記事「自動車エンジンのしくみ」を読んだ場合は、空気と燃料の混合物をエンジンに送り、排気をエンジンから排出するバルブについて知っています。カムシャフトは、カムシャフトが回転するときにバルブを押すローブ（カムと呼ばれる）を使用してバルブを開きます。バルブのスプリングがバルブを閉じた位置に戻します。これは重要な仕事であり、さまざまな速度でのエンジンのパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。この記事の次のページでは、パフォーマンスカムシャフトと標準カムシャフトの違いを実際に示すために作成したアニメーションを見ることができます。
この記事では、カムシャフトがエンジン性能にどのように影響するかを学びます。シングルオーバーヘッドカム（SOHC）やダブルオーバーヘッドカム（DOHC）などのさまざまなエンジンレイアウトが実際にどのように機能するかを示す素晴らしいアニメーションがいくつかあります。次に、さまざまなエンジン速度をより効率的に処理できるように、一部の車がカムシャフトを調整するいくつかの巧妙な方法について説明します。
基本から始めましょう。
カムシャフトの基本
カムシャフトの重要な部分はローブです。カムシャフトが回転すると、ピストンの動きに合わせてローブが吸気バルブと排気バルブを開閉します。カムローブの形状と、さまざまな速度範囲でのエンジンの動作には直接的な関係があることがわかりました。
これが当てはまる理由を理解するために、エンジンを非常にゆっくりと（毎分10または20回転（RPM）で）実行していると想像してください。そのため、ピストンがサイクルを完了するのに数秒かかります。通常のエンジンをこれほどゆっくりと動かすことは実際には不可能ですが、私たちができると想像してみましょう。この低速では、カムローブを次のように成形する必要があります。
- ピストンが吸気行程（上死点、またはTDCと呼ばれる）で下向きに動き始めると、吸気バルブが開きます。ピストンが底に達すると、吸気バルブがすぐに閉じます。
- 排気バルブは、燃焼行程の終わりにピストンが底に達するとすぐに開き（下死点またはBDCと呼ばれます）、ピストンが排気行程を完了すると閉じます。
このセットアップは、この非常に遅い速度で実行されている限り、エンジンに対して非常にうまく機能します。しかし、RPMを上げるとどうなりますか？確認してみましょう。
RPMを上げると、カムシャフトの10〜20RPM構成はうまく機能しません。エンジンが4,000RPMで動作している場合、バルブは毎分2,000回、または毎秒33回開閉します。これらの速度では、ピストンが非常に速く移動するため、シリンダーに突入する混合気も非常に速く移動します。
吸気バルブが開き、ピストンが吸気行程を開始すると、吸気ランナー内の混合気がシリンダー内で加速し始めます。ピストンが吸気行程の底に達するまでに、空燃比はかなり高速で移動しています。吸気バルブをバタンと閉めると、その空気/燃料はすべて停止し、シリンダーに入りません。吸気バルブを少し長く開いたままにすることで、ピストンが圧縮行程を開始するときに、高速で移動する空気/燃料の勢いが空気/燃料をシリンダーに押し込み続けます。したがって、エンジンが速くなるほど、空燃比の動きが速くなり、吸気バルブを開いたままにしておく時間が長くなります。また、バルブをより高速で広く開く必要があります。バルブリフトと呼ばれるこのパラメータは、カムローブプロファイルによって制御されます。
下のアニメーションは、通常のカムとパフォーマンスカムのバルブタイミングがどのように異なるかを示しています。エキゾースト（赤い円）とインテーク（青い円）のサイクルは、パフォーマンスカムでより多く重なっていることに注意してください。このため、このタイプのカムを搭載した車は、アイドル状態で非常に大まかに走行する傾向があります。
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2つの異なるカムプロファイル：再生ボタンの下のボタンをクリックして、カムを切り替えます。円は、バルブが開いたままでいる時間を示し、青は吸気、赤は排気を示します。各アニメーションの開始時に、バルブのオーバーラップ（吸気バルブと排気バルブの両方が同時に開いている場合）が強調表示されます。
どのカムシャフトも、1つのエンジン速度でのみ完璧になります。他のすべてのエンジン速度では、エンジンはその潜在能力を最大限に発揮しません。固定カムシャフトは常に、それゆえ、妥協です。これが、自動車メーカーがエンジン速度の変化に応じてカムプロファイルを変更するスキームを開発した理由です。
エンジンのカムシャフトにはいくつかの異なる配置があります。最も一般的なもののいくつかについて説明します。あなたはおそらく用語を聞いたことがあるでしょう：
- シングルオーバーヘッドカム（SOHC）
- ダブルオーバーヘッドカム（DOHC）
- プッシュロッド
次のセクションでは、これらの各構成について説明します。
カムシャフト構成
シングルオーバーヘッドカム
この配置は、ヘッドごとに1つのカムを備えたエンジンを示します。したがって、直列4気筒または直列6気筒エンジンの場合、カムは1つになります。V-6またはV-8の場合、2つのカム（各ヘッドに1つ）があります。
カムは、バルブを押し下げて開くロッカーアームを作動させます。スプリングはバルブを閉じた位置に戻します。エンジン回転数が高いと、バルブが非常に速く押し下げられ、バルブをロッカーアームに接触させ続けるのはスプリングであるため、これらのスプリングは非常に強力である必要があります。スプリングの強度が十分でない場合、バルブがロッカーアームから外れ、スナップバックする可能性があります。これは、カムとロッカーアームに余分な摩耗をもたらす望ましくない状況です。
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シングルオーバーヘッドカム
シングルおよびダブルオーバーヘッドカムエンジンでは、カムは、タイミングベルトまたはタイミングチェーンと呼ばれるベルトまたはチェーンのいずれかを介して、クランクシャフトによって駆動されます。これらのベルトとチェーンは、定期的に交換または調整する必要があります。タイミングベルトが破損すると、カムの回転が停止し、ピストンが開いているバルブにぶつかる可能性があります。
上の写真は、ピストンが開いたバルブに当たったときに何が起こるかを示しています。
ダブルオーバーヘッドカム
ダブルオーバーヘッドカムエンジンには、ヘッドごとに2つのカムがあります。したがって、直列エンジンには2つのカムがあり、Vエンジンには4つのカムがあります。通常、ダブルオーバーヘッドカムは、シリンダーごとに4つ以上のバルブを備えたエンジンで使用されます。1つのカムシャフトでは、これらすべてのバルブを作動させるのに十分なカムローブを取り付けることができません。
ダブルオーバーヘッドカムを使用する主な理由は、より多くの吸気バルブと排気バルブを可能にするためです。より多くのバルブは、それらが流れるためのより多くの開口部があるので、吸気ガスと排気ガスがより自由に流れることができることを意味します。これにより、エンジンの出力が向上します。
この記事で取り上げる最終的な構成は、プッシュロッドエンジンです。
プッシュロッドエンジン
SOHCやDOHCエンジンと同様に、プッシュロッドエンジンのバルブはシリンダーの上のヘッドにあります。主な違いは、プッシュロッドエンジンのカムシャフトがヘッドではなくエンジンブロックの内側にあることです。
カムは、ブロックを通って頭に入る長いロッドを作動させ、ロッカーを動かします。これらの長いロッドはシステムに質量を追加し、バルブスプリングへの負荷を増加させます。これにより、プッシュロッドエンジンの速度が制限される可能性があります。システムからプッシュロッドを排除するオーバーヘッドカムシャフトは、より高いエンジン速度を可能にしたエンジン技術の1つです。
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プッシュロッドエンジン
プッシュロッドエンジンのカムシャフトは、多くの場合、ギアまたは短いチェーンによって駆動されます。ギアドライブは一般に、オーバーヘッドカムエンジンによく見られるベルトドライブよりも破損しにくいです。
カムシャフトシステムを設計する上で重要なことは、各バルブのタイミングを変えることです。次のセクションでは、バルブタイミングについて説明します。
可変バルブタイミング
自動車メーカーがバルブタイミングを変えるいくつかの新しい方法があります。一部のホンダエンジンで使用されている1つのシステムはVTECと呼ばれます。
VTEC（可変バルブタイミングおよびリフト電子制御）は、エンジンに複数のカムシャフトを持たせることができる、一部のホンダエンジンの電子および機械システムです。VTECエンジンには、このカムに続く独自のロッカーを備えた追加の吸気カムがあります。このカムのプロファイルは、他のカムプロファイルよりも長く吸気バルブを開いたままにします。エンジン回転数が低い場合、このロッカーはどのバルブにも接続されていません。エンジン回転数が高い場合、ピストンが追加のロッカーを2つの吸気バルブを制御する2つのロッカーにロックします。
一部の車は、バルブタイミングを進めることができるデバイスを使用しています。これにより、バルブが長く開いたままになることはありません。代わりに、後で開き、後で閉じます。これは、カムシャフトを数度前方に回転させることによって行われます。吸気バルブが通常上死点（TDC）の前に10度で開き、TDCの後に190度で閉じる場合、合計持続時間は200度です。カムが回転するときにカムを少し前方に回転させるメカニズムを使用して、開閉時間をシフトできます。したがって、バルブはTDC後に10度で開き、TDC後に210度で閉じる可能性があります。 20度後にバルブを閉じるのは良いことですが、吸気バルブが開いている時間を長くできる方が良いでしょう。
フェラーリはこれを行うための本当にきちんとした方法を持っています。一部のフェラーリエンジンのカムシャフトは、カムローブの長さに沿って変化する3次元プロファイルでカットされています。カムローブの一方の端は最も攻撃的でないカムプロファイルであり、もう一方の端は最も攻撃的です。カムの形状は、これら2つのプロファイルをスムーズにブレンドします。メカニズムは、バルブがカムのさまざまな部分にかみ合うように、カムシャフト全体を横方向にスライドさせることができます。シャフトは通常のカムシャフトと同じように回転しますが、エンジン速度と負荷が増加するにつれてカムシャフトを徐々に横方向にスライドさせることで、バルブタイミングを最適化できます。
いくつかのエンジンメーカーは、バルブタイミングの無限の変動を可能にするシステムを実験しています。たとえば、各バルブにソレノイドがあり、カムシャフトに頼るのではなく、コンピューター制御を使用してバルブを開閉できると想像してください。このタイプのシステムでは、すべてのRPMで最大のエンジンパフォーマンスが得られます。今後も楽しみにしています...
カムシャフト、バルブタイミングおよび関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
初版：2000年12月13日
