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OHVエンジンのプッシュロッド機構
OHV とは、 O ver H ead V alve(オーバー・ヘッド・バルブ)の略語で、4ストローク機関 の吸排気弁機構の形式の一つ。従来のサイドバルブ やスライドバルブ に対しバルブ 機構をシリンダーヘッド 上に備えた形式を言う。日本語 では頭上弁式 と表記される。OHVやOver Head Valveは単に本方式を示す用語であり、吸排気弁をシリンダーヘッドの上部に備える他の機構を含む一般概念ではなく、シリンダーヘッドにカムシャフトを持たないものを指す。
カムシャフト をシリンダヘッドに備えたSOHC やDOHC も吸排気弁をシリンダーヘッドの上部に備えるが、一般的にOHV とは呼ばれない。
構造
カムシャフトがシリンダーブロック 側に位置し、プッシュロッド とよばれる長い棒を介してロッカーアーム を押し上げバルブ を開閉させる。したがって「プッシュロッドエンジン 」と呼ばれることもある。最初のOHVエンジンはスコットランド系 アメリカ人 であるデビッド・ダンバー・ビュイック (英語版 ) により1902年に開発された。それ以前の内燃機関 の弁機構にはサイドバルブ (以下SV)やスライドバルブ が用いられていた。
側弁式のSVに対して頭上弁式のOHVが有利なのは、バルブ開口部をシリンダーボア径内に配置することで、燃焼室 を小さくできる点である。
これによりOHVはSVに比べて燃焼室の表面積 が小さくなったことで、ヘッドから逃げる熱が少なくなり、さらにノッキング を起こしにくい燃焼室形状にしやすく圧縮比 も高くとれるため、一段と熱効率 を高められる事で出力 や燃費を向上させることが可能となった。一方、高回転でも吸排気バルブの開閉タイミングを正しくとれるSOHC (OHC、シングルカム)や、開閉を独立して変化させることが可能なDOHC (ツインカム)に比べると燃費や出力の面で不利とされ、また、厳しさを増す排出ガス規制への対応も不利とされる[4] 。
SV方式からの移行期には吸気弁がOHV、排気弁がSVというIOE(intake/inlet over exhaust)エンジン も存在した。IOEエンジンはウィリス時代のジープ やハーレーダビッドソン などにも見られ、米国 などでは「Fヘッド」、日本では「F頭式」[注釈 1] と通称される。自動車 やオートバイ ではOHVの登場によって廃れたが、汎用石油発動機 ではその後も多く見られた。また逆に吸気弁がSV、排気弁がOHVというEOI(Exhaust over intake)エンジンも存在した。
SVのOHV化は、吸排気ポートと動弁機構を持つヘッドに交換し、サイドバルブが通っていた部分にプッシュロッドを通してシリンダーヘッドのバルブを駆動させる事で可能となるため、初期のOHVエンジンにはSVエンジンをベースにしたものもみられた。この様に構造上は比較的容易にOHV化することも出来ることから、SVをOHV化するキット なども存在する。
長いプッシュロッドではその慣性質量 と、熱膨張 による寸法 変化、および、駆動時の弾性 変形 が問題となるため、カムシャフトを高い位置に配置してプッシュロッドを短くした、ハイカムシャフト(ハイカム[注釈 2] )方式と呼ばれるものもある[注釈 3] 。この場合、カムシャフトはローラーチェーン などを介して駆動され、動弁系の往復慣性重量はSOHCと比べさほど大きくならず、また、ヘッド直上にカムシャフトがないためDOHC同様のセンタープラグ と理想的弁配置が取れる利点がある。また、エンジン下部のシリンダーブロック内にカムを配置する構造により、騒音面でもOHCより有利な場合が多い。
OHV方式の採用例
OHVは往復運動する部品 が多く、特にプッシュロッドの重量により高回転時のポペットバルブ の追従性を悪化させるバルブジャンプや、往復運動機構の共振 によるバルブサージング が発生しやすく、エンジン の許容回転数を上げることが難しい。しかし、飛行機 や船舶 で使われるレシプロエンジン ではプロペラ を定められた回転数よりも高速に回転させる必要がない上、耐久性と信頼性 に優れるため、 OHV は多用されている。これは常用回転域が低いディーゼルエンジン にも当てはまる。ただし自動車用ディーゼルエンジンの内、小型のものはガソリンエンジンとの設計 の共通化が進み、部品点数の削減や軽量化の面、さらに燃費の面などでもOHCが有利とされ、OHVは淘汰された[6] 。トラック ・バス 用の中排気量 、および大排気量のエンジンの一部には、OHV機構のままでありながら、厳しさを増す自動車排出ガス規制 に対応するため[6] 、4バルブ 化されたものもある[注釈 4] 。
四輪車
日本
日本車 では、1960年代 から1980年代 に製造された乗用車 のエンジンにOHVが多く採用された。同一車種に複数のグレードを設定する場合、上位グレードにはSOHCもしくはDOHCを、下位グレードにOHVを採用することで差別化 が計られていた。なお、ホンダ およびスズキ [注釈 5] は、四輪車にOHVを一切採用していない。
しかし1990年代 以降、LPG自動車 を含む一部のトヨタ 製の商用車 を除いてOHVはほとんど採用されなくなり、ポペットバルブを持たないロータリーエンジン を除き、すべてSOHCもしくはDOHCに置き換えられた。
唯一の例外が水平対向エンジン で、エンジン両脇にシリンダーヘッドを持つ構造から、長らくOHC化はかえって非効率で、寸法 や重量の増大、整備 性(イニシャルコスト)の悪化を招くものとされていた。スバル・レオーネ は当時の富士重工業 (現・SUBARU )のフラグシップ車 という位置づけでありながら長らくOHVを採用し続け、1984年 には1,800 cc エンジンのみSOHC化されたものの、バルブ駆動形式だけ見るならば他社に一段以上遅れた状況を展開していた[注釈 6] 。
オーバーホール やリビルド がしやすく、特に二輪車 やディーゼルエンジン を含む汎用OHVエンジン全般では、タイミングチェーン がなく[注釈 7] 整備しやすい点が長所となる。日本の乗用車で最後までOHVを採用した車種は、一般向け市販車ではガソリン車がトヨタ・タウンエースワゴン /ライトエースワゴン 、ディーゼル車がダイハツ・ラガー 、それ以外では2008年7月以前のモデルまで存在していた3Y-PE型 LPGエンジンを搭載したトヨタ・クラウンセダン /クラウンコンフォート /コンフォート である。
なお、大型トラックやバスに搭載されるディーゼルエンジン は高速回転に向かないことから、相対的に堅牢かつ軽量な設計が可能なOHVが選択されることが一般的であったが、1990年代頃から非OHV化が進み、2021年時点での日本の自動車用OHVディーゼルエンジンは日野自動車 のN04C型エンジン と三菱ふそうトラック・バス の4V20型エンジン のみとなっている[注釈 8] 。
アメリカ
アメリカ車 におけるOHVエンジンはコストダウンの波に押されて徐々に減りつつあるが、ピックアップトラック優遇税制[注釈 9] とエンジンチューニングの容易さ、特にシリンダーブロックの頑丈さゆえのターボチャージャー やナイトラス・オキサイド・システム のようなパワーアップが容易であり、そういった車種をベースに制作されるホットロッド がカスタマイズの文化として定着していることから、依然としてOHVエンジン搭載車が多く存在する。
シボレー・コルベット には、1980年代末期のC4型に「ZR-1」と呼ばれるDOHC搭載モデルが存在したが、それ以降はDOHCを廃し、現在に至るまですべてOHVとなっている。OHVのシリンダーヘッド部はバルブとロッカーアームだけで構成されているため、同排気量という条件下であればSOHCおよびDOHCよりもエンジンそのものを小型軽量かつ低重心にできる。また、V型エンジンや水平対向エンジンでは、カムシャフトがDOHCでは4本、SOHCでも2本必要となるが、OHVであれば1本で済むためエンジン内部の摩擦抵抗を下げやすく、重量もコストも減らせる。コルベットはエンジンフードが低いシルエットも売りの一つであり、全高を低くできるOHVエンジンはそのシルエットの構成に一役買っている。また「コルベットにはDOHCのように高回転で馬力を稼ぐエンジンより、OHVのように低回転で大トルクによって馬力を稼ぐエンジンが似合う」といった思想も影響しているものとされる。
クライスラー は半球形の燃焼室に由来するヘミエンジン を21世紀に復活させた。これには、数ある自動車メーカーのなかで、自社のアイデンティティを前面に打ち出し、他社との差別化を図る狙いがある。
現代のDOHCエンジンにおいては、位相変化タイプの可変バルブタイミング機構 は一般的となっているが、OHVでは1本のカムシャフトで吸排気バルブを駆動する関係上、吸気の位相を変化させた場合排気の位相も共に変化するため、オーバーラップ 量変化による効果は得られない。このためOHVでの採用は遅れたが、オーバーラップ量が変化せずとも、負荷や回転数にあわせバルブタイミングを最適化することで一定の効果[注釈 10] が得られるため、GMスモールブロック やHEMIなどの大排気量OHVエンジンにも可変バルブタイミング機構が採用されるようになっている。またマッスルカー など古いOHV車に後付けするホットロッド向けのアフターパーツも存在する。欧州でもベントレー のOHVエンジン[注釈 11] に可変バルブタイミング機構を採用している例がある。さらに近年ではダッジ・バイパー (2009年モデル以降)が二重構造の中空カムシャフトを用いることで、排気のみ位相変化をさせる機構を採用している[注釈 12] 。バイパーでは排気のみの位相変化としているが、機構上は吸気のみ位相変化、さらには吸排気それぞれの位相変化も可能であり、可変バルブタイミング機構に関してのDOHCとの差はある程度減じているといえる。
アメリカやイギリス、オーストラリアなどではOHVエンジンのプライベートチューンも盛んで、日本では1990年代の省燃費型エンジンからようやく採用が始まったローラーロッカーアームが、比較的早い時期からチューニングパーツとして販売されていた。OHVエンジンのカムとリフター(タペット)の間には高荷重がかかり、滑り摩擦となるフラットタペットなどでは極圧条件となるためエンジンオイルにはある程度の耐摩耗性が求められる。近年の新しい規格のエンジンオイルでは耐摩耗性が不足するケースもあるとされ、特にバルブスプリングレートを強化している場合はさらに高い荷重がかかるため注意が必要となる。海外ではフラットタペットOHVエンジン向けに耐摩耗性を強化したエンジンオイルが設定されていることもある。またローラーロッカーアームなどと同様に摩擦と摩耗を低減するためにローラーリフター仕様とするチューニングも一般的に行われている。
モータースポーツ
モータースポーツでは、カーボンコンポジット のプッシュロッドも用いられた。B110/310系日産・サニー は、レース仕様としてA12型エンジンをベースにプッシュロッドをカーボン素材とし、10,000 rpmという高回転を実現していた。これは当時、市販用エンジンベースではSOHCであっても達成不可能な数値だった。
また、アメリカンモータースポーツの代表格といえるNASCAR においては、原則として参加する車のエンジンがOHVに限定されているため、トヨタ・タンドラ のように市販車ではDOHCエンジンを搭載している車がOHVにエンジンを換装して参加している例もある[9] 。
インディ500 においては、1994年 にペンスキー が3,400ccOHVターボのメルセデス エンジンで優勝を飾っている。当時フォード・コスワース・DFSエンジン などにおされ、旧式化していたビュイック エンジンの救済のために存在したOHV優遇規定[注釈 13] [10] に則る形でイルモア の手により作られたこのエンジンは、最高回転数10,000rpm以上で1,000馬力 を超える出力を発揮するOHVエンジン[注釈 14] となった。
最高出力はNASCAR で用いられている自然吸気のエンジンで800馬力、NHRA のトップフューエルクラスで用いられている過給エンジンでは8,500〜10,000馬力と、非常に高い出力を発生させている。
二輪車
オートバイ用のOHVエンジン
オートバイにおいてはハーレーダビッドソン が1936年 のナックルヘッドエンジン以来、伝統的にOHV形式の空冷V型2気筒 エンジンを搭載し続けていることが広く知られている。ハーレーのエンジンは典型的な低回転高トルク型の設計で、当時の競合他社の車両もおおむねハーレーと同様の状況であった。
ホンダ はスーパーカブ が1958年 (昭和 33年)の発売開始時ではOHVであったが、1964年 (昭和39年)から排気量ごとで順次SOHC化が実施され主力となる50ccモデルは1966年に変更された。また、1977年 にOHVながら4バルブを採用したV型2気筒 エンジンを搭載したホンダ・GL400/500 を市販した。これはキャブレター を内側に追い込んでライダーの膝元に余裕を持たせ、かつ吸排気を直線化するために、シリンダー方向をねじる目的であえてOHVを採用し(ツイステッドOHVと称している)、このエンジンは最高出力を9,000rpmで発生し、約10,000rpmまで回った。
高回転指向でないクルーザー 型オートバイ では、近年ではハーレーダビッドソン 社の他にヤマハ発動機 やカワサキ もV型2気筒エンジンを限界まで大型化するにあたって、エンジン高を抑えるためにOHVを採用している。また、ホンダ からは整備事情が悪い東南アジア・南米諸国向けにOHV125ccエンジンを搭載したCG125 やXR125Lが現在でも販売されている。なおスズキ も2003年から2007年にかけて製造販売したチョイノリ に専用設計のOHV50ccエンジンを採用していた。
航空機用エンジン
ライト R-1820 サイクロン 9 航空機用レシプロエンジンに求められる性能は、中低回転数域での高いトルクである。これはプロペラにおいては、先端が音速に達すると衝撃波 による効率低下が発生するため、エンジンの回転をプロペラに伝える際に変速機 を用いて回転数を一定以下に抑える必要があるからである。当然ながらエンジン回転数が高いと変速機もより大掛かりなものとなり、効率が悪い。したがって、前述された高速回転域におけるOHV特有の問題は発生し得ない。また、空冷エンジンではシリンダが直列に配置されることはまれで、特に星型エンジン の場合は、OHCによるバルブ駆動は気筒の数と同数のカムシャフトとその駆動系とを配することになるため、設計として現実的でない。
汎用エンジン
弁機構にOHVを用いた石油発動機の例
OHVは、同じ排気量のSOHCエンジンと比べて構造が単純なため整備しやすく(とはいえSVほどではないが)、軽量・コンパクトという利点があり、4ストロークエンジン による自家発電機 、ポンプ 、農耕用等の汎用エンジンといった自動車以外の用途では主役の座を維持している。しかし、一方で汎用エンジン大手の本田技研工業 は2003年 に従来の同社のOHVエンジンより軽量コンパクトな SOHCエンジン、GX35 (排気量:35.8cc、主に1インチエンジンポンプ、動力散布機 、刈払い機 用)を発表し、続いて2005年 にもSOHCのiGX440 (排気量:438cc)を発表するなど動弁機構をOHV からSOHCに置き換えている。
脚注
注釈
^ 三菱自動車のジープ やジュピター など、JH4型エンジン搭載車のカタログの記述。
^ 高出力化のためにバルブのストロークを大きくとったハイリフトカムシャフトも「ハイカム」と略されるが、全くの別物である。
^ 日本製自動車メーカーのハイカムシャフト方式OHVエンジンの例:トヨタ・K型およびDOHCヘッド仕様を除くT型 、日産・A型、三菱・4G4型、ミンセイ・UD 各型など。ミンセイ・UDはユニフロー掃気ディーゼルエンジン のため、頭上弁はすべて排気弁である。
^ 中排気量クラスではトヨタ・15B-F型 と日野・N04C型系 、三菱ふそう・4V20型 などが、大排気量クラスでは三菱ふそう・6D40型 などがこれに該当する。
^ 4サイクルエンジンのみ
^ なお、スバルでも軽自動車用エンジンを含む排気量1,200 cc以下の直列エンジン は市販車初投入以降、一貫してSOHCもしくはDOHCである。
^ ただし一部の自動車用は例外的にタイミングチェーンやタイミングベルト が用いられる場合がある。
^ ただし、日本にも輸入されているスカニア のディーゼルエンジンはすべてOHVであったが、2023年11月に登場したスカニアSUPERはDOHCが採用された[7] 。
^ ピックアップトラックやSUVはライトトラック に分類され、アメリカでは関税が25 パーセント [8] かかる。かつては日本製の商用車にも自国産業保護名目で高い関税が課せられていたが、日米貿易摩擦を機に関税が下げられ、現在は無税である。
^ 例えば低中回転・低中負荷時に遅角する事で吸気が遅閉じとなりポンピングロス低減、排気遅開きになる事で膨張エネルギーの有効回収、排気遅閉じで内部EGR の導入ができ、省燃費性や排ガス清浄性の向上に寄与する。これは一般走行における負荷の低い大排気量車ほど有効となる。
^ ベントレー・ミュルザンヌ (2010)
^ 吸気側ではなく排気側を可変させるのは大排気量で大トルクのバイパーでは吸気側を制御せずとも低中回転でも十分な出力があるためメリットは少なく、排気側の制御による省燃費性、排ガス清浄の向上の方がメリットがあるため。
^ 当時、DFSエンジンなどレース専用のDOHC エンジンは排気量が2,660ccと規定されていたが、ビュイックエンジンなど市販車用エンジンのブロックを用いOHVかつ1気筒当り2バルブの場合に限り、3,430ccまで排気量を拡大することが許されていた。市販車ブロックのみの間はそれほど意味が無かったが、専用ブロックの使用が許可されたことでメルセデスとイルモアの計画が動き出すことになる。
^ 高回転高出力を実現するための機構の工夫も特徴で、ロッカーアーム にはスイングアーム式ローラーロッカーアームを採用。ロッカーアームやバルブリフター の支点、接点には全てニードルローラーベアリング を用いるなど徹底したフリクションロス低減の策が採られた。DOHCのDFSエンジンがカムが4本必要だったのに対し、OHVのメルセデスエンジンはカムが1本で済む事も軽量化の上で大きな差となった。
出典
参考文献
GP企画センター(編)、2000、『新版 クルマのメカ入門』、グランプリ出版
GP企画センター(編)、1999、『エンジンの基礎知識と最新メカ』、グランプリ出版
関連項目