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カムシャフト (camshaft)

カムシャフト (camshaft) とは、エンジンの構成部品の一つで、バルブを開閉する各気筒のカムをまとめて1本に備えているシャフト(軸)である。断面が卵型のカムが複数連なったもので、回転の中心と外周までの距離は一定ではない。カムシャフトはクランクシャフトからのタイミングチェーンなどにより回転が伝えられている。4ストローク機関ではクランクシャフトが2回転する間に、カムシャフトは1回転する。

自動車の種類


自動車が誕生して、まだ百数十年であるが、すでに産業の中核となって久しい[要出典]。その区別は、当初は技術的観点からはじまった。販売する対象が一般大衆になり、販売の観点から、さまざまな区別がなされるようになった。一般化により法的規制もなされ、特に税や許可(ライセンス)の観点からの区分がはじまる。これらは、それぞれが独立したものではなく、相互に影響を及ぼしている。また、固定したものではなく、時代によって変遷があるため、種類・分類を理解のためには歴史の流れの視点で見ることが必要となる。法令による区分は最も変化しないが、技術的観点、販売の観点の区分では、従来区分に加えて新区分の追加が常におこなわれるため、その変化が大きい。[要出典]
分類(区分)の主要な観点
技術的観点
販売(マーケティング)の観点
各国の法令(免許制度、税制、排ガス規制など)の観点
歴史的流れからの観点
19世紀末の自動車産業の創成期から自動車業界では、それまで主流となっていた交通機関である馬車の種類を当てはめて区別されることが主流だった。馬車の種類の呼称の多くは欧州でつくられたもので、現在でも使われている。1910年代から1920年代で米国自動車産業は成長し、その後も第二次世界大戦からの復興に労力を費やした欧州と比べ米国の成長は著しく、1950年代には米国自動車産業は世界の中心となっていた。特に販売の観点からの区分は、米国で長らく販売第一位を保っているGMの影響は大きく、1950年代からGMが主導した車種多様化による販売上の差別化によりカテゴリー呼称も多様化した。この流れは現在までつづいており、常に新しい需要を喚起するようなものが導入され、変化に富んでいる。

エンジンにおけるシリンダー


初期のエンジンにおけるシリンダーはエンジンにおいて最大の部品だった。ピストンがもたらす摩擦を如何に軽減するかについて様々な実験が行われた。蒸気エンジンでは発生する水分が減摩材として作用する為、潤滑機構は無いか、あっても簡単なものであった。
外燃機関のシリンダーは、燃焼室が無い為対称的な構造をもつ。作動流体の熱エネルギーを膨張によって運動エネルギーに変換しピストンに伝達する。シリンダー内側は滑らかな場合が多く、ピストンにはガスケットが取り付けられ二つの部屋を分離密閉している。ピストンの運動は直線の往復運動の形で取り出され、外部のクランクによって回転エネルギーに変換している。シリンダーは付属するスライドバルブによって吸気排気が切り替えられ、一往復で2回運動エネルギーを取り出すことができる。主に蒸気機関に用いられた。スターリングエンジンのようにシリンダーが熱交換器として作用するものもある
内燃機関のシリンダーは外燃機関の機能を踏襲しており、基本的な構造や役目は外燃機関と似ているが、複雑になった。 一端はピストン・シリンダーヘッドと共に燃焼室を形成し、その密閉された容積により燃料と空気(混合気)を圧縮する。 圧縮された混合気は点火され、爆発燃焼する。燃焼して生じた燃焼ガスが持つ熱エネルギーによる膨張をピストンで受け運動エネルギーに変換する。 燃焼室の反対側ではピストンの運動をコネクティングロッド(コンロッド)・クランクシャフトにより回転エネルギーとして取り出す為の開口部となる。 水冷エンジンにおいては外壁または二重構造による中空部でウオータージャケットを形成して冷却を行う。 2ストローク機関ではシリンダーに開けられた穴・インテークポートとエキゾーストポートにより掃気が行われる。 シリンダー内側はホーニング加工されており、クランク側から供給される潤滑油を保持しピストンが滑らかに動くよう潤滑する。ピストンには複数のピストンリングが取り付けられ気密を保ち、シリンダー壁面の油膜を最適に保つ。
ピストンと共にエンジンの中枢部を構成する。
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのシリンダーはかつては単体の部品で、鋳鉄製の筒が一般的であった。現在の主力は摺動部の耐磨耗性の観点からシリンダーライナーを導入しシリンダーブロック(シリンダージャケット)に圧入もしくは鋳造時に鋳込んで用いるもの。シリンダーをシリンダーブロックと共に一体鋳造とした方式が普及しつつある。これに対してライナーを導入しない方式はライナーレスエンジンと呼ばれるが、シリンダー内壁にニッケルシリコン合金(Nikasil:ニカシルorニカジル(商標))に代表される金属酸化物添加合金をめっき(溶射)するもので、1967年NSU・Ro80に使用され、ポルシェが1970年にレースカー(ポルシェ・917)に採用したのをはじめ、主にハイエンド仕様やレース仕様の車や小型車、バイクを中心に普及した。ライナーレス仕様は軽量で放熱性に優れ、ピストンリングと親和性が高いのが特徴。またピストンもシリンダーも同じアルミニウム合金で作る事ができるため、熱膨張してもクリアランスが保たれエンジン出力の向上に寄与する。溶射部分の耐久性は鋳鉄と同等以上であり、表面にほどこされたホーニング加工をエンジン寿命の終期まで保ち続ける。一方量産性と溶射加工時のスループットが長いことから加工コストが高くなる。
部品点数の削減と剛性の向上を図るため、クランクアッパーケースとシリンダーブロックを一体鋳造したエンジンもあり、3ピースエンジン等と呼ばれる。
ヤマハ発動機はライナーレス方式を発展させ、シリンダーブロック全体をアルミニウム・シリコン合金でつくり、メッキさえも不要としたDiASil(ダイアジル)シリンダーを開発した[1]。この方式によればメッキ方式に見られるスループットの問題は改善されるが、硬度が高く鋳造後の加工が困難となるのが欠点である。
船舶用エンジンはシリンダー・ピストンが巨大であり、大量の空気を充填し、きわめて長くて太いシリンダーで効率的に大きな出力を獲得できるよう工夫してある。

エンジンの仕組み レシプロエンジン


エンジンの代表例として、内燃機関の一種である『レシプロエンジン』の仕組みを以下に記す。
ガソリンやアルコール等の揮発性の高い液体をシリンダー内部の燃焼室内に空気と適当な混合比になるように吸入、圧縮、電気火花で着火してエンジン内で爆発を起こさせる。通常、爆発力は着火場所を中心にして放射状に拡散するが、エンジンという機械はその爆発力を効率良く取り出す必要がある。爆発に十分に耐えられる構造のシリンダー内で起きた爆発力は、逃げ道を探して、シリンダー内を行き来するピストンと呼ばれる部品を押す力となる。そこで、放射状に拡散する爆発力が直線(往復)運動に変わる。次にコネクティングロッド(コンロッド)とクランクシャフトが連動して往復運動を回転運動に変え、この連続により、クランク軸から動力を出力する。

自動車・オートバイでのラジエター


水冷式エンジンを搭載する車種においては、エンジンで発生する過剰な熱を発散するための装置であり、アルミニウム製などのフィン付きの細管を多数並べた構造をしている。細管内部に冷却水を満たし、同じく冷却水を満たしたエンジンのウォータージャケットと接続して冷却水を循環することにより、エンジンの冷却を行う。
冷却水は加圧により100℃では沸騰しないようになっていて、より効率的にエンジンの冷却を行う。外気温が0℃を下回る環境では冷却水が凍結-膨張することで、ラジエターのみならず、シリンダーブロックをも破壊することがある。この対策として、冷却水にロングライフクーラント(LLC)や不凍液などを添加し、凍結を防止する。
冷却用ファンは気体の特性から、押し込み式に較べ、吸引式が効率に優れる。この場合も確実に吸引できるようシュラウド(覆い)の併用が望ましい。シュラウド後端からファンが顔を出すあたりに効率の良い範囲がある。

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