半球形燃焼室
半球形燃焼室は、内燃機関のシリンダーヘッドにある、ドーム型の「半球形」の燃焼室です。このタイプの半球形燃焼室を備えたエンジンは、ヘミ エンジンとして知られています。実際には、完全な半球よりも小さい形状が通常採用されており、真の半球形プロファイルのバリエーション（または部分的なファセット）も使用されています。このような形状の主な利点は、圧縮率の向上（出力の向上につながる）と非常に大きな吸排気バルブ（吸排気ガスの流れが改善され、容積効率が向上し、出力が向上する）です。主な欠点は、バルブ トレインが複雑になること（バルブがヘッド内で互いに反対側に配置されるため）と費用（ヘッドとピストンの機械加工、および追加のバルブ トレイン コンポーネント）です。
半球形の燃焼室は 2000 年代でもまだ見られますが、マルチバルブ配置 (シリンダーあたり 4 個、さらには 5 個のバルブ) とオーバーヘッド カム(ダブル オーバーヘッド カムを含む) 配置の人気により、「ヘミ ヘッド」を採用する際の従来のトレードオフが変化しました。
歴史
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半球形燃焼室は、内燃機関の実現可能性が初めて実証されて間もなく、初期の自動車エンジンのいくつかに導入されました。その名称は、シリンダーヘッドのドーム状の凹部と、それに対応する形状のピストン上部が、球体の半分に近い空間（hemi- + -sphere + -ical）を囲んでいることに由来しています。ただし、実際には、実際の密閉空間は通常、半分未満です。
半球形のシリンダーヘッドは、少なくとも1901年から使用されており、[ 1 ] 1905年にベルギーの自動車メーカーであるパイプによって使用され、 [ 2 ] 1907年のフィアット130 HPグランプリレーサーによって使用されました。 [ 3 ] 1912年のプジョーグランプリカーと1914年のアルファロメオグランプリカーは両方とも4バルブエンジンであり、ダイムラーとライリーも当時半球形の燃焼室を使用していました。 1912年から、スタッツは4バルブエンジンを使用し、[ 4 ]概念的に現代の自動車エンジンを先取りしていました。他の例としては、 BMWダブルプッシュロッド設計（ブリストルカーが採用）、プジョー403、トヨタTエンジンとトヨタVエンジン（トヨタ初のV8エンジン）、ミラーレーシングエンジン、ジャガーXKエンジンなどがあります。[ 5 ]
技術と実装
半球形のヘッド（「ヘミヘッド」）は、ヘッドへの熱損失を最小限に抑え、効率的な燃焼室を実現し、2つの大型バルブを装備することができます。しかし、4つのバルブを異なる角度で配置するためのバルブギアの配置が困難なため、ヘミヘッドでは通常、1気筒あたり2バルブまでしか装備できません。また、これらの大型バルブは、同等のバルブ面積を持つマルチバルブエンジンのバルブよりも必然的に重くなり、一般的に大きなバルブリフトが必要になります。吸気バルブと排気バルブは燃焼室の反対側に配置されているため、「クロスフロー」ヘッド設計が必要となります。燃焼室は実質的に半球形であるため、より小さな燃焼室を使用しない限り、平坦なトップのピストンでは圧縮比が低下します。
半球形チャンバーを採用したエンジンの商品化における大きな課題は、バルブ作動の設計と、それをいかにして許容できるコストで効果的、効率的、かつ信頼できるものにするかということであった。[ 2 ]通常、吸気バルブと排気バルブを作動させるのにデュアルロッカーシステムかデュアルカムシャフトが必要となる。クライスラーが1950年代に半球形エンジンを開発していた頃から、その複雑さが指摘されていた。このエンジンのヘッドは、会社の広告ではダブルロッカーヘッドと呼ばれていた。[ 2 ] フォードが1980年代に開発したCVH（複合バルブ半球形）エンジンは、複雑なバルブ角度の形状とカムインヘッド構成を組み合わせることで、この問題を解決した。この構成により、ロッカーシャフトを2本使用することなく、単一のカムシャフトで半球形に配置されたバルブを作動させることができるようになった。
利点と欠点
ウェッジヘッド設計はバルブの作動を簡素化しますが、通常はバルブをチャンバー内に並列に配置し、ステム軸を平行にすることで実現します。これにより、シリンダーあたり2バルブ構成の場合、バルブヘッドの直径の合計がシリンダーのボア径を超えないように制限されるため、チャンバーへの吸排気の流れが制限されます。一方、バルブステムの角度が広がった半球形チャンバーでは、この制限は角度によって拡大されるため、オーバーヘッドバルブ構成ではバルブの総直径がボア径を超える可能性があります。別の方法については、 IOEエンジンを参照してください。
また、バルブ角度を広くすることでバルブシート面が傾斜し、シリンダーヘッドから出るポートへの吸排気の流路がより直線的になります。エンジニアたちは、バルブサイズを大きくしてポートを直線化することは高回転域での最高出力向上に効果的である一方で、吸気流速が遅くなり、通常の回転域では排出ガス、効率、出力のいずれの観点からも最適な燃焼状態が得られないことを知りました。
ドーム型ピストンは、一般的に、高い機械的圧縮比を維持するために使用されますが、これにより炎の伝播距離が長くなる傾向があり、シリンダーあたりのスパークプラグの数を増やさない限り、効率的な燃焼にも悪影響を及ぼします。
炎の温度が非常に高くなるため、過剰なNOx排出量が発生し、現代の基準を満たすには排気ガス再循環やその他の排出ガス制御対策が必要になる場合があります。半球形チャンバーの他の欠点としては、製造コストの増加と相対重量の増加（クライスラーのエンジニアによると、同等のウェッジヘッドよりも25%重い[ 6 ]）が挙げられます。これらの欠点により、現代ではヘミヘッドは人気を失っていましたが、クライスラーが2003年に再設計を行い、人気が高まりました。
 SOHC の断面図。クロスフロー設計、 半球形のチャンバー、 ロッカー シャフトの側面サポートを備えた オーバーヘッド カムの中心位置を示しています。 |
 ヘミエンジンは、 より複雑で多くの部品を必要とします。上の写真は、 ヘミヘッド2基の ダブルロッカーシステム と複雑なピストン鋳造部です。下の写真は、 ウェッジヘッド2基 の同等の部品です。 |
 ヘミ設計の大きな欠点は、 エンジン全体の大きさに比べてヘッドサイズが大きいことです。 クロスフローヘッドに必要なスプレイドバルブは 、より幅の広い鋳造部品を必要とし、大きなエンジンベイを必要とします。エンジニアは、エンジンの物理的なサイズを縮小しつつ （出力を維持または向上させながら） 実現することを目指しています。 |
使用
アルファロメオ
アルファロメオは長年にわたり、成功を収めたヘミヘッドエンジンを生産してきました。中でも最も愛されているエンジンの一つは、ジュゼッペ・ブッソが開発したオリジナルの2.5リッターV6エンジンでしょう。このエンジンは、後年の24バルブエンジンでさえ、史上最高かつ最も特徴的なサウンドを持つ量産エンジンの一つとして挙げられています。[ 7 ]この称賛の理由の一つは、オリジナルの2バルブエンジンの半球型ヘッドにより、ほぼ完全に直線的な排気ポートが実現し、エンジン音の薄まりや濁りが少なくなったことにあります。アルファロメオは、レースで培われた独特のエンジン音をほとんど失うことなく、より静かな純正排気システムを採用することができました。
アストンマーティン
アストンマーティンのDOHC V8エンジンは、1960年代後半から1980年代後半にかけて半球形のチャンバーを採用していました。4つのカムシャフトが、シリンダーバンクごとに1組のバルブを制御していました。アストンマーティンV8 5.3L（5340cc/325立方インチ）は、315馬力（235kW）のグロス出力を発生しました。
BMW
BMW は、応答性が高く耐久性に優れた SOHC ヘミヘッド直列 4 気筒M10エンジンの強みにより、世界的なブランドとなりました。最も有名なのは、 1960 年代と 1970 年代の 2002スポーツ セダンに搭載された 2 L (122 cu in) 排気量のエンジンです。
クライスラー
半球形燃焼室設計の最も広く知られた提唱者は、おそらくクライスラー社でしょう。クライスラーは、主に「Hemi」という名称を商標登録し、1960年代から広告キャンペーンで広く使用することで、その名を知られるようになりました。クライスラーは、1950年代のクライスラー・ファイアーパワー・エンジン、1964年にNASCAR向けに開発され1970年代初頭まで生産された426 Hemi 、そして2003年から2024年にかけての「ニューHEMI」と、3世代にわたるエンジンを製造してきました。クライスラー「Hemi」エンジンの最新版は、真の半球形ヘッドよりも燃焼効率を向上させるため、扁平回転楕円体（平らな球体）の一部をヘッド形状に採用しています。[ 8 ]
フォード
1964年、フォードはFEベースのシングルオーバーヘッドカム425立方インチV8エンジン「427 SOHC「カマー」 」を製造しました。レースでの使用を目的に90日間の集中的なエンジニアリング作業を経て設計されたこのエンジンは、[ 9 ]フォードの市販車には搭載されず、フォードのパーツカウンターでオプションエンジンとして販売されました。[ 10 ]当時の動力計の結果によると、SOHCヘミはクレート型（1リットルあたり100馬力）で約700馬力（522kW）を出力しました。[ 11 ]サイドオイラーエンジンブロックを改造し、ブロック内カムをディストリビューターとオイルポンプを駆動するアイドラーシャフトに置き換え、オーバーヘッドカムシャフトのその他の問題にも対処しました。[ 9 ]オーバーヘッドカムのおかげで、プッシュロッドと重く複雑なバルブトレインを持つクライスラーヘミほど回転数制限が厳しくありませんでした。[ 12 ]
そのパワー出力と、クライスラーがNASCARの責任者ビル・フランスにDOHC 426 Hemiが開発中である旨を伝えていたため、このエンジンはNASCARレースでは禁止されたが、特定のドラッグレースクラスでは許可された。
フォードの後継エンジンである半球形チャンバーを採用したカリオペは、2つのインブロックカムを上下に配置し、半球形チャンバー1つにつき3つのバルブを駆動する構造を採用した。[ 13 ]上部カムシャフトからバルブを駆動するプッシュロッドはほぼ水平に配置。1968年、フォードは全く新しい385シリーズエンジンファミリーを発表した。これは半球形チャンバーを改良したセミヘミ型を採用したエンジンであった。[ 14 ]
1970年代、フォードは燃費向上への懸念の高まりに対応するため、半球形ヘッドを備えたスモールブロック「ウィンザー」エンジンを設計・製造しました。しかしながら、当時としては先進的な層状給気室への直噴システムを採用したにもかかわらず、[ 15 ] [ 16 ]排出ガス規制に適合するほどクリーンなエンジンには至りませんでした。さらに、バルブ駆動システムのコスト、燃料を給気室に直接供給するための高圧ポンプ、そしてポンプを駆動するためのギルマーベルト駆動システムのコストもかさみ、当時の開発はもはや無意味なものとなりました。
1980年代のフォードの4気筒エンジンのほとんどは、フォードCVHエンジンを搭載していました。「CVH」は複合バルブ、半球形（燃焼室）を意味します。1986年以降、このエンジンのシリンダーヘッドはハート型のリーンバーン燃焼室に改造され、マルチポイント燃料噴射の恩恵を受けない低性能モデル（ヨーロッパでは1.4L、1.6L、1.8L）に搭載されましたが、口語的には依然としてCVHと呼ばれていました。
ジャガー
1949年に導入されたヘミヘッドのジャガーXKエンジンは、ル・マン優勝車DタイプからXJ6まで幅広い車種に搭載されました。[ 17 ]
ランボルギーニ
1963年に設計され、50年以上にわたって生産されたランボルギーニV12は、半球形のチャンバーを使用していまし た。
ランチア
ランチアV4 エンジンとランチア V6エンジンはどちらも半球形の燃焼室を使用していました。
蓮
ロータスは、ロータス・フォード・ツインカムのように半球形のチャンバーを使用しています。
メルセデス・ベンツ
半球形の燃焼室は1980年に導入されたM102エンジンの特徴であり、クロスフローヘッドの設計と相まって、置き換えたM115エンジンよりも高い効率を実現しました。 [ 18 ]
MG
MGAツインカムは、1958年から1960年にかけて製造されたプッシュロッド式MGA 1600 MkI MG MGAシリーズの派生型でした。オリジナルのプッシュロッド式1588cc鋳鉄ブロックに、鋳造アルミニウム製のツインカム2バルブシリンダーヘッドが取り付けられていました。初期型は、プレイグニッション（デトネーション）やオイル漏れにより、街乗りでもレースでも脆弱であることが判明し、ピストンの再設計に伴い圧縮比が9.1から8.3に低下しました。この改良は成功を収めましたが、販売が急激に落ち込んだため、同社はツインカムの生産を中止し、プッシュロッド式エンジンを搭載した一部のMGA（MGA 1600 MkIおよびMkII DeLuxeモデル）に同じシャーシを採用しました。
三菱
三菱は、「オリオン」、「アストロン」、「サターン」ユニットを含むいくつかのヘミエンジンを製造しました。
日産
日産のZ、VG（SOHC版のみ）、DOHC VQエンジンは半球形の燃焼室を採用しています。ZとVGは真の半球形ですが、VQは複合ペントルーフ形状を採用しています。
ポルシェ
ポルシェは、1963年から1999年までポルシェ911モデルに搭載された空冷水平対向6気筒エンジンをはじめ、ヘミヘッドエンジンを広く採用してきた。1973年の2.7Lバージョンは、自然吸気1リットルあたり56馬力を出力した。[ 19 ]
トヨタ
トヨタのV型エンジンファミリーは、1960年代から1990年代にかけて、名車トヨタ・センチュリーに搭載された縦置きV8エンジンです。トヨタはヤマハと共同で、日本製初のフルアルミ合金ブロックエンジンを開発しました。V型エンジンファミリーは、シリンダーヘッドの設計がクライスラーのHEMIと似ていることから、トヨタHEMIと呼ばれることがよくあります。ただし、エンジン設計の大部分は完全に異なります。
当時の 他のトヨタ製エンジン（T、2M、4Mなど）は半球形の燃焼室を採用しており、点火プラグは燃焼室の上部に配置されていました。
現代のエンジンの設計の進化
現代の排出ガス時代では、半燃焼室はより洗練された複雑な設計に変化し、特定の燃焼イベントからより低い排出ガスでより多くのパワーを引き出すことができるようになりました。
今日のエンジンの多くは、「アクティブ燃焼室」を採用しており、燃焼室内の燃料と空気の混合物を回転させて渦を巻き、可能な限り効率的な燃焼を実現しています。[ 20 ]これらの燃焼室は通常、インゲン豆のような形、またはピストン上部の平らな急冷領域に囲まれた2つの小さな「ヘミ」領域が結合したような形状をしています。 [ 21 ]
参考文献
- ^ 「HEMIプロトタイプ」。Curtis Boat & Woodworking Co. 2022年3月14日閲覧。
- ^ a b c「Mopar Hemiエンジン、Ardun Heads、Riley車の起源」Allparフォーラム。2020年11月16日。 2022年3月14日閲覧。
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- ^カッツェル、レイモンド・A. (1996). 『スプレンディッド・スタッツ』スタッツ・クラブ. ISBN 0-9654709-0-3。
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