カムシャフト
ピストンエンジンで吸排気バルブを動かすにはカムシャフトを使用します。 カムシャフトは、シリンダーバンクの長さ方向に走る円柱状のロッドと、その長さ方向に沿って、各バルブごとに1つずつ、多数のカム（カムローブが突き出た円盤）が配置されています。 カムローブは、回転することでバルブや中間機構を押し、バルブを強制的に開かせる。 一方、スプリングは、バルブを閉じる方向に引っ張る張力を発揮する。 ローブがプッシュロッド上で最大変位量に達したとき、バルブは完全に開いた状態になります。
構造の編集
カムシャフトは金属から作られていて通常固体ですが、時々中空カムシャフトが使用されています。 カムシャフトの材料は、通常どちらかです。
- 鋳鉄。 大量生産でよく使われるチルド鉄カムシャフトは、チルド処理で硬くなるため、耐摩耗性に優れています。
- ビレット鋼：鋳造する前に他の元素を加えて、より用途に適した材料にします。 高品質なカムシャフトや少量生産が必要な場合、エンジンメーカーやカムシャフトメーカーは鋼鉄ビレットを選択します。 これは、他の方法よりもはるかに時間のかかるプロセスであり、一般的に高価です。 工法は通常、鍛造、機械加工（金属旋盤やフライス盤を使用）、鋳造、ハイドロフォーミングのいずれかになります。 使用される棒鋼の種類は様々で、一例としてEN40bが挙げられる。 EN40bからカムシャフトを製造する場合、材料の微細構造を変化させるガス窒化処理による熱処理も行われます。 これにより、表面硬度は55～60HRCとなり、高性能エンジンでの使用に適しています。
バルベトレインレイアウトの編集
初期の内燃エンジンのほとんどは、カムシャフトがエンジンブロック内のエンジン底部付近に配置される、カム イン ブロック レイアウト (オーバーヘッド バルブなど) を使用していました。
バルブトレインのレイアウトは、シリンダー バンクごとのカムシャフトの数によって定義されます。
バルブトレインのレイアウトは、シリンダーバンクごとのカムシャフトの数によって定義されます。したがって、合計4つのカムシャフト（シリンダーバンクごとに2つ）を持つV6エンジンは、通常ダブルオーバーヘッドカムシャフトエンジンと呼ばれますが、口語では「クワッドカム」エンジンと呼ばれることがあります。
駆動系
カムシャフトの位置と速度を正確に制御することは、エンジンを正常に運転させるために非常に重要です。 カムシャフトはクランクシャフトによって直接駆動され、通常は歯付きのゴム製タイミングベルトかスチール製のローラーチェーン（タイミングチェーンと呼ばれる）を介して駆動されます。 また、カムシャフトの駆動にギアが使われることもある。
OHCエンジンの初期に使用された代替案は、両端にベベルギアを持つ垂直シャフトを介してカムシャフトを駆動することでした。 この方式は、たとえば第一次世界大戦前のプジョーやメルセデスのグランプリカーに採用されたものです。
カムシャフトを使用する2サイクルエンジンは、クランクシャフトが1回転するごとにバルブが1回開き、カムシャフトはクランクシャフトと同じ速度で回転します。
パフォーマンス特性
デュレーション
カムシャフトのデュレーションは、吸気/排気バルブが開いている時間を決定するため、エンジンが生成する出力量の重要な要因である。
カムシャフトの持続時間の測定は、測定の開始点と終了点として選択されるリフト量に影響されます。
カムシャフトの持続時間の測定は、測定の始点と終点となるリフト量に影響されます。エンジンがピークパワーを発生する回転域を定義するリフト範囲を最も代表すると考えられているため、標準的な測定手順として0.050 in (1.3 mm) というリフト値がよく使用されています。
作用時間を長くすると、吸気バルブと排気バルブの両方が開いている時間の長さを決定するオーバーラップが増加することがあります。
持続時間の増加の副次的な効果は、吸気と排気両方のバルブが開いている長さを決定するオーバーラップの増加です。オーバーラップ中に発生する吸気の「吹き抜け」は、排気バルブを介してすぐに戻って、エンジン効率を下げ、低回転運転中に最も大きくなるので、アイドル品質に最も影響を与えるのは、このオーバーラップです。
LiftEdit
カムシャフトのリフトは、バルブとバルブシートの間の距離 (すなわち、バルブがどのくらい開いているか) を決定します。 バルブがそのシートから上昇するほど、より多くの空気流を提供することができ、したがって、生成されるパワーが増加します。 バルブリフトを高くすることで、バルブオーバーラップの増加によるデメリットなしに、持続時間の延長と同じようにピークパワーを増加させることができる。
あるエンジンで可能な最大リフト量を制限するいくつかの要因があります。
エンジンの最大リフト量を制限する要因はいくつかあるが、まず、リフトを上げるとバルブがピストンに近づくので、過剰なリフトはバルブがピストンに衝突して損傷する可能性がある。 また、リフト量を上げるとカムシャフトのプロフィールが急峻になり、バルブを開くのに必要な力が大きくなります。 また、高回転域でのバルブの浮きは、スプリングの張力では、バルブがカムに追従して頂点に達するまで、あるいはバルブがバルブシートに戻る際に跳ね上がるのを防ぐのに十分な力が得られないという問題点があります。 これは、ローブの立ち上がりが非常に急で、カムフォロアがカムローブから離れ（バルブスプリングの閉じる力よりもバルブトレインのイナーシャが大きいため）、バルブが意図したよりも長く開いたままになることが原因である可能性がある。 バルブ フロートは、高回転での出力低下を引き起こし、極端な場合には、ピストンに衝突してバルブが曲がることもあります。
TimingEdit
クランク シャフトに対するカム シャフトのタイミング (位相角) は、エンジンのパワー バンドを異なる回転域にシフトするために調整できます。 カムシャフトを前進させる (クランク シャフトのタイミングより前にずらす) と低回転トルクが増加し、カムシャフトを後退させる (クランク シャフトの後にずらす) と高回転の出力が増加します。
可変バルブタイミングを持つ最新のエンジンは、多くの場合、その時々のエンジンの回転数に合わせてカムシャフトのタイミングを調整することが可能です。 これにより、高回転と低回転の両方で使用するために固定カムタイミングを選択するときに必要な、上記のような妥協を避けることができます。
ローブ分離角の編集
ローブ分離角 (LSA, 別名 Lobe Centerline angle) は、吸気ローブの中心線と排気ローブの中心線の間の角度を指します。 LSAを大きくすると、オーバーラップが少なくなり、アイドリング品質と吸気真空度が向上しますが、過剰な期間を補うためにLSAを広くすると、出力とトルクが低下することがあります。
メンテナンスと摩耗
多くの古いエンジンは、バルブトレイン（特にバルブとバルブシート）が摩耗すると正しいバルブラッシュを維持するためにロッカーまたはプッシュロッドの手動調整を必要としました。
カムの表面とその上に乗るカムフォロアの間の摺動摩擦は、かなりのものになります。 この部分の摩耗を減らすために、カムとフォロアは共に表面硬化処理され、最近のモーターオイルには摺動摩擦を減らすための添加剤が含まれています。 カムシャフトのローブは通常、わずかにテーパー状になっており、バルブリフターの面はわずかにドーム状になっているため、リフターが回転して部品の摩耗が分散される。 カムとフォロアの表面は、一緒に「摩耗」するように設計されているため、各フォロアは元のカムローブにとどまり、異なるローブに移動することはありません。
カムシャフトのベアリングは、クランクシャフトのものと同様に、オイルで圧送されるプレーンベアリングになっています。 しかし、オーバーヘッドカムシャフトのベアリングは、常に交換可能なシェルを持っているわけではなく、ベアリングに欠陥がある場合は、シリンダーヘッド全体を交換する必要があります。 これは、アイドル時のエンジンの総出力の約 25% に相当し、全体的な効率を低下させます。
次の代替システムが内燃エンジンで使用されています。
- Desmodromic バルブ。 このシステムは、1956年のドゥカティ125デスモ・レーシングバイクに導入されて以来、さまざまなドゥカティ・レーシングバイクやロードバイクで使用されてきました。 1980年代半ばにルノーのターボチャージャー付きF1エンジンに初めて採用され、ケーニグセグ・ゲメラでロードカー用として使用される予定です。
- ワンケルエンジン：ピストンもバルブも使用しない回転式エンジンです。 マツダが1967年のマツダ・コスモから2012年に生産を終了したマツダRX-8まで使用しました。