高出力の代名詞！ツインカムエンジンの構造とは？

4サイクルエンジンでは、シリンダーの中をピストンが2往復する間に、吸気、圧縮、燃焼、排気行程の4行程を行い、クランクは2回転します。

吸気行程では、吸気弁(インテークバルブ)の開閉によって、空気と燃料をシリンダー内に吸入し、排気行程では排気弁(エキゾーストバルブ)の開閉によって、燃焼ガスをシリンダー外に排出します。

この吸・排気バルブを、適切なタイミングで開閉する役目を担っているのが、カムシャフトです。カムシャフトには、バルブの開閉時期やリフトを実現するプロファイルをもつ、卵の断面のような形状のカム山が、吸・排気バルブの数だけ、配列されています。

このカムシャフトが、クランクシャフトが2回転する間に1回転するように、タイミングベルトまたはタイミングチェーンで連動させ、吸・排気バルブを開閉しています。

カムシャフトの配置の違いによって、1本のカムシャフトで吸・排気バルブを駆動させるSOHC(シングルカム)と、吸・排気それぞれ1本ずつのカムシャフトで駆動させるDOHC(ツインカム)の2方式があります。

また、バルブを駆動する方式には、カムシャフトのカム山で直接バルブを駆動させる直動式と、ロッカーアームやスイングアーム(小さなロッカーアーム)を使ってテコの原理で駆動させる方式があります。

シングルカムの場合、1本のカムシャフトをシリンダーヘッドの中央に配置し、ロッカーアームを介して、左右に配置された吸・排気バルブを駆動させます。

一方、ツインカムの場合、吸・排気バルブの直上にそれぞれのカムシャフトを配置して、直接バルブを駆動させるか、ロッカーアームを介してバルブを駆動します。

現在は、高出力が達成できる1気筒あたり4バルブ(吸気バルブ×2、排気バルブ×2)エンジンが標準的であり、それに対応しやすいツインカムエンジンが主流となっています。

最大のメリットは、燃焼室形状やバルブ挟み角(吸気バルブと排気バルブの軸がなす角度)などの設計自由度が高いことです。

具体的には、カムシャフトが吸・排気側にそれぞれ配置されるので、点火プラグが燃焼室中央に配置でき、燃焼効率の向上に有利です。また、4バルブにすることで、燃焼室に効率良くバルブを配置できるので、吸気量の増大、出力向上につながります。

シングルカムでは、シリンダヘッド中央にカムシャフトが配置されるため、点火プラグを燃焼室中央に配置するのが難しく、またバルブ径を大きくするため、吸・排気バルブの挟み角を大きくすると、ロッカーアームのアーム長が伸び、アームのたわみによって、バルブ開閉タイミングの精度が下がってしまいます。

そのため、ツインカムエンジンは高回転・高出力化に向いているエンジンなのです。

現在は、ツインカムエンジンが一般的になっています。ただし、ツインカムエンジンがすべてに優れているわけではなく、シングルカムのほうが、部品点数が少なく、軽量、小型で低コストです。また、カムシャフトが少ないぶん、フリクションが小さいというメリットがあるため、じつは燃費には有利。

このようにエンジン設計は、一概に何が良いとは言えないのです。

----------------------------------
文・わんわんエンジニア
某自動車メーカーで30年以上、エンジンの研究開発に携わってきた経験を持ち、古いエンジンはもちろん最新の技術までをやさしく解説することをモットーに執筆中。EVや燃料電池が普及する一方で、ガソリンエンジンの熱効率はどこまで上げられるのか、まだまだ頑張れるはず、と考えて日々精進しています。夢は、好きなクルマで、大好きなワンコと一緒に、日本中の世界遺産を見て回ること。