往復ピストン式内燃機関の吸気および排気をつかさどる弁機構は、機関の性能ならびに信頼性、耐久性を支配する最重要部分であり、古くよりその形式、設計、製作について多くの考案、研究による改良が重ねられてきた。その弁の形式としては、本論文にて扱うきのこ弁が圧倒的であり、一時試みられた回転弁、すべり弁などの他の形式のものは、種々の致命的欠点の故に、現在では全く顧みられていない。

　きのこ弁を駆動する方式に多数の方式があるが、本論文では最も一般的な方式である弁部を出来るだけ大きな通路面積をとって高性能を得るために弁をシリンダヘッドに配置した頭上弁式(overhead valve)を対象とする。

　弁がプッシュロッドおよびロッカーアームを介して駆動されるこの方式においては、カムと弁の間に多くの部品が介在し、それらの質量ならびに剛性が、特に高速回転において問題になり易い。

　高速での問題は、弁および弁機構各部が計画通りに、カムに追従するように、また異常なあるいは有害な振動、衝撃もしくはそれらに伴う騒音が発生せぬように計画するというものであるが、これは動力学問題の領域である。動力学問題であるが、これはさらに1.カム形状(プロフィル)の設計法 2.カムとフォロワ間の摩耗解析 3.弁機構 各部の動的挙動 4.弁ばねのサージング解析に分かれる。第3の問題は主として弁のカムへの追従性、応答性を如何に的確に予測もしくは評価するかであり、その追従性が損なわれると弁機構を構成する部品間の分離である弁のおどりが発生する。

　弁のおどりに伴う弁座への激しい衝突によって、弁破損という致命的な事故につながることになる。また、破損に至らなくても、弁および弁座の著しい摩耗あるいは猛烈な騒音が発生する。この意味で、この問題は弁機構の動力学的課題として最重要課題とされる。しかし、特におどりの発生する状態にまで深く追求した研究は少ない。

　本論文は、内燃機関の弁機構形式として最も一般的な頭上弁機構を対象として、動力学の問題、特に弁のおどりを如何に正確に評価、記述するかとの研究成果に関するものである。

　弁機構を構成する部品間の分離である弁のおどり現象の解明のため、1)おどり発生時の弁機構の振動特性2)おどり発生時の部品間の分離・跳躍現象の実体を重点に観察した。

　頭上弁機構だけをモータで駆動するリグ試験装置により、弁機構の振動を代表的に捉ええられるプッシュロッド荷重信号とその信号を高速フーリエ変換器を用いて分析するシステムを構築し、回転速度をパラメータにして、おどりが発生あるいは未発生の違いを明確にした。おどりが未発生のいわゆる通常状態ではプッシュロッド荷重は一定の固有振動数を持つ、カムの変位による振動状況を見せる。おどりが発生すると、プッシュロッド荷重は零近辺の変動を示すとともにフーリエ解析の結果では一個の鋭いピークを示す形状からピークが崩れる状況になる。

　頭上弁機構では分離・接触できる個所は4個所ある。おどりの発生状況での各部品の分離・接触状況を把握できるように、弁機構を他の試験装置から電気的に絶縁した。弁変位、プッシュロッド荷重の測定と同時に電気回路を2組から構成したシステムにより運転中の部品間の分離・接触を観察した。

　その結果、1)おどりはカムとフォロワ間で分離する現象である2)おどり状態では弁からフォロワまでの部品が連結して運動する 3)おどりは通常時の固有振動数より高高い振動数が現れる 4)おどっている時プッシュロッド荷重は小さい値で振動する

　さらに電気接点法の実験で得られたカム加速度ピーク位置で一見、電気的には分離し、カムとフォロワの分離と見られる結果はEHL理論を利用した考察より、カム加速度のピーク点では厚い油膜が形成されるためである。

　おどり時の固有振動数の考察を深めるべく、動的試験結果に対応して静的に通常およびおどり時を再現させた。その結果1)通常時の固有振動数は一定である2)おどり時の固有振動数は通常時より高い振動数に推移するが、振動数は一定でなくゆれることが観察された。

　上述の知見を踏まえて、最も基本的なところから弁機構のモデルを再考する。

　先ず、おどり状態での弁機構の固有振動数のゆれの原因として考えられえられる質量・ばね・減衰のゆれを個々の部品および部品間について調査し、その原因をばね定数のゆれと絞り込み、部品間での接触で接触面が弾性変形することと判断した。ヘルツ理論によりばね定数変化を導入し、振動数の変化を説明できた。結局、おどり状態では弁機構を構成する部品にかかる外力が小さな状態、いいかえれば各部品がばらばらに分かれる寸前の状態であるのでばね定数が柔らかい上に変化し、こういった振動数変化が起る。

　次に、従来の研究での弁周りの質量を中心とした1質量モデルという制約から離れ、複雑さをいとわず、専らおどり現象をより現象に忠実に記述できる手法、モデルについて考察する。しかし、離散系として扱うとは言え、むやみにモデルの質量数を増したのでは演算時間の増大を招き、取扱に不都合を生じ得ることは免れない。そこで、まず1質量モデルからの変更が最小限で済むように考案した2質量モデルを抽出する。

　この2質量モデルの通常状態はカムによる強制変位による振動とし、1質量モデルそのものである。おどり状態は1質量モデルでの弁回りの質量の他にフォロワ回り質量に自由度を与えた2質量での自由振動となるモデルである。通常状態とおどり状態への判定はルンゲ・クッタ法の積分のきざみ幅ごとにフォロワ荷重を算出し、その荷重が引張り荷重とはならないことを前提としている。2質量モデルでの計算値と実測値を比較したが、おどり発生回転速度は実験値と一致したが、おどり発生時期およびプッシュロッド荷重の算に不十分な面が残った。

　2質量モデルでのシミュレーションより精度を上げるために、本質的に2質量モデルではあるが、前節までの研究成果を採り入れて修飾した新しい2質量モデルおよび計算精度向上のため質量数を増した3,4質量モデルでの構築と実験値との対比を行う。また、4質量モデルは頭上弁機構の部品構成の特性を考慮して2種類を扱う。

　この結果、弁機構の振動の通常状態は良く表現される。おどりを起こす回転速度では、おどりの発生を予測できたが、おどりを起こした後、着カムするがそれらの微妙な振動までは表現できなかった。

　次に、ロッカー軸のたわみを考慮した5質量モデルを構築し、その評価を行ったが、ロッカー軸のたわみが影響するモードはおどり時の振動数の8倍に当たるので、それ以上このモデルを研究しないことにした。

　以上のモデリングでは、おどりの記述が未だ不十分との観点から、質量数をさらに増加させるとともに、前節で述べた部品間の接触状況の変化をばね定数の変化にとして取り入れたモデルをも含んだ5および6質量モデルを論ずる。

　5,6質量モデルでばね定数が一定のモデルとばね定数可変のモデルをそれぞれ構築し予測計算を行い、5,6質量モデルの中で、上記の部品の接触部の弾性変形を考慮する6質量モデル(V-6モデル)が通常状態は勿論、おどり状態の微妙な振動の振幅、および時期まで表現できる満足な結果が得られた。