クロスプレーン

クロスプレーンまたはクロスプレーンは、クランクスロー間の角度（クランク回転の位相）が90°であるピストンエンジンのクランクシャフト設計です。 ^[1]クロスプレーンクランクシャフトは、V8ロードカーで使用される最も一般的な構成です。^{[引用が必要]}

すでに述べた V8 以外にも、このような 90° ピストン位相を使用する構成の例としては、直列 2 気筒、直列 4 気筒、V2 気筒、V4 気筒エンジンなどがあります。

クロスプレーン クランクシャフトは、他の多くのシリンダー構成でも使用できますが、以下に説明する利点と欠点は、それらの一部またはすべてに当てはまるとは限らず、ケースバイケースで検討する必要があります。

90° V8 エンジン用の最も一般的なクロスプレーン クランクシャフトには4 つのクランクピンがあり、それぞれが反対側のバンクの 2 つのシリンダーに機能し、隣接するクランクピンから 90° オフセットされています。4 つのクランクピンのうち最初と最後のクランクピンは互いに 180° の角度にあり、2 番目と 3 番目のクランクピンも同様に互いに 90° の角度にあり、端から見るとクランクシャフトは十字形を形成します。

したがって、クランクピンは90° で交差する2 つの平面にあるため、クロスプレーンと呼ばれます。クロスプレーン V8 クランクシャフトには、8 スロー設計の場合、最大 9 個のメイン ベアリングがあり、通常は 5 個のベアリングがそれぞれ共有クランクピンで 4 スローをサポートします。

クロスプレーン設計は 1915 年に初めて提案され、キャデラックとピアレスによって開発されました。両社はクロスプレーン設計を導入する前にフラットプレーンV8 を製造していました。キャデラックは 1923 年に最初のクロスプレーンを導入し、ピアレスは 1924 年にそれに続きました。

クロスプレーン V8 は、フラットプレーン設計よりもスムーズなエンジンを実現するために開発されました。両バンクの 4 つのピストンが同一平面で同時に停止および始動するため、フラットプレーン設計に固有の 2 次力が積み重なり、大排気量エンジンでは顕著になります。クロスプレーン エンジンの各バンクには 4 つの異なるピストン位相があり、2 次自由力を完全に打ち消し、製造時の部品の質量の変動によるわずかな振動のみが残ります。

しかし、エンドクランクとミドルクランクのスローが180°の配置になっているため、主要な（クランク速度の）ロッキングカップルが発生します。90°Vの場合、Vツインのようにクランクシャフトに適切な重量を加えることでこれを打ち消すことができます。^[2]他のV角では、通常、スムーズさを保つために バランサーシャフトが 必要です。

各クランクスローに重いカウンターウェイトが付いているため、ほとんどのクロスプレーン V8 は非常に重いクランクシャフトを持ち、フラットプレーンの同等品ほど自由に回転しません。初期のクライスラー ヘミ V8には重いカウンターウェイトがありましたが、センター メイン ベアリング (5 つのメインのうち 3 つ目) の両側の中央の 2 つの位置にはカウンターウェイトがありませんでした。これらの位置はエンジンの中心に近いため、揺れを抑える効果は小さくなります。そのため、外部のバランス ウェイト (クランク ノーズ プーリーなど) が使用され、同じバランス効果を得るために必要な余分な質量が少なくなります。

残念ながら、各バンクの不均一な点火 (下記参照) と 90° ピストン位相自体が、クランクシャフトのねじれに寄与し、それが顕著になることがあります。このため、クロスプレーン V8 には、通常、クランクシャフトの自由端に調整されたマスダンパーが取り付けられています。後年、最初のインディ、そしてその後の F1 エンジン開発者は、フラットプレーンクランク V8 の高回転ポテンシャルに注目しました。最初の高回転フラットプレーンクランクエンジンは、ミシガン州ノバイでバド ウィンフィールドによって開発され、1941 年にウィンフィールド スペシャルとしてインディでレースに出場しました。このエンジンは後にノヴィエンジンとして知られるようになり、1962年までインディでレースに使用されました。F1では、1962年にコベントリークライマックスが高回転フラットプレーンエンジンを採用し、1963年に Mk.III FWMVに採用しました。BRMもほぼ同じ時期に同じ切り替えを行い、1964年のP261 F1カーに引き継がれました。

4 ストローク クロスプレーン V8 エンジンは、点火間隔が 90 度で均一ですが、各シリンダーバンク内の点火パターンは不均一です。

左バンクと右バンクの点火順序は、通常、L R LL R L RR または R L RR L R LLで、各「L」または「R」点火は 90° クランク回転で分離され、合計 720° の点火が 8 回行われます。各「L」または「R」の右側の 4 つの文字を数えるとわかるように (4 x 90° = 360°)、360° の位相差で点火 (つまり排気) するシリンダーは、クロスプレーン V8 の反対側のバンクにあります。

各バンクの実際の間隔は、180-90-180-270 クランクシャフト度で、エンジンに応じてさまざまな順序があり、通常、各バンクで同じ順序ではありません。正確な組み合わせは、クランクシャフトの「利き手」、回転方向、および 360° ペアのどれが最初に点火されるかによって異なります。

クロスプレーン V8 の特徴的な「ゴボゴボ音」は、排気マニホールドの設計から生まれます。このマニホールドは、便宜上、通常、4 つのシリンダーの各バンクにある 4 つの排気ポートすべてを 1 つの出口に統合します。これにより、上記のパターンが強調され、交互に繰り返される連続間隔と長いギャップを模倣して、「ポテト ポテト」と呼ばれることもあります。

エンジンの特定の点火順序と排気構成により、愛好家には気づかれないほどの微妙な変化が生じる可能性があります。

排気パルスを注意深くグループ化することで他の音も可能になりますが、パッケージング（スペース）要件により、一般に道路走行用マシンではこれが実現不可能になります。

点火ペアも反対側のバンクに配置されているため、これらのペアを結合して均一な掃気を実現するためには、長い等長排気管が必要であることを思い出してください。^[3]

クロスプレーン V8 用のこのような調整された排気装置の最も初期の例の 1 つは、1960 年代初頭の 1.5 リッターコベントリー クライマックス FWMV Mk.I および Mk.IIエンジンに取り付けられたものでした。ただし、これらはエンジン自体のメンテナンスの妨げになることが知られていました。

多くのレース用クロスプレーンV8エンジン（インディレース用のフォード4.2L DOHC V8など）には、排気管の長さを短くし、パッケージングの問題を引き起こすことなく合流を容易にするために、Vアングルの内側に排気ポートがありました。^[4] フォードGT40は、長い排気管を巧みに配置した「蛇の束」というニックネームで知られる量産ベースのV8のコンセプトを有名にしました。このようなシステムは、フラットプレーンV8と同様に、各ブランチに集められた180°間隔を指して、「180度ヘッダー」と呼ばれることもあります。

これに先立ち、一直線の個別の「スタックパイプ」または「ズーミー」が、不均一な排気パルス干渉による掃気への悪影響を避けるために時々使用されていました（例：BRM ^[5]）。これは、上記のように、合流によるプラスの抽出効果の恩恵を受けられないという代償を払ってのことでした。その後も、多くの場合、パフォーマンスの不足は受け入れられ、利便性のためにバンクごとに通常の4-into-1システムが採用されました。ギャップの一部は、NASCARやV8スーパーカーで使用されるパフォーマンス重視の4-into-2-into-1、または「Tri-Y」排気装置で埋めることができます。^[6]

V8 とは異なり、直列 4 気筒エンジンのクロスプレーン配置では、点火パターンが不均一に分散されるため、使用は極端に高回転のエンジンに限定される傾向があります。このようなエンジンでは、二次不均衡が少ないという利点が、不均一な点火間隔の欠点を上回ります。ピストンが別々のバンクに互いに 90° で配置されていないこの設計では、往復質量と回転質量の平面不均衡から生じる揺れ振動の欠点に対抗するためにバランス シャフトが必要です。詳細については、エンジン バランスの記事を参照してください。

2009ヤマハ YZF-R1バイクは、クロスプレーン クランクシャフトを使用し、クランク速度バランス シャフトを採用して、上記の固有のロッキング振動 (プライマリ ロッキング カップル) に対抗します。

これはヤマハのM1 MotoGPレーシングモデルに触発されたもので、これらのエンジンの超高回転動作で大きな慣性トルクの利点があるため、今日までクロスプレーンクランクを使用し続けています。ヤマハは、金属鍛造技術の進歩により、これが実用的な量産スポーツバイクになったと主張しています。^[7]

1968 年から民間の URS レーシング チームによってオートバイおよびサイドカー レースで比較的成功を収めた、いわゆるFath - Kuhn 直列 4 気筒エンジンもクロスプレーン タイプでした。これは、V8 や上記のヤマハで通常使用される構成とは異なり、2 つのスローが入れ替わっています。つまり、スローは、より一般的な 0、90、270、180 度ではなく、絶対角度 0、90、180、270 度であると説明できます。これにより、一次ロッキング カップルはわずかに減少しますが、はるかに小さい大きさの高次カップルが発生します。

このエンジンは高回転型で、慣性力はエンジン速度の2乗に比例するため、ピストンが加速される（スタート・ストップ動作）ため、クランクスローが90°離れていることで生じる慣性ねじれの影響を軽減するために、異なるレイアウトが主に選択された。ねじれの軽減は、クランクを2つの別々の部分に分割し、それぞれの中間点からカウンターシャフトを介して一緒にギアリングすることで実現され、そこから動力がギアボックスに伝達された。^[8]

クランク内のこの慣性ねじれが、ヤマハがクランク鍛造の改善をクロスプレーンクランクがロードバイクで実現可能な理由として挙げている理由である可能性が高い。V8 では、各ストロークがすでに 90° オフセットされた 2 つのピストンによって共有されるため、この問題はそれほど大きくない。

4 ストローク、4 気筒エンジンで使用されるクロスプレーン クランクシャフトは、このようなエンジンでは点火イベントの自然な間隔が (720°/4 =) 180° であるため、不均一な点火を引き起こします (そのため、180° フラットプレーン クランクが人気です)。クロスプレーン R1 および URS エンジンの点火間隔 (点火イベント間のスペース) は 90-180-270-180 (クランク角度) ですが、いわゆるビッグバン点火順序による間隔など、他の間隔も可能です。不均一な点火がこの構成の独特の音の原因であり、表面的には 270-450 (90° V ツイン)、180-540 (180° ストレート ツイン)、および 90-630 (「ツイングル」 V ツイン) 間隔の組み合わせであり、知覚的に支配的な間隔は 270° 間隔です。

90°のストローク分離により、クロスプレーンクランクは2ストローク直列4気筒エンジンの自然な選択となり、等間隔の点火と、増加したロッキング振動をクランク速度バランスシャフトで打ち消す際の二次振動の減少という両方の利点が得られます。

直列 2 気筒のオートバイ エンジン (別名「並列 2 気筒」および「垂直 2 気筒」) には、歴史的に 2 つのタイプがありましたが、どちらも「クロス プレーン」ではありませんでした。ピストンが連動して動く 360° クランクと、ピストンが逆位相で動く 180° クランクです。

エドワード・ターナーのトライアンフ・スピードツインに始まり、ほとんどのクラシックな英国製4ストロークロードスター（トライアンフ、BSA、ノートン、ロイヤルエンフィールドなど）は360°クランクを使用していましたが、1960年代にホンダは450ccの「ブラックボンバー」やCB500TなどのOHC4ストローク並列ツインに180°クランクを採用しました。小排気量のバイクでは、バランスシャフトがなくても揺れは許容範囲で、特にバランスシャフトのない同サイズの360°ツインと比べると許容範囲でした。400ccのドリーム/ホークCB250/400Tは4気筒CB400Fに取って代わり、よりスムーズな接近走行を実現するためにバランスシャフト付きの360°ツインを採用しました。360°クランクの均一な点火は、不均一な180°クランクよりも明らかにスムーズでした。^[要出典]

1995年にヤマハはTRX850に270°クランクシャフトを装着し、1996年にはTDM850 MK2にバランスシャフトを装着して、結果として生じる自由力とロッキングカップルの組み合わせに対抗しました。270°クランクは、360°クランクよりも自由力が小さく（180°クランクよりははるかに大きい）、180°クランクよりもロッキングカップルが小さくなります（360°クランクにはそのようなカップルはありません）。点火は90°Vツインと同じくらい不均一でしたが、270°クランクは180°ほど不均一ではありませんでした。270°構成は成功した妥協案であり、ホンダのNC700と2016アフリカツイン、ヒンクリートライアンフのスクランブラーおよびサンダーバードクルーザー、ヤマハのMT-07 / FZ-07、その他多くの車に採用されています。

カスタマイズエンジニアの中には、英国製とヤマハ製のXS650パラレルツインバイクを277°エンジンに 改造し、クロスプレーンクランクシャフト（別名オフセットクランクシャフトまたはリフェーズドクランクシャフト）に近いものにして、純正の360°垂直ツインの振動を減らすことに成功した人もいます。^[9] このように改造されたエンジンには追加のバランス調整システムは施されていませんが、ピストンが同時に静止することはないため、回転運動量をそれほど蓄積する必要はなく、単純にピストン間で直接（クランクシャフトを介して）伝達されるので、フライホイールを軽量化できます。これは、フィル・アーヴィングの以前の研究に触発されたようです。

これはヤマハのクロスプレーン4気筒エンジンの原理に似ており、2つのシリンダーを追加することで、ストロークの上部と下部のピストン運動の非対称性を考慮し、^[10]回転運動量の変化によって引き起こされる慣性トルクを大幅に低減します。

2ストローク並列2気筒エンジンでは、180°クランク構成がほぼ普遍的に採用されており、1回転で2回のパワーストロークが得られます。例としては、598ccのスコット・スクワレルや498ccのスズキT500などのかなり大容量のバイクが挙げられます。^[11] 360°クランクシャフトを備えた2つの例外は、ヤンキーと軍用版のジャワ350です。

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