カムエンジン

カムエンジンは往復動エンジンの一種で、従来のクランクシャフトの代わりにピストンがカムに力を伝え、カムが回転する。エンジンの出力はこのカムによって行われる。^[1]

カムエンジンのバリエーションであるスワッシュプレートエンジン（ワブルプレートエンジンとも密接に関連している）は、一時的に人気がありました。^[2]

カムエンジンは一般に内燃機関と考えられていますが、油圧モーターや空気圧モーターとしても使用されています。油圧モーター、特にスワッシュプレート形式は広く使用され、成功を収めています。しかし、内燃機関はほとんど知られていません。

カム エンジンの歴史は、特に 19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけてのエンジンの発展と関係があります。エンジニアや発明家は、エンジンの性能を向上させるためにさまざまな機械設計を研究しました。記録に残る最も古いカム エンジンのコンセプトの 1 つは、19 世紀の産業革命の時代にまで遡ります。

1862年、4ストロークエンジンの発明者とされるアルフォンス・ボー・ド・ロシャスというフランスの技術者も、エンジンにカムを使用することを研究しました。彼の研究は、その後の内燃機関の発展の基礎を築きました。^[3]もう一人の著名な人物は、ヴァンケルロータリーエンジンの発明で知られるドイツ人技術者フェリックス・ヴァンケルです。ヴァンケルの型破りなエンジン設計に関する研究には、カムベースのメカニズムの実験も含まれていましたが、ロータリーエンジンの方が有名になりました。^[4]

20世紀初頭には、さまざまなカムエンジン設計に関する特許が数多く申請されました。これらの設計は、航空および産業用途で特に重要でした。第一次世界大戦と第二次世界大戦中は、代替エンジン設計に大きな関心が寄せられました。これらの設計は、パワーウェイトレシオ、耐久性、燃費の点で利点をもたらす可能性があります。しかし、カムエンジンは広く使用されることはありませんでした。これは主に、設計の複雑さと、カムとフォロワー機構の耐久性の問題が原因でした。^[5]

カム エンジンの機械設計は、従来のクランクシャフト駆動の内燃エンジンとは異なります。エンジンの設計では、クランクシャフトの代わりにカム機構が使用されています。これにより、パフォーマンスを最適化するための独自の課題と機会が生まれます。

カム機構はカム エンジンの心臓部です。この機構は重要な役割を果たします。ピストンの直線運動を回転運動に変換します。このタスクは、従来のエンジンではクランクシャフトによって伝統的に処理されます。カムは回転またはスライドするコンポーネントです。これは機械的リンク機構の一部です。カムは、直接接触することでフォロワーに所望の動作を伝えます。カム エンジンの場合、カムは通常、回転ディスクまたはシリンダーとして設計されます。カムには特別な形状のプロファイルがあります。このプロファイルはピストンと相互作用します。カムのプロファイルは慎重に設計されています。カムはピストンのタイミングと動きを制御します。ピストンはエンジンのシリンダー内で往復運動します。カムが回転すると、そのプロファイルがカム フォロワーを押します。カム フォロワーはカムの表面に乗ります。これにより、フォロワーが上下に動きます。この動きはピストンに伝達されます。これにより、ピストンが往復運動します。カムの形状は、ピストンのストロークの長さ、タイミング、速度を決定します。これらの要素は、エンジンの性能特性に直接影響します。カムエンジンでは、カムは駆動機構（通常はシャフト）に接続されています。このシャフトはカムを特定の速度で回転させます。カムの回転は、エンジンの燃焼サイクルと同期しています。これにより、ピストンが燃焼プロセスからのエネルギーを使用する正しい位置にあることが保証されます。カム機構の慎重な設計と同期は、エンジンの効率的な動作に不可欠です。少しでもずれがあると、パフォーマンスの問題や機械的な故障につながる可能性があります。^[6]

カム プロファイルの設計は、カム エンジンにとって非常に重要です。カム プロファイルは、トルク、出力、効率などのエンジンのパフォーマンスに直接影響します。カム設計にはいくつかの種類があり、それぞれに独自の利点と課題があります。

1. フラットカム:

設計: フラットカム (プレートカムとも呼ばれる) は、表面が平らです。表面のエッジには輪郭があります。エッジの輪郭によってカムフォロワーの動きが決まります。これにより、ピストンの動きが決まります。

パフォーマンスへの影響：フラットカムは設計と製造が容易です。そのため、初期のカムエンジン実験ではよく選ばれています。しかし、制限もあります。複雑な動作プロファイルを生成できないため、エンジンの効率と出力が制限される可能性があります。^[7]

設計:円錐カムは、カム フォロアと相互作用する先細りの円錐形の表面を備えています。円錐の半径の変化がフォロアの動きに影響します。これにより、複雑な動きのプロファイルを作成できます。

性能への影響：円錐カムは高度に特殊化された動作プロファイルを生成することができます。これらのプロファイルは、特定の用途に合わせてエンジンの性能を最適化できます。しかし、設計の複雑さと製造に求められる精度により、実際に実装するのは困難です。^[8]

設計: バレルカムは円筒カムのバリエーションである樽型の表面を持っています。カムフォロアは曲面上のトラックまたは溝に沿って動きます。これにより、回転運動が直線運動に変換されます。

パフォーマンスへの影響：バレルカムは円筒カムと同様にピストンの動きを高度に制御できます。その設計により、サイクルの特定のポイントでエンジンのトルク出力を高めることができる動作プロファイルを作成できます。^[9]

カムエンジンの中には、4ストロークではなく2ストロークエンジンもあります。2ストロークエンジンでは、ピストンにかかる力はサイクル全体にわたって均一に下向きに作用します。4ストロークエンジンでは、これらの力は周期的に反転します。吸気段階では、ピストンは減少した吸気低下に逆らって上向きに押し上げられます。単純なカム機構は一方向の力でのみ機能します。最初のミシェルエンジンでは、カムには2つの表面があり、動作中にピストンが動作する主な表面と、エンジン始動時にピストンの位置を制限するデスモドロミック動作を行う内側の別のリングでした。 ^[10]

通常、複数のシリンダーの場合でも、必要なカムは 1 つだけです。したがって、ほとんどのカム エンジンは、対向ツインエンジンまたは星型エンジンでした。ミシェル エンジンの初期バージョンは、固定クランクの周りをシリンダーが回転する星型エンジンの一種であるロータリー エンジンでした。

1. クランク システムは、回転反力または回転力で相互の力または動作を減衰させることができないため、完全なバランスで動的にバランスをとることは不可能です。
2. より理想的な燃焼ダイナミクスとして、「理想的なICエンジン」のPV図を見ると、理想的な燃焼イベントは多かれ少なかれ「定容積イベント」であるべきであることがわかります。^[11]

クランクによって生じる短い滞留時間では、燃焼イベントが発生する容積はほぼ一定にはなりません。クランク システムは、TDC の 6° 手前で大きな機械的利点に達し、その後 45° から 50° で最大の利点に達します。これにより、燃焼時間は 60° 未満に制限されます。また、急速に下降するピストンは炎の前面の前の圧力を下げ、燃焼時間を短縮します。これは、低圧下で燃焼する時間が短くなることを意味します。この力学により、すべてのクランク エンジンで、かなりの量の燃料が、そのパワーを引き出せるピストンの上ではなく、熱のみを生成する触​​媒コンバータで燃焼されます。

現代のカムは、遅延機械的利点を持つように コンピュータ数値制御(CNC) 技術を使用して製造できます。

最新のカムエンジンのその他の利点は次のとおりです。

• 理想的なピストンダイナミクス
• 内部摩擦の低減
• よりクリーンな排気
• 燃料消費量の低減
• 寿命が延びる
• 1キログラムあたりの出力が増加
• コンパクトなモジュール設計により、より優れた車両設計が可能
• 部品が少なく、製造コストが低い

米国政府による徹底的なテストを経て、フェアチャイルド モデル 447-C ラジアルカム エンジンは、商務省から初めて型式承認を受ける栄誉に輝きました。航空機のクランク エンジンの寿命が 30 ～ 50 時間だった当時、モデル 447-C は当時生産されていたどの航空機エンジンよりもはるかに頑丈でした。^[12] しかし、CNC 以前の時代ではカム プロファイルが非常に悪く、当時の木製プロペラや木、ワイヤー、布製の機体には振動が大きすぎました。

利点の1つは、ベアリングの表面積をクランクシャフトよりも大きくできることです。ベアリング材料の開発初期には、これによりベアリング圧力が低減され、信頼性が向上しました。比較的成功したスワッシュプレートカムエンジンは、ベアリングの専門家であるジョージ・ミッシェルによって開発されました。彼はスリッパーパッドスラストブロックも開発しました。^{[2] [13]}

ミシェルエンジン（無関係）はローラーカムフォロワーから始まりましたが、開発中にプレーンベアリングフォロワーに切り替えられました。^{[14] [15]}

クランクシャフトとは異なり、カムは 1 回転あたり複数のストロークを簡単に持つことができます。これにより、1 回転あたり複数のピストン ストロークが可能になります。航空機での使用では、これはプロペラ速度低減ユニットを使用する代わりに使用されました。つまり、エンジン速度を上げてパワー対重量比を改善し、プロペラ速度を下げて効率的なプロペラを実現します。実際には、カム エンジン設計は、従来のエンジンとギアボックスを組み合わせたものよりも軽量です。

わずかながら成功した唯一の内燃カムエンジンはスワッシュプレートエンジンでした。^[2]これらはほぼすべて軸流エンジンであり、シリンダーは1つまたは2つのリングでエンジン軸と平行に配置されています。このようなエンジンの目的は通常、この軸流または「バレル」レイアウトを実現し、非常にコンパクトな前面領域を持つエンジンを作ることです。バレルエンジンを航空機エンジンとして使用する計画がかつてありました。前面領域が小さいため、機体が小さくなり、抗力が低くなります。

スワッシュプレートエンジンに似たエンジンに、ウォブルプレートエンジンがあります。これは、ナットエーターまたはZクランクドライブとも呼ばれます。これは、スワッシュプレートのように回転するのではなく、純粋にナット運動するベアリングを使用します。ウォブルプレートは、回転ベアリングによって出力軸から分離されています。^[2]ウォブルプレートエンジンは、したがってカムエンジンではありません。

ランドカムエンジンなど、カムに依存するピストンレスエンジンのほとんどは、シーリングベーンの動きを制御するためにカム機構を使用しています。これらのベーンに対する燃焼圧力により、カムとは別のベーンキャリアが回転します。ランドエンジンでは、カムシャフトがベーンを動かし、エンジンの回転に応じてベーンの露出長さが変化し、変化する容積の燃焼室を囲みます。 ^[16]この膨張を引き起こすためにエンジンを回転させるときに行われる仕事は、エンジンによって行われる熱力学的仕事であり、エンジンを回転させる原因となります。

• クランクレスエンジンの種類に関するコメント（レポート）。NACA 技術メモ。第 462 巻。ワシントン DC: NACA。1928年 5 月。