エンジン性能

車は、空気と燃料を混ぜて爆発させることで力を生み出します。この爆発の力を利用して車を走らせているわけですが、より大きな力を得るためには、より多くの燃料と空気を混ぜる必要があります。しかし、ただ闇雲に燃料を増やせば良いというわけではありません。燃料を燃やすためには、それと釣り合う量の空気が必要です。そこでエンジンの性能を上げるためには、いかに効率よく空気をエンジンに送り込むかが重要になります。そのための技術の一つに、慣性過給というものがあります。 慣性過給は、空気の通り道、つまり吸気管の長さを調整することでエンジンの性能を高める技術です。吸気管は、空気を取り込むための管で、この管の長さを適切に設計することで、空気の流れを速くすることができます。これはちょうど、長い滑走路で飛行機が加速していく様子に似ています。飛行機は滑走路が長いほど十分に加速して飛び立つことができます。同様に、吸気管の長さを調整することで、空気はより勢いよくエンジンに流れ込むようになります。 さらに、吸気バルブの開閉するタイミングも重要です。ピストンが上下に動くことでエンジンは空気を吸い込みますが、このピストンの動きと吸気バルブの開閉タイミングを合わせることで、より多くの空気を吸い込むことができます。慣性過給では、吸気管の長さと吸気バルブの開閉タイミングを緻密に調整することで、ピストンの動きだけでは吸い込めない量の空気をエンジンに送り込むことができるのです。この結果、エンジンの出力とトルク、つまり車の馬力と加速力が向上します。まるで、風をうまく利用して帆船が進むように、空気の流れを制御することでエンジンの性能を最大限に引き出すことができるのです。

くるまの心臓部とも呼ばれる発動機の中には、吸排気と呼ばれる空気の出し入れを調整するしくみがあります。その重要な部品の一つに、カム軸と呼ばれる回転する軸があります。この軸には、山のような形をしたでっぱりがついており、これをカム山といいます。カム山の一番高い部分をカムノーズといい、これが吸排気を調整する弁の開閉時期を決定づける、非常に大事な部分です。 カム軸が回転すると、カム山、つまりカムノーズが弁を押して弁が開き、空気の出し入れを行います。カムノーズが回転して弁から離れると、弁はばねの力で閉じます。この開閉動作を繰り返すことで、発動機は適切なタイミングで空気の出し入れを行い、動力を生み出します。 カムノーズの形や高さは、発動機の性能に大きな影響を与えます。高いカムノーズは弁をより大きく、より長く開くことができ、たくさんの空気を出し入れできます。これは高回転で大きな力を出すことに有利ですが、低い回転ではぎこちない動きになることもあります。逆に、低いカムノーズは、低い回転で滑らかな動きを生み出すことができますが、高い回転では十分な力を発揮できません。 そのため、カムノーズは発動機の用途に合わせて綿密に設計されます。街乗りが中心のくるまには、低い回転で滑らかに動くように設計されたカムノーズが用いられます。一方、競技用のくるまのように高い回転で大きな力を必要とする場合は、高いカムノーズが用いられます。このように、カムノーズはくるまの性格を決める上で重要な役割を担っているのです。

車は、燃料を燃やすことで力を生み出し、その力で動きます。燃料を燃やすために必要な空気を取り込み、燃えカスを外に出すための大切な部品が弁です。この弁の開閉を調整するのが、カム軸という回転する部品です。カム軸には、山のように出っ張った部分があり、この山の角度と高さが弁の開閉のタイミングと量を決めます。このカム軸と、エンジンの動力を生み出す軸であるクランク軸との角度関係が、カム中心角と呼ばれるものです。 カム中心角とは、弁が最も大きく開いた瞬間の、クランク軸の回転角度を指します。この角度は、エンジンの調子に大きな影響を与えます。例えば、高回転で大きな力を出したいエンジンでは、カム中心角を大きく設定することがあります。これは、高回転時にはより多くの空気を取り込み、より多くの燃料を燃やす必要があるためです。弁を大きく開き、長く開けておくことで、多くの空気をエンジンに取り込むことができます。逆に、燃費を良くしたい、街乗りなどで使いやすいエンジンでは、カム中心角を小さく設定することが一般的です。 カム中心角の設定は、エンジンの性格を決める重要な要素の一つです。最適なカム中心角を見つけるためには、エンジンの使い方や目的、求める性能などを考慮する必要があります。例えば、力強い走りを求めるスポーツカーでは、高回転域での出力向上を重視してカム中心角が設定されます。一方、燃費の良い走りを求める乗用車では、低回転から中回転域での効率を重視して設定されます。 カム中心角の設定が適切であれば、エンジンは滑らかに回り、無駄なく力を発揮できます。しかし、設定が不適切な場合は、エンジンの力が十分に出なかったり、燃費が悪くなったり、排気ガスが汚れたりする可能性があります。そのため、エンジンの設計段階では、カム中心角を綿密に計算し、最適な値に設定することが非常に重要です。それは、まるで料理の味付けを決めるようなもので、エンジンの性能を最大限に引き出すためには欠かせない作業と言えるでしょう。

機関の吸排気を司る重要な部品、カム軸。この軸に取り付けられたカムの表面形状、すなわち輪郭こそが「カムの輪郭」であり、機関の性能を大きく左右します。カムは、軸の回転運動をバルブを開閉させる往復運動に変換する、いわば運動変換装置です。 カムの輪郭は、カム軸の中心からの距離と角度を基にカムの表面形状を示したもので、バルブがどれくらい、どのタイミングで開閉するのかを決定づけます。これをバルブのリフト特性と言います。この特性は、いわば機関の呼吸の仕方。深く、速い呼吸は大きな力を生み出しますが、燃料も多く消費します。反対に、浅く、遅い呼吸は力は小さいものの、燃費は良くなります。 カムの輪郭は、高回転域で大きな力を出すように設計することも、低回転域で燃費を良くするように設計することも可能です。例えば、競技用の車は高回転域で大きな力が必要となるため、バルブを大きく、長く開ける輪郭が求められます。一方、街乗り用の車は燃費性能が重視されるため、バルブを小さく、短く開ける輪郭が適しています。 つまり、カムの輪郭は用途に合わせて最適化される必要があります。高回転域での出力向上、低回転域でのトルク向上、燃費改善、排気ガスの浄化など、求められる性能によって理想的なカムの輪郭は変化します。まさに、機関の特性を決定づける心臓部と言えるでしょう。