半球形燃焼室

半球形の燃焼室。エンジンのボア径に対して、最大の吸気バルブと排気バルブを備えています。

半球形燃焼室は、内燃機関のシリンダーヘッドにある、ドーム型の「半球形」の燃焼室です。このタイプの半球形室を備えたエンジンは、ヘミエンジンとして知られています。実際には、完全な半球形よりも小さい形状が一般的に採用されており、真の半球形プロファイルのバリエーション (または部分的なファセット) も採用されています。このような形状の主な利点は、圧縮率の向上 (出力の向上につながる) と非常に大きな吸気バルブと排気バルブ (吸気ガスと排気ガスの流れが改善され、容積効率が向上し、出力が向上する) です。主な欠点は、バルブトレインが複雑になること (バルブがヘッド内で互いに反対側に配置されるため) と費用 (ヘッドとピストンの機械加工、および追加のバルブトレインコンポーネント) です。

半球形の燃焼室は 2000 年代でもまだ見られますが、マルチバルブ配置 (シリンダーあたり 4 個、さらには 5 個のバルブ) とオーバーヘッドカム(ダブルオーバーヘッドカムを含む) 配置の人気により、「ヘミヘッド」を採用する際の従来のトレードオフが変化しました。

歴史

半球形の燃焼室は、内燃機関の実現可能性が初めて実証されてから間もなく、最も初期の自動車エンジンのいくつかに導入されました。その名前は、シリンダーヘッドのドーム型の凹部と、それに対応する形状のピストン上部が、球の半分に近い空間( hemi- + -sphere + -ical ) を囲んでいることに由来していますが、実際には、囲まれた空間は一般に半分未満です。

半球形のシリンダーヘッドは、少なくとも1901年から使用されており、^[1] 1905年にベルギーの自動車メーカーであるパイプが使用し、^{[2] 1907年に}フィアット130 HPグランプリレーサーが使用しました。^[3] 1912年のプジョーグランプリカーと1914年のアルファロメオグランプリカーはどちらも4バルブエンジンであり、ダイムラーとライリーも当時半球形の燃焼室を使用していました。 1912年から、スタッツは4バルブエンジンを使用し、^[4]概念的には現代の自動車エンジンを先取りしていました。他の例としては、 BMWダブルプッシュロッド設計（ブリストルカーが採用）、プジョー403、トヨタTエンジンとトヨタVエンジン（トヨタ初のV8エンジン）、ミラーレーシングエンジン、ジャガーXKエンジンなどがあります。^[5]

技術と実装

半球形のヘッド(「ヘミヘッド」) は、ヘッドへの熱損失を最小限に抑えた効率的な燃焼室を提供し、2 つの大型バルブを可能にします。ただし、4 つのバルブ用のバルブギアを異なる角度に配置することが難しいため、通常、ヘミヘッドでは 1 気筒あたり 2 個以上のバルブは許可されません。また、これらの大型バルブは、同様のバルブ面積を持つマルチバルブエンジンのバルブよりも必然的に重くなり、一般に、より大きなバルブリフトが必要になります。吸気バルブと排気バルブは、チャンバーの反対側にあるため、「クロスフロー」ヘッド設計が必要です。燃焼室は実質的に半球であるため、より小さなチャンバーを使用しない限り、平らな上部のピストンでは圧縮比が低くなります。

半球形チャンバーを採用したエンジンの商品化における大きな課題は、バルブ作動の設計と、それをいかにして許容できるコストで効果的、効率的、かつ信頼できるものにするかということであった。^[2]通常、そのためには、吸気バルブと排気バルブを作動させるために、デュアルロッカーシステムかデュアルカムシャフトのいずれかの使用が必要となる。複雑さは、クライスラーが1950年代に半球形エンジンを開発していた初期から言及されており、ヘッドは会社の広告でダブルロッカーヘッドと呼ばれていた。^[2] 1980年代のフォードのCVH（複合バルブ半球形）エンジンは、バルブ角度の複雑な形状と、カムインヘッド構成を組み合わせて、半球形に配置されたバルブを1本のカムシャフトで作動させ、ロッカーシャフトを2本必要としないことで、この問題を解決した。

利点と欠点

ウェッジヘッド設計ではバルブの作動が簡素化されますが、通常は、バルブをチャンバー内に並列に配置し、ステム軸を平行にすることでこれを実現します。これにより、シリンダーあたり 2 つのバルブ配置で、バルブヘッドの直径の合計がシリンダーのボアを超えないように制限され、チャンバーへの吸気と排気の流れを制限できます。バルブステムの角度が広がった半球形のチャンバーでは、この制限は角度によって増加し、オーバーヘッドバルブ構成内でバルブの合計直径サイズがボアサイズを超える可能性があります。別の方法については、 IOE エンジンを参照してください。

また、バルブ角度が広がると、バルブシート面が傾き、シリンダーヘッドから出るポートへの吸気と排気の流路がより直線的になります。エンジニアは、バルブサイズを大きくしてポートを直線的にすると、高回転での最大出力を上げるのに効果的ですが、吸気流の速度が遅くなり、通常の回転数範囲では排出量、効率、出力の点で最適な燃焼イベントが得られないことを知りました。

ドーム型ピストンは、一般的に、より高い機械的圧縮比を維持するために使用されますが、これにより炎の伝播距離が長くなる傾向があり、シリンダーあたりのスパークプラグの数を増やさない限り、効率的な燃焼にも悪影響を及ぼします。

炎の温度は非常に高く、NOx排出量が過剰になるため、現代の基準を満たすには排気ガス再循環やその他の排出制御対策が必要になる場合があります。半球形チャンバーのその他の欠点には、製造コストの増加と相対重量の増大（クライスラーのエンジニアによると、同等のウェッジヘッドよりも25％重い^[6]）があります。これらの欠点により、現代ではヘミヘッドは人気がなくなりましたが、クライスラーが2003年に再設計して人気が高まりました。

使用

アルファロメオ

アルファロメオは、長年にわたって成功を収めているヘミヘッドエンジンを生産してきました。おそらく最も愛されている例の1つは、ジュゼッペ・ブッソのオリジナルの2.5リッターV6で、これは史上最も優れた、最も特徴的な音のする量産エンジンの1つ（後の24v形式でさえ）として引用されています。^[7]この賞賛の一部は、オリジナルの2バルブエンジンの半球形ヘッドにより、ほぼ完全にまっすぐな排気ポートが可能になり、エンジン音が薄れたり濁ったりすることが少なくなり、アルファロメオが独特で愛されているレース育ちのエンジン音をほとんど失うことなく、より静かな標準の排気装置を使用できたためであると考えられます。

アストンマーティン

アストンマーティンのDOHC V8 は、1960 年代後半から 1980 年代後半にかけて半球形のチャンバーを使用していました。4 つのカムのそれぞれが、シリンダーバンクごとに 1 セットのバルブを制御しました。アストンマーティン V8 5.3 L (5340 cc/325 in ³ ) は、総出力 315 hp (235 kW) を出力しました。

BMW

BMW は、応答性が高く耐久性に優れた SOHC ヘミヘッド直列 4 気筒M10エンジンの強みにより、世界的なブランドになりました。最も有名なのは、1960 年代と 1970 年代の2002スポーツセダンに搭載された 2 L (122 立方インチ) 排気量のエンジンです。

クライスラー

おそらく、半球形チャンバー設計の最も広く知られている提唱者はクライスラー社でしょう。クライスラーは、主に「ヘミ」という名前を商標登録し、1960年代から広告キャンペーンで広く使用することで知られるようになりました。クライスラーは、1950年代のクライスラーファイアパワーエンジン、1964年にNASCAR向けに開発され、1970年代初頭まで生産された426ヘミ、そして2003年から2024年までの「新しいヘミ」という3世代のエンジンを生産してきました。クライスラー「ヘミ」エンジンの最新の表現は、真の半球形ヘッドよりも燃焼効率を向上させるために、偏球体（平らな球）の一部をヘッド形状に使用しています。^[8]

フォード

1964年、フォードは「427 SOHC「カマー」」として知られる、 FEベースのシングルオーバーヘッドカム425立方インチのヘミV8を生産した。レースで使用するために90日間の集中的なエンジニアリング努力で設計されたが、 ^[9]フォードの量産車には登場せず、フォードの部品カウンターでオプションエンジンとして販売された。^[10]当時のダイナモメーターの結果によると、SOHCヘミはクレートフォーム（1リットルあたり100馬力）でほぼ700馬力（522kW）を生成した。^[11]^[^疑わしい^-^議論する^]サイドオイラーエンジンブロックを改造して、ブロック内カムをディストリビューターとオイルポンプを駆動するアイドラーシャフトに置き換え、オーバーヘッドカムシャフトの他の問題に対処した。^[9]オーバーヘッドカムにより、プッシュロッドと重く複雑なバルブトレインを備えたクライスラーヘミほど回転数制限がなかった。^[12]

その出力と、クライスラーがNASCARの責任者ビル・フランスにDOHC 426ヘミの開発中である旨を伝えていたことから、このエンジンはNASCARレースでは禁止されたが、特定のドラッグレースクラスでは許可された。^{[疑わしい–議論する]}

フォードの後期の半球形チャンバーを採用したエンジン設計にはカリオペがあり、これは2つのインブロックカムを上下に配置して、半球形チャンバーごとに3つのバルブを駆動するものでした。^{[13]上部カムシャフトからバルブを作動させるプッシュロッドはほぼ水平でした。1968年、フォードは半球形チャンバーの改良}型セミヘミ^[^明確化^]形式を採用したまったく新しい385シリーズエンジンファミリーを発表しました。^[14]

1970年代、フォードは燃費に対する懸念の高まりに対応するため、半球形のヘッドを備えた小型ブロック「ウィンザー」エンジン [ 要出典 ] を設計、製造しました^。残念ながら、^当時^として^は^先進^的な層状チャージチャンバーに燃料を供給する直接燃料噴射システムを使用しても^[15]^[16]、半球形の排出ガスは規制に準拠できるほどクリーンではありませんでした。これに加えて、バルブ作動システムのコスト、燃料を直接チャンバーに送るために必要な高圧ポンプ、およびポンプを駆動するために必要なギルマーベルト駆動システムのコストにより、当時はそれ以上の開発は無意味でした。

1980 年代の 4 気筒フォード車のほとんどは、フォード CVH エンジンを使用していました。「CVH」は、複合バルブ、半球形 (燃焼室) を意味します。1986 年以降、このエンジンのシリンダーヘッドはハート型の希薄燃焼燃焼室に作り直され、マルチポイント燃料噴射のメリットがない低性能モデル (ヨーロッパでは 1.4、1.6、1.8 ですが、口語的には依然として CVH と呼ばれていました) で使用されました。

ジャガー

1949年に導入されたヘミヘッドのジャガーXKエンジンは、ル・マンで優勝したDタイプからXJ6までさまざまな車に搭載されました。^[17]

ランボルギーニ

1963年に設計され、50年以上にわたって生産されたランボルギーニV12は、半球形のチャンバーを使用していました。

ランチア

ランチアV4エンジンとランチア V6エンジンはどちらも半球形の燃焼室を採用していました。

蓮

ロータスは、ロータス・フォード・ツインカムのように半球形のチャンバーを使用しています。

メルセデスベンツ

半球形のチャンバーは1980年に導入されたM102エンジンの特徴であり、クロスフローヘッド設計と相まって、置き換えたM115エンジンよりも高い効率を実現しました。 ^[18]

MG

MGAツインカムは、 1958 年から 1960 年にかけてのプッシュロッド MGA 1600 MkI MG MGAラインの派生型でした。オリジナルのプッシュロッド 1588 cc 鋳鉄ブロックに、鋳造アルミニウムのツインカム 2 バルブシリンダーヘッドが取り付けられていました。初期バージョンは、早期点火 (デトネーション) とオイル損失により、ストリートでも競技でも壊れやすいことが判明し、ピストンの再設計により圧縮比が 9.1 から 8.3 に低下しました。これは成功したアップデートでしたが、売上が急速に落ち込んだため、同社はツインカムの生産を中止し、MGA 1600 MkI および MkII DeLuxe モデルとして知られるプッシュロッドエンジンを搭載した一部の MGA に一致するシャーシを使用しました。

三菱

三菱は、「オリオン」、「アストロン」、「サターン」ユニットを含むいくつかのヘミエンジンを製造しました。

日産

日産のZ、VG (SOHC バージョンのみ)、DOHC VQエンジンは半球形の燃焼室を使用しています。Z と VG は真の半球形ですが、VQ は複合ペントルーフ形状を使用しています。

ポルシェ

ポルシェは、1963年から1999年までのポルシェ911モデルに搭載された空冷水平対向6気筒エンジンを含め、ヘミヘッドエンジンを広く採用してきました。1973年の2.7Lバージョンは、自然吸気ピストン排気量1リットルあたり56馬力を発生しました。^[19]

トヨタ

トヨタのV 型エンジンファミリーは、 1960 年代から 1990 年代にかけて名高いトヨタセンチュリーで使用されていた縦置きV8 エンジンです。トヨタはヤマハと共同で、日本製初のフルアルミ合金ブロックエンジンを製造しました。V 型エンジンファミリーは、エンジン設計の大部分が完全に異なるにもかかわらず、シリンダーヘッドの設計がクライスラーの Hemi に似ていることから、トヨタ HEMI と呼ばれることがよくあります。

当時の他のトヨタエンジン（例：T、2M、4Mなど）は半球形の燃焼室を使用していました。 ^[要出典]スパークプラグは燃焼室の上部に配置されていました。

現代のエンジンの設計の進化

現代の排出ガス時代では、半燃焼室はより洗練された複雑な設計に変化し、特定の燃焼イベントからより少ない排出量でより多くのパワーを引き出すことができるようになりました。

今日のエンジンの多くは、燃焼効率を最大限高めるために、燃焼室内の燃料と空気の混合物を回転させて渦巻かせるよう設計された「アクティブ燃焼室」を採用している。^[20]これらの燃焼室は通常、インゲン豆のような形をしており、ピストン上部の平らな急冷領域に囲まれた2つの小さな「ヘミ」領域が結合したような外観をしている。 ^[21]

参考文献

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