーザー 04月13日 21:15

はじめまして、アキピョンと申します。
某トラック会社でディーゼルエンジンの設計をしています。
ここ２年ほどは燃費向上の研究をしていますが
その前は７年ほど（せいぜい３０００ｒｐｍくらいしか回らない）ディーゼルの
動弁系を専門に設計していました。

動弁系の基本は、性能要件としてはバルブタイミング、フルリフト量、
開弁加速度、閉弁加速度、ランプ速度、ランプ高さです。
耐久要件としてはジャンプ、バウンスです。
（各社動弁系屋はバウンドではなくバウンスと言っています）
その昔はサージングで苦労したようですが
３０年ほどまえから不等ピッチコイルばねが当たり前になって
６０００ｒｐｍくらいならサージングで困ることもなくなりました。
（もちろん計算＆実測は今でもします）
１００００ｒｐｍ以上は経験がないのでよく分かりませんが・・・

さてカムシャフトの駆動トルクですが、フルリフト近辺では
（意外かもしれませんが）ほぼゼロになります。
バルブ速度におおむね比例しています。
山を登るときは負荷がかかるけど、山を下るときは負荷が抜ける。
その境目なのでゼロになると思ってください。

ですからニューマチックでフルリフト近辺でフリクションが大きくなるということは
ないと思います。
もちろん低回転で荷重を下げてフリクションを下げるというのは「有り」です。
日産のＶＶＥＬとかの可変バルブリフトでは低リフトでの低フリクションを
宣伝しています。動弁系は低速ほど境界潤滑になるせいでフリクションが
増しますので、非常に有効だと思います。

[15] mixiユーザー 04月14日 00:16

アキピョンさん、コメントありがとうございます。

＞駆動トルクは、フルリフト近辺ではほぼゼロ

　フルリフト時は、ピストンの上死点のようにバルブの動きが開弁から閉弁に切り替わる瞬間ですから、駆動トルクがほぼゼロになることは分かります。しかし、それはフルリフト近辺だけかと思っていました。よく考えてみると、カムのプロファイルがSINカーブに近ければ、リフト半ばを過ぎるとバルブは減速に転じますので、駆動トルクは楽になります。これなら、断熱圧縮の圧力が上がるところを何とか受け流せそうです。

＞境界潤滑

　確かによく分かります。しかし、MotoGPのエンジンは低速といっても10000rpm以上のことです。油膜がそんなに薄くなるものでしょうか？

それから、もしよろしければデスモとニュウマチックの比較について、コメントを頂けないでしょうか？

[16] mixiユーザー 04月14日 00:50

　先日の、のんさんのアドバイスもありましたので、若干言葉の説明をしたいと思います。

＞ランプ
　照明器具(LUMP)ではなく、助走路(RAMP)のこと。カムのプロファイルで、山の前後に軽い傾斜をつけてベースサークルと山を繋げています。

＞ジャンプ
　リフトの途中(特に閉弁時)でバルブがカム山から離れること。

＞バウンス
　バルブがシートに着座する際に、弾むこと。

＞境界潤滑
　通常ベアリングやタペットは、部品の間に油膜を形成して直接接触していません(流体潤滑)。しかし、低速では油膜が切れてしまい、部品同士が直接接触して摩耗やフリクション増加の原因になってしまします(固体接触)。境界潤滑とは両者の中間で、油膜が薄くなり所々固体接触している状態のことです。

　間違いがありましたら、訂正をお願いします。

[17] mixiユーザー 04月14日 22:29

すみません、楽しくなって来ちゃったので又コメントします。
ＳＰＧのレートなんですけど、そうなんです、ゼロレートに出来ればそれが一番いいんですよね。
ニュウマチックだと上のボリュームをある程度稼げればレートの低いところを使える訳です。
逆な言い方をすればボリュームが稼げなければリフトの大きいところででレートが高くなってしまうんですな。
バウンス（これが使えるとは！嬉）に関しては、もう思いっきり高い荷重でシートにぶつけちゃうんです。シートの材質を硬くして（ベリリウムカッパーとかをつかってですね）。
余談ですけど、レーシングＥＮＧってとんでもない材料を使ってたりしますよ。例えばエキパイにインコネルとか・・・。確かに熱くなるんですけどね。
レース（特にワークス）って結構本当に力技を使っちゃったりするもんなんですね～。

[18] mixiユーザー 04月15日 01:00

エキパイにインコネルですか、なるほど。

断熱性が高いから、排気ガスの熱エネルギーを損失し難くて、エグゾーストの性能が上がるってことですね。

やっぱりモータースポーツは金次第ってところがありますね（＾＾；

[19] mixiユーザー 04月15日 14:56

タカさん、TOTOさん

　ニュウマチックの場合、圧力室のボリュームが十分にあれば断熱変化カーブの緩やかな部分のみを使用できるので、イニシャルである程度の圧を掛けておけば、定圧に近くなりますね。しかし、同時にヘッドの大型化という問題があります。そこで、圧力室を繋げてはどうでしょう？　吸俳気それぞれ8バルブですから容積は(単純計算で)8倍になります。ただし、バルブは2個づつ同時に動きますから、実質的には4倍です。
　図1に4気筒シングルプレーン(等間隔着火)、図2に4気筒クロスプレーン(不等間隔着火)、図3にV4の開弁期間を示します。シングルプレーンの場合バルブも等間隔で規則的に開閉しますので、ボリュームを有効に使えます。クロスプレーンは#1と#3がオーバーラップしますが、#1は閉じつつあり#3は開きつつありますから、この間圧力はほぼ一定です。V4の場合2倍ですが、オーバーラップはクロスプレーンと同様です。

　バウンスについては、カムのプロファイルをどんなにスムーズにしても、タペットクリアランスや部品のたわみがありますので、着座直後はタペットはカム山から離れてしまいます。MotoGPでは使用していませんが、ラッシュアジャスター(油圧でタペットクリアランスをゼロに保つ装置)を使ってもオイルは漏れますし、金属よりオイルは軟らかいので状況はあまり変わりません。デスモでもクリアランスやたわみはありますので、程度の差はあってもバウンスは起きているはずです。このあたりは、悩ましいいところです。

[20] mixiユーザー 04月15日 21:50

１万回転で低速ですか・・・さすがですね。
ちょうどモーターファンの最新号がレーシングエンジン特集で
毎日昼休みにじっくり読んでいます。

バイク用エンジンということで、もともと軽量な動弁系である上に中空バルブといった
軽量化技術を導入するから成立するのでしょうね。
それでもジャンプさせないだけで一苦労しそうです。

ところでバネ定数（スプリングレート）は一定が良いわけではありません。
バネの機能はまずはジャンプを抑えること。
ジャンプはバルブリフトカーブの負加速度（フルリフト近辺）のところで
動弁系の慣性力がばね荷重を上回るときに発生しますから
そのあたりの荷重が必要充分であればよいです。
セット荷重はポート圧力でバルブが開かなければＯＫです。
なるだけ下げてフリクションを下げます。
「摩擦仕事量∝バネ荷重×バルブ速度」でありまして
バルブ速度は低リフト側で大きいですから
ここのバネ荷重を下げるのは大事です。

バウンスはバルブの着座時にバウンドすることで
バウンス量が大きくなるとバルブ軸部が折れたり
バルブガイドが折れたりします。
バウンスを抑えるには先ずはジャンプさせないことです。
ジャンプしてバルブがランプ以降で着座すると
激しいバウンスを起こすからです。

ニューマチックはバネ荷重を高くできそうですから
サージングのみならずジャンプ防止にも効きそうですね。

[21] mixiユーザー 04月16日 00:22

アキピョンさん、早速の回答ありがとうございます。

＞バネ定数（スプリングレート）は一定が良いわけではありません。

　なるほどです。バネも奥が深いですね。私のようにサイクル論や燃焼(しかもシミュレーション)ばかりやっている者にとっては、バネについてはいわゆる教科書的理解しかありませんので、設計経験のある方のお話しはすこぶる勉強になります。
　教科書的には、バルブのリフト、スピード、加速度は図1のようになります。バルブスプリングはバルブに(開弁方向を正とすると)負の加速度(閉じようとする加速度)を与えるためにあると理解しています。だとすると、仰るようにフルリフト近辺はバネ荷重が最も必要になります。逆に低リフト時は、正の加速度になりますので、極端な話しバネ荷重は正(開弁方向)のほうがフリクションは小さくなります。けれども、ポート圧力がありますので、若干の負の荷重は必要でしょう。
　すなわち、低リフト時はポート圧力分の一定荷重、高リフト時はフルリフトを頂点とするSINカーブ(濃いブルーの線)が理想に近いということになりませんか？

[24] mixiユーザー 04月23日 08:47

＞21の続き
　※以前(4/16)のものは図1のコイルスプリングが間違っていましたので、訂正してアップしなおしました。

　21の図1に示す濃いブルーの線がベストかどうかは分かりませんが、図2に示すように取り合えずターゲットに設定します。
　コイルスプリングの場合、セット圧とレートを選ぶと、ピンクの線のような荷重を掛けることができます。ニュウマチックはセット圧と圧縮比を選ぶと、グリーンの線のような荷重を掛けることができます。セット圧・レート・圧縮比等の数値は適当ですが、ニュウマチックの圧縮比は3程度です。
　すなわちニュウマチックの場合、上のボリュームが十分大きければ、ターゲットに近い荷重を得ることができる可能性があります。

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