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役立つバイクメンテナンス

エンジンの基本メカニズム“カムシャフト&バルブ”

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【カムシャフトとバルブ機構】
4サイクルエンジンにおいては吸気・排気の2作動をシリンダーヘッドに設けられた吸気ポート・排気ポート開くことによって行っています。このときそれぞれのポートを開くのが吸気バルブ・排気バルブと呼ばれるものです。バルブはバルブスプリングと呼ばれるスプリングの張力を利用して開閉し、強力な力でシリンダー内の密度を保つ仕組みになっています。この開閉をクランクシャフトから間接的に促すのがカムシャフトです。

カムシャフトとはカム(山)を連ねたシャフト(棒)で、クランクシャフトからギアチェーンなどを経て駆動されています。そしてカムシャフトが1回転することにカムがバルブを開き、吸気・排気が行われる仕組みになっています。このカムシャフトの数や位置、またカム山の高さによってエンジンの性能が大きく変わってきます。

2サイクルエンジンの場合は、大和クランクケースの吸気側にセットされ、 1次圧縮氏の吹き戻しをなくすためにワンウェー方式のバルブが採用されています。直接燃焼室に接する場所にないので4サイクルエンジンよりもシンプルな構造になっています。

【OHV】オーバーヘッドバルブ
4サイクルエンジンが実用化されて間もなくはSVエンジンと呼ばれるエンジンが主流でありました。SVとはサイドバルブのことでバルブがシリンダーの横に並ぶように取り付けられたのでこのように呼ばれました。 SVエンジンは構造上を吸気・排気効率があまり良くないのでその改善対策としてシリンダーの上にバルブを設けたのがOHVエンジンなのです。 OHVエンジンのOHVとはオーバーヘッドバルブの略称で、カムシャフトは通常クランクケース内に配置されています。このカムシャフトが利ロットと呼ばれる棒を押し上げてシリンダーヘッド内のロッカーアームの一端を押し上げます。

ロッカーアームというのはシーソー式になっている部品のため、これで反対側の一端に接するバルブを押し下げることができるのです。 SVよりも吸気・排気効率の良いOHVですがカムからバルブまでの間に部品点数が多いために高回転・高出力を得ることが難しいのです。特にプッシュロットがカムの動きに追従できなくなってしまうので、バルブの誤作動も起きやすくなってしまうのです。

【OHC(SOHC)】オーバーヘッドカムシャフト
OHCエンジンとは本来SOHCエンジンと呼ばれるもので、シングル・オーバー・ヘッド・カムシャフトの略称になります。 1本のカムシャフトがシリンダーヘッドに置かれたエンジンのことをいいます。バルブの市場OHVと同じ燃焼室の上にありますが、カムはバルブの近くにセットされています。従ってプッシュロットが不要になり、シーソー式のロッカーアームの一端をカムが直接押し上げ、反対側の一端でバルブを押し下げる仕組みになっています。必須カムシャフトはタイミングチェーン、タイミングベルト、タイミングギアなどを介してクランクシャフトにより駆動されています。このチェーンやベルトは高回転にたわみは伸びが生じてしまうため、シャワーと呼ばれるものですでに力を加えてコマ飛びなどによるタイミングのズレを防止しています。

OHVよりは高回転高出力を発生しやすく現在でも1シリンダーあたりのバルブ数を4本(吸気2・排気2)や5本(吸気2・排気3)として、ベーシックモデルなどに多く採用されています。

【DOHC】ダブルオーバーヘッドカムシャフト
DOHCとはタブルオーバーヘッドカムシャフトの略称であります。日本のカムシャフトがシリンダーヘッドに置かれたエンジンのことで、本来レースでの公開健康シルクの要求から生み出されたSOHCエンジンが日本のカムシャフトで吸気・排気バルブを描くのに対して、DOHCエンジンの場合はさらなる高回転を求めてそれぞれに専用の和を1本ずつ設けています。そしてシーソー式ロッカーアームを排除したのが特徴の1つでもあります。

カムシャフトが直接バルブに接しているため(厳密にはパペットが入るか)高回転時の作動精度がSOHCよりも上がり、エンジンの基本構造としては現在考えられている4サイクルエンジンの中で最強といえます。 10年ぐらい前はバイクの世界では1部のオンロードスポーツにしか採用されていませんでした。しかし現在では採用している車種も増えています。バルブ数も基本的に1シリンダーあたり2本だったものが今では4本が主流になっています。そしてよりバルブタイミングの精密かが図られています。

【ピストンリードバルブ】
読んで字のごとくピストンリードバルブ方式にリードバルブ(薄い駆動でのようなもの)を取り入れたもの。
バイクの基本型とも言えるピストンバルブ方式では「吸気・掃気・排気」の各工程をピストンの上下運動によるポートの開閉タイミングのみで行うのですが、ふき返し現象により吸入タイミングをむやみにあげられないという欠点がありました。

吸入タイミングを下げることで解決できないこともありませんが、それでは低回転型エンジンになってしまいます。そこで考案された方法が吸入の時に生じる負圧によって自動開閉するリードバルブを吸入ポートに設けることで、ピストン版方式の欠点であった引換証これで解消したのです。

これにより心おきなく吸入タイミングを上げて高出力を得ることができて、しかも低回転時のふき返しもなく低速域から高速域まで安定したエンジン特性を得ることが可能になりました。

【クランクケースリードバルブ】
ピストンリードバルブ方式が吸入ポートシリンダー側に設けているのに対し、クランクケース側に設けた吸入方式をクランクケースリードバルブといいます。
構造的にはリードバルブのつく日がシリンダーかクランクケースかの違いでしかありませんが、この違いがエンジン特性に与える影響はとても大きいのです。クランクケース内に直接混合気を吸入させてしまうため、ピストンリードバルブ方式のようにタイミングライトが来てぇとなってしまうような事は無い。つまりピストン位置に関係なく、クランクケースないの圧力差(負圧)に応じて吸気開閉タイミングが反応するので、あらゆる回転域において理想のエンジン出力を得ることができるようになっています。

モトクロスやロードレーサーを始めとした高出力を必要とするモデルの主流となっている吸入方式がこのクランクケースリードバルブ方式であります。

【ロータリーディスクバルブ】
ロータリーディスクバルブは2サイクルのバルブ機構の1つで、 1カ所だけ穴の開いたディスクを回転させてその穴からクランクケース内に混合気を供給する方式になります。リードバルブを使った他の方式と違い、ディスクの穴の大きさや位置によってガソリンの供給量やタイミングを設定することができます。このことにより低中速トルクが強くかつては多くの2サイクルロードレーサーなどにも採用されていました。

しかし高回転になるとディスクの回転も早くなるため、充填効率が落ちるという結果苑もあります。また機構が複雑なため、現在国産バイクでは採用しているモデルは残念ながらありません。

【強制開閉バルブ】
強制開閉バルブとは「デスモドロミック」または簡単に「デスモ」と呼ばれイタリアのドカティ社が開発し、同社のV型2気筒に採用しているバルブシステムであります。このデスモにも、現在851系のDOHC 4バルブと、SS系のSOHC(2バルブ)があります。

他のバルブシステムがバルブをカムによるで開バルブスプリングによって閉じるのに対し、デスモの場合、 1つのバルブにopカムとclosing calm、つまり開側閉側2個のカムを使用し、バルブを開くのもと閉じるのも強制的に行うシステムになっています。

このシステムはかつてバルブスプリングの素材が現在ほど良くなかった頃、公開展示に発生するバルブサージング対策として開発されたものでありますある現在でもスーパーバイクレースの活躍に代表されるようにデスモの優位性は損なわれておらず、排気量が若干大きくなるものの2気筒で国産4気筒と同様、もしくはそれ以上のパワーを得ているのであります。その大きな要因としてある分スプリングの有無が挙げられるだろう。通常4バルブ4気筒エンジンの場合はクランクシャフトで得られたパワーの数%は16個のバルブスプリングを押さえつけるために消費する。
したがってバルブスプリングを持たないデスモはこのようなパワーロスもなく、効率よくパワーを後輪に伝えることができ合理的かつ効率的なバルブシステムといえるのです。

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