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オーバーヘッドカムシャフト（OHC）エンジンは、カムシャフトが燃焼室の上のシリンダーヘッドに配置されたピストンエンジンです 。[1] [2]これは、カムシャフトがエンジンブロックの燃焼室の下に配置されている以前のオーバーヘッドバルブエンジン（OHV）とは対照的です。[3]
シングルオーバーヘッドカムシャフト（SOHC）エンジンには、シリンダーバンクごとに1つのカムシャフトがあります。デュアルオーバーヘッドカムシャフト（DOHC、別名「ツインカム」[4]）エンジンには、バンクごとに2つのカムシャフトがあります。DOHCエンジンを使用した最初の量産車は1910年に製造されました。DOHCエンジンの使用は1940年代から徐々に増加し、2000年代初頭までに多くの自動車にDOHCエンジンが使用されるようになりました。
デザイン
OHC エンジンでは、カムシャフトはエンジンの上部、燃焼室の上にあります。これは、カムシャフトがエンジン ブロックの下方に配置されている以前のオーバーヘッド バルブ エンジン(OHV) およびフラットヘッド エンジン構成とは対照的です。OHCエンジンと OHV エンジンの両方のバルブは燃焼室の上にあります。ただし、OHV エンジンでは、カムシャフトからバルブまでの動きを伝えるためにプッシュロッドとロッカー アームが必要ですが、OHC エンジンでは、バルブがカムシャフトによって直接作動します。
同じ数のバルブを備えたOHVエンジンと比較すると、OHCエンジンでは往復部品が少なく、バルブトレインの慣性も小さくなります。OHCエンジンのこの慣性の低下により、エンジン回転数（RPM）が高いときのバルブフロートが少なくなります。 [1]欠点は、カムシャフトを駆動するために使用されるシステム（現代のエンジンでは通常タイミングチェーン）が、Audi 3.2の4チェーンバルブトレインやFordカムの2メートルチェーンなど、OHCエンジンではより複雑になることです。OHCエンジンのもう1つの欠点は、シリンダーヘッドを取り外す必要があるエンジン修理中に、カムシャフトエンジンタイミングをリセットする必要があることです。さらに、OHCエンジンには、カムシャフトを収容するための大きなシリンダーヘッド、または容積効率を高めるための追加のバルブセットがあるため、OHVエンジンと同じ排気量の場合、主にシリンダーヘッドの拡大により、OHCエンジンは最終的に2つのうち物理的に大きくなります。
OHCエンジンのもう一つの主な利点は、避けるべきプッシュロッドがないので、吸気ポートと排気ポートのサイズ、位置、形状を最適化する柔軟性が高いことです。[1]これにより、エンジンを通るガスの流れが改善され、出力と燃料効率が向上します。
シングルオーバーヘッドカムシャフト（SOHC）
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エンジンには、シリンダーバンクごとに1つのカムシャフトがあるため、ストレートエンジンには合計1つのカムシャフトがあり、Vエンジンまたはフラットエンジンには合計2つのカムシャフト（シリンダーバンクごとに1つ）があります。
ほとんどのSOHCエンジンには、シリンダーごとに2つのバルブ、つまり吸気バルブと排気バルブが1つずつあります。[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シャフト（DOHC）
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には、シリンダーヘッドの各バンクに2つのカムシャフトがあり、[1] [2] 1つは吸気バルブ用、もう1つは排気バルブ用です。したがって、直列エンジンの場合はカムシャフトが2つ、V型エンジンまたは水平対向エンジンの場合は合計4つのカムシャフトがあります。
V型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本のカムシャフトを必要とする。これは、合計2本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本のカムシャフトしか使用できないためである。4本のカムシャフトを備えたV型エンジンの中には、「クアッドカム」エンジンとして販売されているものもあるが、[9]技術的には「クアッドカム」ではシリンダーバンクごとに4本のカムシャフト（つまり合計8本のカムシャフト）が必要になるため、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ある。
多くのDOHCエンジンには、気筒あたり4つのバルブがあります。[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角度が広くなるため、エンジンを通る空気と燃料の混合気の流れが改善されます。さらに、点火プラグを最適な位置に配置できるため、燃焼効率が向上するという利点もあります。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個別に変更/位相できることです。これにより、トルク曲線が広くなり、燃費が向上します。各主要メーカーは、可変カム位相システムの特定のシステムに独自の商標を使用していますが、全体的にはすべて可変バルブタイミングに分類されます。
コンポーネント
タイミングベルト/タイミングチェーン
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世紀のエンジンの多くは、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カムシャフトを駆動します。 [1] [10]タイミングベルトは安価で、騒音が最小限で、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時間内に交換されずに故障し、エンジンが干渉エンジンである場合、エンジンに大きな損傷が発生する可能性があります。
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自動車への最初の応用は、米国のSCCA H-modifiedレースシリーズ用に製造された1953年のDevin-Panhardレーシングスペシャルでした。 [13] : 62 これらのエンジンはPanhard OHVフラットツインエンジンに基づいており、Nortonオートバイ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ました。[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Glas 1004コンパクトクーペでした。[14]
現代のエンジンで一般的に使用されているもう1つのカムシャフト駆動方法は、1列または2列の金属ローラーチェーンで構成された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、タイミングベルトよりも騒音が大きいという欠点があります。[12] : 253
ギアトレイン
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を備えたディーゼルオーバーヘッドカムシャフトエンジンは、大型トラックによく使用されます。 [16]ギアトレインは、小型トラックや自動車のエンジンでは一般的に使用されていません。[1]
その他のカムシャフト駆動システム
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ました。例としては、1908-1911年のMaudslay 25/30、[17] [18] Bentley 3 Litre、[19] 1917-？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、および1947-1962年のNorton Manxがあります。[22]最近では、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のオートバイエンジンにベベルシャフトが使用されています。[24] [25]クロスリーの4気筒エンジンは、1946年から1952年まで、シャフトタワー設計を使用してカムシャフトを駆動する最後の自動車エンジンでした。クロスリーのエンジン形式の権利は、クロスリーが自動車工場を閉鎖した後、 1952年にゼネラルタイヤ、 1955年にファジェオール、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スなど、いくつかの会社に買収され、その後数年間同じエンジンを生産し続けました。
3組のクランクとロッドを並列に使用したカムシャフトドライブは、1920年から1923年にかけて英国で製造された高級車レイランドエイトで使用されていました。 [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リッターでも使用されていました。[28] [29]両端にカウンターウェイトを備えた2ロッドシステムは、1958年から1973年のNSUプリンツの多くのモデルで使用されていました。[15] : 16-18
歴史
1900–1914
最初のオーバーヘッドカムシャフトエンジンには、1902年にイギリスで製造されたモーズレーSOHCエンジン[18] : 210 [15] : 906 [30]と、1903年にアメリカで製造されたマールオートカーSOHCエンジン[31] [32]がありました。最初のDOHCエンジンはプジョーの直列4気筒レーシングエンジンで、 1912年のフランスグランプリで優勝した車に搭載されていました。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ました。
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エンジンを搭載した最初の量産車の一つであった。[33]
第一次世界大戦
第一次世界大戦中、連合国と中央同盟国、特にドイツ帝国の航空戦隊は、モーターレース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早急に応用しようとした。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両社の航空機エンジンの出発点となった。メルセデスは一連の 6 気筒エンジンを開発し、最終的にはメルセデス D.III が誕生した。ロールスロイスは、戦争初期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 エンジンを生み出した。その他のSOHC設計には、スペインのHispano-Suiza 8 V8エンジン（完全密閉型ドライブトレイン）、後のMercedes D.IIIa設計の部分的に露出したSOHCバルブトレイン設計を忠実に踏襲したアメリカのLiberty L-12 V12エンジン、およびMax Friz設計のドイツのBMW IIIa直列6気筒エンジンがありました。DOHC Napier Lion W12エンジンは、1918年からイギリスで製造されました。
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ました。大型航空機エンジン、特に空冷エンジンは、かなりの熱膨張を経験し、動作条件によってシリンダーブロックの高さが変わります。この膨張はプッシュロッドエンジンに問題を引き起こしたため、スライディングスプラインを備えた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を許容する最も簡単な方法でした。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にあり、「タワーシャフト」として知られていました。[34]
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1914–1918イスパノ・スイザ 8A SOHC 航空機エンジン -
1914～1918年イスパノ・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」が装備されている。 -
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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。後期生産のメルセデス設計との類似性を示している。
1919–1944
初期のアメリカ製オーバーヘッドカムシャフト量産エンジンは、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気筒エンジンであった。[35]
1926年、サンビーム3リッタースーパースポーツがDOHCエンジンを搭載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DOHC直列8気筒エンジンを搭載したデューセンバーグ モデルJを発売し、既存のSOHCエンジンに加えてDOHCエンジンを追加しました。1931年から1935年にかけて製造されたスタッツDV32は、DOHCエンジンを使用した別の初期の米国製高級車でした。また、米国では1933年にDOHCオ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Wolseley Ten、1928～1931年のMG 18/80、1926～1935年のSinger Junior、1928～1929年のAlfa Romeo 6C Sportなどがある。初期のオーバーヘッドカムシャフトオートバイには、1925～1949年のVelocette Kシリーズと1927～1939年のNorton CS1がある。
1945年～現在
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、 SOHCエンジンを搭載した最初のアメリカ製量産車であると言える。[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、スポーツカーから始まり、第二次世界大戦後に徐々に増加しました。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気筒エンジンがあります。[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つでした。[43]
1980年代には、燃費と排気ガス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、主流の車両にDOHCエンジンが採用されるようになりました。[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。[要出典]
参照
脚注
- ^しかし、1973年 型トライアンフ・ドロマイト・スプリントエンジンやホンダJシリーズV6エンジンなど、一部のエンジンは1気筒あたり4バルブのSOHC構成であった。これは、カムシャフトをシリンダーヘッドの中央に配置し、等長のロッカーアームで吸気バルブと排気バルブを作動させることで実現した。[5]この配置により、バルブトレインの質量を最小限に抑え、エンジン全体のサイズを最小限に抑えながら、1気筒あたり4バルブを実現した。[6] [7] [8]
- ^ ただし、気筒あたり 2 つのバルブを備えた DOHC エンジンには、アルファロメオ ツイン カム エンジン、ジャガー XK6 エンジン、初期のフォード I4 DOHC エンジン、10Vボルボ モジュラー エンジン、ロータス フォード ツイン カム エンジンが含まれます。
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