シングルおよびダブルオーバーヘッドカムシャフトは、20世紀初頭から自動車、船舶、オートバイ、航空機のエンジンの一部となっています。
シングルオーバーヘッドカムシャフト（SOHC）を備えた初期の車両には、1902年に英国で設計されたモーズレーや、1903年にアメリカで製造されたマール・オートカーなどがあります。
ダブルオーバーヘッドカムシャフト（DOHC）は、1912年のフランスグランプリで優勝したフランスのプジョー車に初めて採用されました。
オーバーヘッドカムエンジンは、第一次世界大戦中の多くの軍用機に採用されました。これらのエンジンモデルの多くは、カムを駆動するためにシャフトを使用していました。現在一般的なタイミングチェーン駆動のカムシャフトは、1920年代の大衆車に続いて登場しました。
DOHCエンジンは、第二次世界大戦後、フィアットやアルファロメオを含む多くの自動車ブランドで人気を博しました。今日、シングルおよびダブルオーバーヘッドカムの設計は、国産および輸入車に広く普及しています。SOHCおよびDOHCエンジンとカムインブロックエンジンの比較について、読み進めてご覧ください。
カムシャフトの目的
現在の自動車用ピストンエンジンは、1つまたは複数のカムシャフトを使用して吸気バルブと排気バルブを駆動します。カムシャフトは、エンジンのクランクシャフトからチェーンまたはベルトで駆動され、吸気バルブと排気バルブのタイミングを調整します。
これらのバルブは、燃焼室に空気と燃料を導入し、燃焼後の混合気を排気システムへ排出する役割を果たします。
SOHCエンジンとは？
まず、SOHCおよびDOHCエンジンモデルは、オーバーヘッドバルブ構成です。
シングルオーバーヘッドカムシャフトエンジンは、各シリンダーバンクの上に1つのカムシャフトを配置します。V6やV8などの「V型」設計のエンジンでは、各シリンダーバンクの上に1つずつ、合計2つのカムシャフトが使用されます。カムシャフトは、タイミングチェーンまたはタイミングベルトで駆動されます。
エンジン設計者の選択により、この単一のカムシャフトからバルブを駆動するためにさまざまな方法が使用されます。例えば、すべてのバルブがヘッドの長さ方向に平行に配置されている場合、カムが直接すべてのバルブを駆動することができます。他のバルブ配置では、ロッカーアームまたは非常に短いプッシュロッドが使用されることがあります。
SOHCの利点
SOHC設計は、カムインブロック設計に比べていくつかの利点を提供します：
- バルブを最適な燃焼室設計のために配置できます。複数のバルブを使用可能で、燃焼室あたり最大5バルブが可能です。ダブルスパークプラグも使用できます。これらの改善により、空気燃料流量と燃焼能力が向上し、出力向上と燃費向上が期待できます。
- エンジンブロックとシリンダーヘッドにプッシュロッド用の通路が必要ありません。これにより、両領域で追加（またはより大きな）冷却液通路を使用でき、冷却効率が向上します。特にシリンダーヘッド領域での冷却改善により、より高い圧縮比が可能になります。これは出力と燃費の両方に利益をもたらします。
- カムシャフトで駆動されるバルブ開閉機構は、よりシンプルで軽量になります。これにより、バルブフロートの可能性が減少し、はるかに高いエンジン回転数が可能になります。一般的に高い回転数は出力を向上させます。
- すべてのバルブシステムコンポーネント、特にカムシャフトへのアクセスが容易になります。この重要なエンジン領域の修理コストが低減されます。
SOHCの欠点
SOHCエンジンは、カムインブロック設計およびDOHC設計に比べていくつかの欠点があります：
- エンジンの複雑さが増します。これにより設計および製造コストが増加します。カムインブロック設計に比べてエンジン全体の重量が増加する可能性もあります。チェーンまたはベルトを使用するカムシャフト駆動は、カムインブロックエンジンにはない信頼性とメンテナンスの考慮事項を導入する可能性があります。
- エンジンが大型化し、クリアランスのために高いボンネット高さが必要になる場合があります。エンジンサイズの増加により、重量も増加する可能性があります。
- 可変バルブタイミングは、吸気バルブと排気バルブのタイミング変更が同時に行われることがほとんどです。これはカムインブロックエンジンに存在する同じタイミング問題です。
DOHCエンジンとは？
ダブルオーバーヘッドカムシャフトエンジンは、各シリンダー列の上に2つのカムシャフトを配置します。V6やV8などの「V型」設計のエンジンでは、合計4つのカムシャフトが使用されます。SOHCエンジン設計と同様に、DOHCはタイミングチェーンまたは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。
ほとんどの場合、DOHC（またはツインカム）エンジンでは、各カムが関連するバルブを直接駆動します。
DOHCの利点
DOHCエンジンは、SOHC設計と同じ利点を共有します。これらには以下が含まれます：
- バルブを最適な燃焼室配置のために配置できます。バルブ配置の最適化は、出力と燃費に貢献できます。
- DOHC設計により、エンジンブロックとシリンダーヘッドの冷却効率が向上します。圧縮比の向上により、出力とエネルギー効率が向上します。
- DOHC設計は、最も直接的なバルブ作動を提供します。市販車では8,500回転以上の最高エンジン回転数が可能です。レーシングカーは、高度なDOHCシステムでさらに高いエンジン回転数を達成できます。
- カムシャフトとフォロワーのメンテナンスアクセスが容易です。これにより、全体的なメンテナンスおよび修理コストの低減に役立ちます。
- DOHCエンジンは、VVTの利点を最大限に活用します。可変バルブタイミングは各カムシャフトに対して独立して機能し、吸気バルブと排気バルブに最適なバルブタイミングを提供できます。
DOHCの欠点
SOHCエンジンと同様に、DOHC設計も同じ基本的な欠点を共有します。
- カムインブロック設計に比べて、エンジンの複雑さと重量が増加します。設計および製造コストも高くなります。SOHC設計と比較して、DOHCエンジンはより複雑なチェーンまたはベルト駆動システムを持っています。これにより、全体的な信頼性が低下し、メンテナンス費用が増加します。
- SOHC設計と同様に、DOHCエンジンの高さは増加し、総重量も高くなる傾向があります。
カムインブロックエンジンとは？
第二次世界大戦直後に製造されたアメリカ車のエンジンの大部分は、カムインブロックモデルでした。これらは、エンジンブロック内に配置された単一のカムシャフトを使用していました。このカムシャフトは、人気のあった多くのフラットヘッドエンジンのバルブを直接駆動しました。
高性能オーバーヘッドバルブ（OHV）エンジン（燃焼室上にバルブが配置されたエンジン）の場合、カムシャフトは、プッシュロッドとロッカーアームと呼ばれるレバーのシステムを介して各バルブを駆動しました。
カムインブロックの利点
カムインブロックバルブシステムの主な利点は次のとおりです：
- このようなシステムは、設計および製造がシンプルで経済的でした。
- 非常に信頼性が高いことが証明されました。
- カムインブロックエンジンは、比較的低い全高を持っています。これにより、低いボンネットプロファイルが可能になり、スタイリッシュなボディデザインに貢献します。
カムインブロックの欠点
カムインブロック設計には、特にOHVエンジンにおいていくつかの欠点があります：
- エンジンブロックを通るプッシュロッド用のスペース割り当てと、シリンダーヘッド上部のロッカーアーム用のスペースが、他のコンポーネントの配置を制限または過負荷にする可能性があります。
- プッシュロッドとロッカーアームのジオメトリにより、シリンダーヘッドの燃焼室の形状とサイズが非効率的になる可能性があります。
- カムシャフトと各バルブの間のメカニズムの質量（または重量）は、慣性効果を導入し、バルブ作動速度を制限します。非常に高いエンジン回転数、例えば7,000回転毎分（rpm）以上では、バルブが完全に閉じない可能性があります。これはバルブフロートと呼ばれ、常にエンジン出力を制限します。
- プッシュロッドには、エンジンブロックとシリンダーヘッドを通る上方への通路が必要です。このような通路は、エンジンブロックとシリンダーヘッドの冷却領域のサイズを制限し、冷却効率を低下させる傾向があります。
- 性能と燃費を向上させる可変バルブタイミング（VVT）は、吸気バルブと排気バルブに対して独立して提供することが困難です。
今日の非常に高性能なエンジンの一部は、依然としてカムインブロック設計です。これらの設計には、何らかの形の可変バルブタイミングが含まれる場合があります。ただし、カムタイミングの変化は、これらのエンジンには単一のカムシャフトしかないため、吸気バルブと排気バルブに対して同時に行われます。
SOHCかDOHCかをどのように判断できますか？
一般的に、車のボンネットを開けてエンジンの上部を調べるだけで判断できます。狭くて高いエンジントップで、前面にカム駆動スプロケット用の明確な膨らみがある場合は、通常、その下にSOHCが隠れています。
幅広のエンジンや、2つの膨らみがあるトップは、DOHC構成の存在を示しています。疑問がある場合は、車のメーカー、モデル、年式、排気量をオンラインで検索することで、この点を明確にすることができます。
SOHCをDOHCに変更できますか？
このような変更を行うことは、一般的に非常に高価になります。ただし、一部の自動車ブランドとモデルには、SOHCとDOHC構成で類似したエンジンオプションがあります。一部のホンダモデルはこのパターンに該当します。
特定のモデルでは、SOHCシリンダーヘッドをDOHCシリンダーヘッドに交換することができます。そして、エンジン制御ユニット（ECU）の適切な再プログラミングと補助エンジンシステムの変更（および優れたDIYスキル）により、そのような移行は確実に可能です。