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» 2008年08月05日 11時00分 UPDATE

いまさら聞けない エンジン設計入門(7):カムシャフトを2本にするか、1本にするか (1/3)

「DOHCエンジンの方が高性能、高効率」というのは本当だろうか? DOHCとSOHCの利点と欠点を比較してみた。

[山本 照久,@IT MONOist]

 今回はエンジンの主要部品である「カムシャフト」について解説していきます。

 カムシャフトはバルブの開閉タイミングやリフト量の管理を任されている部品です。カム部分の形状(「カムプロフィール」)によって決定されるバルブタイミングやリフト量はエンジン出力や燃費などに大きく影響します。

alt 写真1 カムシャフトの各部名称

 カムシャフトは主に各シリンダの「インテーク/エキゾーストバルブ」を開閉するための複数の「カム山(カムローブ)」「シリンダヘッド」「カムホルダー」に保持されるジャーナル部で構成されています(写真1)。

 またカムシャフトの端部には「カムプーリー(タイミングギヤ)」が取り付けられており、「タイミングベルト」や「タイミングチェーン」によって「クランクシャフト」と同期しながら回転しています(写真2)。

alt 写真2 タイミングベルト

 レースエンジンやバイクのエンジンのように超高回転で駆動される場合、ベルトやチェーンへの負担が大きくなります。破断などのリスク、素材の伸びなどによるバルブタイミングの変化を懸念し「アイドルギヤ」によってクランクシャフトの回転をカムシャフトに伝えていることもあります。

 4ストロークエンジンの「吸気、圧縮、燃焼、排気」という一連の動作はクランクシャフトが2回転することで完了しますが、その間にカムシャフトは1回転だけします。つまり、カムシャフトはクランクシャフトの2分の1の回転速度で回ることになります。

 現在、さまざまな可変機構を盛り込み、バルブタイミングやバルブリフト量などを変化させ、車種のニーズに合わせたエンジン特性を演出しています。

 カムシャフトは一般的にニッケルやクロムなどを添加した特殊鋼や炭素鋼などの鍛造品で作られており、摺動(しゅうどう)部には耐摩耗性を向上させるために表面硬化処理が施されています。特にカム山の摩耗はバルブタイミングとバルブリフト量に直接影響を与えるため、カムシャフトにとって一番の大敵といえます。

 カムリフトの最大値は、おにぎり型をしたカムのベースとなる真円(ベースサークル)からカム山の高さを引いた分となります。当然ですが、カムリフトはカム山の摩耗具合やバルブタイミング(開閉ポイント)に影響します。

alt 図1 カムプロフィール

 カムシャフトの断面形状を「カムプロフィール」といいますが(図1)、これはすなわちバルブのリフト特性を表します。イメージとして、最大リフト量(カム山の大きさそのもの)のみに注目してしまいがちですが、そのほかの領域のリフト量や形状もエンジン特性に大きくかかわってきます。

ロッカーアーム式の場合

ロッカーアームの中心点から、左右にあるアーム長(カム側とバルブ側)の差を設け、リフト量を変化させている場合があります。 この場合は「カム山−ベースサークル=カムリフト」となりません。

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