オーバーヘッドカムシャフトエンジン

オーバーヘッドカムシャフトエンジンの最も古い構成は、シングルオーバーヘッドカムシャフト（SOHC）設計です。^{[ 1 ]} SOHCエンジンは、シリンダーバンクごとに1つのカムシャフトを備えているため、直列エンジンには合計1つのカムシャフトがあり、V型エンジンまたは水平対向エンジンには合計2つのカムシャフト（各シリンダーバンクに1つずつ）があります。

ほとんどのSOHCエンジンは、シリンダーあたり2バルブ（場合によっては3バルブまたは4バルブ）、吸気バルブ1つと排気バルブ1つを備えています。^{[ a ]}カムシャフトの動きは通常、直接（タペットを使用）またはロッカーアームを介して間接的にバルブに伝達されます。^{[ 1 ]}

デュアルオーバーヘッドカム、ダブルオーバーヘッドカム、またはツインカムエンジンは、シリンダーヘッドの各バンクに2本のカムシャフトを持ち、^{[ 1 ] [ 2 ]} 1本は吸気バルブ用、もう1本は排気バルブ用です。したがって、直列エンジンには2本のカムシャフトがあり、V型エンジンまたは水平対向エンジンには合計4本のカムシャフトがあります。

AV エンジンまたは水平対向エンジンは、DOHC エンジンとして機能するために 4 つのカムシャフトを必要とします。これは、合計 2 つのカムシャフトでは、これらのエンジンレイアウトではシリンダー バンクごとに 1 つのカムシャフトしか存在しないためです。4 つのカムシャフトを備えた V エンジンの中には、「クワッド カム」エンジンとして販売されているものもありますが、^{[ 9 ]}技術的には「クワッド カム」にはシリンダー バンクごとに 4 つのカムシャフト (つまり合計 8 つのカムシャフト) が必要となるため、これらのエンジンは単にデュアル オーバーヘッド カムシャフトエンジンです。

DOHC エンジンの多くは、シリンダーあたり 4 バルブ (アウディやフォルクスワーゲンなど、5 バルブの場合もあります) を備えています。^{[ b ]}カムシャフトは通常、バケットタペットを介してバルブを直接操作します。DOHC 設計では、SOHC エンジンよりも吸気バルブと排気バルブの間の角度を広くすることができ、エンジン内の空気燃料混合気の流れが改善されます。さらに、スパークプラグを最適な位置に配置できるため、燃焼効率が向上します。DOHC エンジン設計のもう 1 つの新しい利点は、各カムシャフトとクランクシャフト間のタイミングを独立して変更/位相調整できることです。これにより、トルクカーブが広くなるため、燃費が向上します。各主要メーカーは、独自の可変カム位相システムに独自の商標名を付けていますが、全体としてはすべて可変バルブタイミングに分類されます。

カムシャフトの回転はクランクシャフトによって駆動されます。21世紀の多くのエンジンは、カムシャフトを駆動するためにゴムとケブラー製の歯付きタイミングベルトを使用しています。 ^{[ 1 ] [ 10 ]}タイミングベルトは安価で、騒音も最小限で、潤滑油も必要ありません。^{[ 11 ] : 93}タイミングベルトの欠点は、ベルトを定期的に交換する必要があることです。^{[ 11 ] : 94}推奨されるベルト寿命は通常、約50,000～100,000 km (31,000～62,000マイル)です。^{[ 11 ] : 94～95 [ 12 ] : 250}タイミングベルトが適切な時期に交換されずに故障し、エンジンが干渉型エンジンである場合、エンジンに重大な損傷が発生する可能性があります。点火やバルブの動きなどのタイミングが通常ずれているため、修理した場合、エンジンのタイミングも復元または再構成する必要がある可能性が高いです。  

オーバーヘッドカムシャフトを駆動するためのタイミングベルトの最初の自動車への応用例は、1953 年にアメリカの SCCA H モディファイド レース シリーズ用に製造されたデビン パナールレーシング スペシャルです。 ^{[ 13 ] : 62}これらのエンジンは、ノートン モーターサイクル エンジンのコンポーネントを使用して SOHC エンジンに改造されたパナール OHV フラット ツイン エンジンをベースにしています。^{[ 13 ] : 62}タイミングベルトを使用した最初の量産車は、1962 年のグラス 1004コンパクト クーペです。^{[ 14 ]}

現代のエンジンで一般的に使用されているカムシャフト駆動方式のもう1つは、1列または2列の金属製ローラーチェーンで構成されるタイミングチェーンです。^{[ 1 ] [ 10 ]} 1960年代初頭までに、ほとんどの量産自動車のオーバーヘッドカムシャフト設計では、カムシャフトの駆動にチェーンが使用されていました。^{[ 15 ] : 17}タイミングチェーンは通常、定期的な交換を必要としませんが、欠点はタイミングベルトよりも騒音が大きいことです。^{[ 12 ] : 253}

クランクシャフトとカムシャフトの間にギアトレインシステムがあるのは、大型トラックで使用されるディーゼルオーバーヘッドカムシャフトエンジンでよく見られる。^{[ 16 ]}ギアトレインは、小型トラックや乗用車のエンジンでは一般的に使用されていない。^{[ 1 ]}

1950年代までのいくつかのOHCエンジンは、カムシャフトを駆動するためにベベルギア付きのシャフトを使用していた。例としては、1908～1911年のMaudslay 25/30、^{[ 17 ] [ 18 ]}、Bentley 3 Litre、^{[ 19 ]}、1917年～？Liberty L-12、^{[ 20 ]} 、 1929～1932年のMG Midget、1925～1948年のVelocette Kシリーズ、^{[ 21 ]} 、 1931～1957年のNorton International、1947～1962年のNorton Manxなどがある。^{[ 22 ]}近年では、1950～1974年のドゥカティ シングル、^{[ 23 ]} 1973～1980年のドゥカティ L ツイン エンジン、1999～2007年のカワサキ W650、2011～2016年のカワサキ W800バイク エンジンがベベル シャフトを使用しています。^{[ 24 ] [ 25 ]}クロスリーの4 気筒エンジンは、1946年から1952年まで、カムシャフトを駆動するためにシャフト タワー設計を使用した最後の自動車用エンジンでした。クロスリーが自動車工場を閉鎖した後、クロスリー エンジンのフォーマットの権利は、1952年にゼネラル タイヤ、1955年にファジオール、1959年にクロフトン、 1961年にホームライト、 1966年にフィッシャー ピアースなど、いくつかの異なる会社によって購入され、さらに数年間同じエンジンを生産し続けました。

1920年から1923年に英国で製造された高級車レイランド・エイトでは、3組のクランクとロッドを並列に用いたカムシャフト駆動方式が採用されていた。 ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}同様のシステムは、1926年から1930年のベントレー・スピードシックスと1930年から1932年のベントレー8リッターにも採用されていた。^{[ 28 ] [ 29 ]} 1958年から1973年のNSUプリンツの多くのモデルでは、両端にカウンターウェイトを備えた2ロッド方式が採用されていた。^{[ 15 ] : 16-18}

最初のオーバーヘッドカムシャフトエンジンには、1902年に英国で製造されたモーズレーSOHCエンジン^{[ 18 ] : 210 [ 15 ] : 906 [ 30 ]}と、1903年に米国で製造されたマールオートカーSOHCエンジン^{[ 31 ] [ 32 ]}があった。最初のDOHCエンジンは、 1912年のフランスグランプリで優勝した車に搭載されたプジョーの直列4気筒レーシングエンジンだった。DOHCエンジンを搭載した別のプジョーが1913年のフランスグランプリで優勝し、続いてSOHCエンジンを搭載したメルセデス・ベンツ18/100 GPが1914年のフランスグランプリで優勝した。

1910年から1914年にかけてイタリアで製造されたイソッタ・フラスキーニ・ティーポKMは、SOHCエンジンを使用した最初の量産車の1つでした。^{[ 33 ]}

第一次世界大戦中、連合国と中央同盟国、特にドイツ帝国の空軍（ルフトシュトライトクレフテ）は、モータースポーツ用エンジンのオーバーヘッドカムシャフト技術を軍用航空機エンジンに迅速に適用しようと試みた。メルセデス18/100 GPカー（1914年のフランスグランプリで優勝）のSOHCエンジンは、メルセデスとロールス・ロイスの航空機エンジンの出発点となった。メルセデスは、メルセデスD.IIIで頂点に達する一連の6気筒エンジンを開発した。ロールス・ロイスは、戦争開始時にイギリスに残されたレーシングカーを基にメルセデスのシリンダーヘッド設計をリバースエンジニアリングし、ロールス・ロイス・イーグルV12エンジンを開発した。その他のSOHC設計には、スペインのイスパノ・スイザ8 V8エンジン（ドライブトレインが完全に密閉されている）、アメリカのリバティL-12 V12エンジン（後のメルセデスD.IIIa設計の部分的に露出したSOHCバルブトレイン設計に非常に近い）、マックス・フリッツ設計のドイツのBMW IIIa直列6気筒エンジンなどがあった。DOHCのネイピア・ライオンW12エンジンは、1918年からイギリスで製造された。

これらのエンジンのほとんどは、クランクシャフトからエンジン上部のカムシャフトに駆動力を伝達するためにシャフトを使用していた。大型航空機エンジン、特に空冷エンジンは、かなりの熱膨張を起こし、運転中にシリンダーブロックの高さが変化する。この膨張はプッシュロッドエンジンにとって問題となるため、スライドスプライン付きシャフトドライブを使用するオーバーヘッドカムシャフトエンジンが、この膨張に対応する最も簡単な方法であった。これらのベベルシャフトは通常、ブロックの外側の外部チューブ内にあり、「タワーシャフト」として知られていた。^{[ 34 ]}

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  1914 ～ 1918 年イスパノ-スイザ 8A SOHC 航空機エンジン
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  1914年～1918年製イスパノ・スイザ8Be SOHC航空機エンジン。各シリンダーバンクの後部に「タワーシャフト」を備えている。
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  後期生産型（1917～1918年）のメルセデスD.IIIの上部バルブトレインの詳細スケッチ。その設計上の特徴はBMW IIIおよびアライド・リバティL-12エンジンに模倣された。
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  リバティL-12の上部バルブトレインの詳細クローズアップ。後期のメルセデス設計との類似性が示されている。

初期のアメリカ製オーバーヘッドカムシャフト式量産エンジンとしては、1921年から1926年にかけて製造されたデューセンバーグ モデルA高級車に搭載されたSOHC直列8気筒エンジンが挙げられる。^{[ 35 ]}

1926年、サンビーム3リッタースーパースポーツは、 DOHCエンジンを使用した最初の量産車となった。^{[ 36 ] [ 37 ]}

米国では、デューセンバーグは1928年に発売されたデューセンバーグ モデルJで、既存のSOHCエンジンに加えてDOHCエンジンも導入しました。このモデルJはDOHC直列8気筒エンジンを搭載していました。1931年から1935年にかけて製造されたスタッツ DV32も、DOHCエンジンを採用した初期のアメリカ製高級車です。また、米国では1933年にDOHCオッフェンハウザーレーシングエンジンが導入されました。この直列4気筒エンジンは、1934年から1970年代まで北米のオープンホイールレースを席巻しました。

その他の初期のSOHC自動車エンジンとしては、1920～1923年のウォルズレー・テン、1928～1931年のMG 18/80、1926～1935年のシンガー・ジュニア、1928～1929年のアルファロメオ6Cスポーツなどがある。初期のオーバーヘッドカムシャフト式オートバイには、1925～1949年のベロセットKシリーズや1927～1939年のノートンCS1などがある。

1946年から1948年にかけて製造されたクロスリーCCフォーは、おそらくSOHCエンジンを採用した最初のアメリカ製量産車であったと言えるだろう。^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]}この小型量産エンジンは、1950年のセブリング12時間レースの優勝車に搭載された。^{[ 38 ]： 121}

DOHC構成の使用は、第二次世界大戦後、スポーツカーを皮切りに徐々に増加した。この時期の象徴的なDOHCエンジンには、1948～1959年のラゴンダ直列6気筒エンジン、1949～ 1992年のジャガーXK直列6気筒エンジン、1954～1994年のアルファロメオツインカム直列4気筒エンジンなどがある。^{[ 41 ] [ 42 ]} 1966～2000年のフィアットツインカム直列4気筒エンジンは、タイミングチェーンの代わりに歯付きタイミングベルトを使用した最初のDOHCエンジンの1つだった。^{[ 43 ]}

1980年代には、燃費と排気ガス排出量を削減しながら性能を向上させる必要性から、日本のメーカーを皮切りに、主流の車両でDOHCエンジンの使用が増加しました。^{[ 41 ]} 2000年代半ばまでに、ほとんどの自動車エンジンはDOHCレイアウトを採用しました。