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、排気を行うためのバルブの開閉時期を表す言葉である。
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およびピストンのシリンダー内での位置に関連付けられ、決定されている。そのため、ピストンの上死点および下死点が開閉タイミングの一つの基準となる。
この項目では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) も併せて記述する。
概要.
直進運動を回転運動に変換するレシプロエンジンでは、混合気（直噴の場合には空気）を取り込み、圧縮し、燃焼させ、排気するという過程を繰り返す。このとき、燃焼室内と外界を隔てるための機構がバルブである。一般的な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バルブにはポペットバルブが用いられている。
上記がバルブの主な役目である。一般的な4ストロークエンジンの場合、クランクシャフトの1/2の回転数にて回転するカムシャフトが存在し、バルブはこのカムによって駆動される。
吸入効率・排気効率を高め、混合気の燃焼をスムーズに行わせるためには、バルブタイミングを回転数や負荷に応じて変える必要があり、これを実現したのが可変バルブ機構である。この機構には、バルブタイミングを段階的に変えるもの、連続的に変えるもの、さらにはバルブのリフト量を段階的に変えるもの、連続的に変えるもの、以上の複数を組み合わせたものなど、さまざまなバリエーションが提案されている。
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は1回のサイクルをクランクシャフトが2回転（720°）する間に行う。そのため、バルブタイミング図はIOからスタートして2回転するように読み取る必要があり、読み手にはやや複雑な解釈が求められる。
バルブオーバーラップ.
詳しくはバルブオーバーラップを参照。
シリンダーが排気行程から吸気行程に移行する際に、排気バルブ閉鎖の前に吸気バルブ開放が始まることで、吸排気バルブが同時に開き混合気の流入と排気ガスの流出が同時に起きる区間が発生する。これがバルブオーバーラップと呼ばれるものである。排気ガスが排気ポートに排出される際の負圧（排気パルス）の力を利用して、混合気をシリンダー内に引っ張り込んで充填効率を増すために、このような区間が設けられている。
一般的に排気ガスの力で過給機を回転させて強制的に混合気をシリンダー内に押し込むエンジンでは、過給圧で混合気が排気ポートへ押し出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めになっている。逆に過給機の圧力を利用出来ない自然吸気エンジンでは、排気パルスの力を最大限利用するため、バルブオーバーラップは大きめに取られることが多い。
作用角・リフト量の大きいハイカムを使用する事で高回転でも吸気量を確保する事で高出力を得られる。しかし作用角。リフト量が大きくなることで結果的にバルブオーバーラップ領域も拡大されるため、アイドリングや始動、発進が困難、軽負荷時の燃焼が不安定になるなどのデメリットも発生する。
2ストロークエンジンのポートタイミング.
2ストロークエンジンはクランクシャフトが1回転（360°）する間に1回のサイクルが完了する為、ポートタイミング図も4ストロークのように2回転追いかける必要はなく、単純に1回転で読み取ればよい。
なお2ストロークエンジンでは、ピストンの上下によってシリンダー内壁に設けられた掃気・排気ポートが開閉される構造上、ポートタイミング図では上死点と下死点を結んだ中心線に沿って、開閉タイミングが必ず左右対称となって図示されることが特徴として挙げられる。また、掃気によってシリンダー内の排気ガスと混合気の入れ替えが行われる関係上、4ストロークのバルブオーバーラップに相当する掃気区間が非常に大きい事も特徴である。
排気デバイスが装備されたエンジンの場合は、排気ポートのポートタイミングが回転域に応じて変化する。また、一部のエンジンでは特殊な掃気ポート形状により、掃気ポートタイミングを左右非対称としたものやイソ・イセッタのように掃気ポートのみのシリンダーを有した単気筒ダブルピストンなども存在する。
参考資料.
Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.