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DOHCエンジンとは?仕組み/構造は?ツインカムとの違いとは?!

自動車のエンジンの高性能さをアピールする言葉で「DOHC」というものを聞いたことはありませんか?

少し前の車のCMなどで聞かれたフレーズなのですが、DOHCとはどういったものなのでしょうか?

今回はDOHCの構造や特徴などをご説明していきます。

DOHCエンジンとは

エンジン

DOHCはダブルオーバーヘッドカムシャフト(Double OverHead Camshaft)の略で、エンジンの動弁系の一部であるカムシャフトがエンジンの上側にあり、さらに2本配置されている構造のことを指します。

なおDOHCは構造の名称ですが、メーカーによっては名称を「ツインカム」と呼んだりもします。

エンジンの動弁系とはシリンダー上部にあるバルブを動かす機構のことで、エンジンの行程にあわせてバルブの開け閉めを行います。

その開け閉めはエンジンの回転数が上がるほど回数が増えていくので、動弁系は高回転域まで追従する応答性が重要となります。そこで生まれたのがDOHCという形式で、次のような構造を持っています。

DOHCの構造

DOHCはOHC(オーバーヘッドカムシャフト)の一種類で、バルブの開閉をコントロールするカムシャフトがシリンダーより上に配置されているのが特徴です。

OHCについては別の記事で詳しくご説明していますが、DOHCはOHCよりカムシャフトが一本多いことが構造上のポイントとなります。

バルブは吸気側、排気側の2種類があるのですが、OHCは一本のカムシャフトでこの両側をコントロールしています。

しかしDOHCでは吸気側と排気側それぞれに一本ずつカムシャフトを持っており、同時にバルブをカムシャフトで直接押す「直動式」にしやすいというメリットがあります。

OHCはカムシャフトとバルブの間にロッカーアームという別部品を介していることが多く、その部品の慣性質量があることで高速回転時には部品の動きにロスが生まれ、バルブの応答を悪くする要因となります。

ですがロッカーアームのない直動式ではカムシャフトからバルブが最短距離でつなげるので、最大限慣性質量の少ないバルブ系にできるのです。

このことからDOHCは高回転型エンジンに向いていると言え、エンジンの最高回転数が高くできるので最高出力やトルクも向上できるのがDOHCを採用する理由となります。

なお動弁系の動きは文字だけではなかなかわかりにくいので、ぜひ次の動画も参考にしてください。


DOHCの普及率

DOHCの構造が生まれたのは結構古く1920年頃になるのですが、構造が複雑なため自動車に普及するのはもっと後のことです。

MEMO

1950年代には量産車でもDOHCが登場してきますが、この頃はスポーツカーや高級車などコストの高い車に限られており、大衆車はOHVやOHCが一般的でした。

日本でも初めてDOHCが採用されたのは1963年になってからであり、それでも以前DOHCは高級車や一般車の上級グレードに限られるという状況が続きます。

ですが1970年代に入ると、国内では車のハイパワー競争が始まっており、景気の良さも相まってコストよりも車の性能の高さこそ魅力となっていました。

そのためこの頃からDOHCはハイスペック車に付き物の装備となり、DOHC自体がエンブレムに刻まれるなど自動車メーカーの売りの一つとなります。

そして1980年の中盤にはトヨタ自動車が量産車の殆どでDOHCの採用をするほど拡大し、それ以降DOHCは世界的にも車の標準的な装備として定着します。

1990年以降は国産車も海外車もほとんどの車種がDOHC化され、OHCは一部の車種に限られるようになります。

そのためDOHCは特別なものではなくなっており、現在では車の魅力を語る上ではあまりアピール性のない特徴ともなっています。

現在では燃費改善のためにOHCに戻すメーカーも出てきているので、むしろOHCに注目が当たっていると言えるでしょう。

DOHCエンジンのメリット・デメリット

メリット、デメリット

DOHCはOHCに対していくつものメリットを持ち、エンジン性能を高めることが可能なのですが、反面いくつかのデメリットも持ち合わせています。

DOHCのメリット

DOHCのメリットは複雑な構造からくる高い性能で、車のスペック向上には欠かせない技術となっています。

エンジンの高回転化

DOHCの最大のメリットはここまででご説明してきたようにエンジンの高回転化が可能という点です。

MEMO

エンジンの出力やトルクを高める方法はさまざまなものがありますが、最も基本的な方法はエンジンの最高回転数を高めることです。

エンジンの回転数が高くなれば、単位時間あたりにエンジンが生み出す出力が高まりますので、車の馬力とトルクの最大値を向上させることができます。

動弁系の応答速度は回転数の上限に直結するものです。

動弁系の慣性質量が大きいと高回転時のエンジンの回転にバルブの動きが追いつかなくなり、バルブジャンプやバルブサージングといった現象を起こします。

バルブジャンプはバルブの開閉が遅れて適切なタイミングで吸気と排気ができなくなる現象で、エンジンの動作が不安定となります。

バルブサージングはバルブ系がエンジンと共振現象を起こすことで異常な振動を起こすようになった現象で、共振によりこちらもタイミングがズレてしまいます。

こういった現象を起こさないためにはなにより慣性質量を少なくすることが重要で、DOHCが他形式より圧倒的に優れている点です。

また近年DOHCでもロッカーアーム方式のものが増えてきていますが、同じロッカーアームを使っていてもOHCより応答速度は速いという特徴もあり、これがDOHCが広く普及した理由です。

シリンダーヘッドの設計自由度の高さ

ロッカーアーム方式でもOHCより応答が良いのはDOHCの設計自由度が高いことも関係しており、とくにシリンダーヘッドを効率よい形状に設計しやすい構造と言えます。

OHCなどはカムシャフトが一本のためある程度部品配置に制限が多く、カムシャフトの位置とバルブの位置によってロッカーアームも大きなものとなります。

またシリンダーヘッドはエンジンの燃焼室の一部も形作っているのですが、バルブ位置に成約が多いため燃焼室形状を理想的なものにしづらいという欠点も持っています。

ですがDOHCは吸気と排気で完全に別れているので、比較的自由にカムシャフトの位置とバルブの位置を決められます。

そのため燃焼室形状を決める際に適切な位置にバルブを配置できるので、効率の良い燃焼室を実現できます。

またロッカーアームを採用してもOHCよりコンパクトにまとめられるので、その分慣性質量も減らせるのです。

こういった点からエンジンの効率化に対してもDOHCは有利であり、出力だけでなく燃費などに良い影響を与える面もあります。

カムシャフトにかかる負荷の分散化

カムシャフト

DOHCはカムシャフトが2本に分かれていますので、OHCで一本に集中していた負荷を分散することができます。

カムシャフトは高速回転しながらバルブを押す部品なので負荷が少ないと思われるかもしれませんが、実はそうではありません。

バルブを戻すときにはバルブスプリングというバネの力を使うのですが、それはバルブを押し下げる時にバネを縮める力が必要ということでもあります。

またバルブにはシリンダー内の圧力もかかっており、その圧力にも耐えながらバルブを開いています。

こういった力はすべてカムシャフトにかかってくるのですが、1本より2本に分散できるDOHCのほうがカムシャフト自体の耐久性を確保することができます。

1本のカムシャフトに力が集中してかかると、それに耐えるだけの強度と耐久性を求められるため、分散したDOHCのほうが有利となります。

吸排気のバルブタイミングの自由度

吸気と排気で2本に分かれている点は、吸気と排気のバルブ開閉タイミングを別々に決められるというメリットも持っており、1台のエンジンでさまざまなセッティングを可能としています。

バルブの開閉タイミングはエンジン出力や排気ガスのクリーン化に重要な役割を持つ点であり、エンジンの基本的なタイミングではなく、少し遅れて開閉させたりするほうが有利な場合があります。

OHCでもカムシャフトの形状でセッティングは可能ですが、もし何種類かのセッティングを同じエンジンで作り分けるためには、カムシャフトを完全に別のものとする必要があります。

ですがDOHCならば吸気か排気どちらかだけカムシャフトを変更したりできるので、設計自由度が高くなります。

またチューニングの世界においてもDOHCのほうが細かなセッティングが可能となるのでメリットがあります。

可変バルブシステムへの順応性

吸気と排気で独立しているという点は、近年採用が広がっている可変バルブシステムを組み込みやすいというメリットがあり、これはOHCではなかなか難しい点でもあります。

可変バルブシステムとは、バルブのリフト量や開閉タイミングを運転中に変更できるシステムのことで、電子制御や油圧によって動弁系のセッティングを何種類も実装することができます。

例えば低回転時と高回転時でリフト量を変えることで低速トルクと最高出力を両立させたり、燃費と出力の両立も狙えるため、大型車から小型車まで採用が増えています。

吸気と排気が別れているということは、可変バルブシステムによってそれぞれ別のセッティングを行うことができるので、吸気と排気のバルブシステムを柔軟に組み合わせることが可能となります。

OHCでも不可能ではありませんが、自由度という点ではDOHCのほうが範囲が広く、効果的な動弁系を電子制御でコントロールできるエンジンとなるのです。

DOHCのデメリット

DOHCはOHCに対してデメリットもいくつか持っており、どうしても複雑化するDOHCならではのデメリットと言えます。

構造の複雑化、重量増加

DOHC化でカムシャフトが2本に分かれるということは、それだけ部品点数が増えているということであり、構造の複雑化や重量増加が起こります。

カムシャフトはエンジン全長とほぼ同等の長さを持つ重たい部品で、エンジン部品の中では大きなものの一つです。

DOHCでは機能を2つに分けただけでなく部品自体が増えていますので、その分は単純に重量は増加しています。

またカムシャフトを駆動するためのタイミングベルト系も複雑になり、これも重量増加に影響します。

エンジンは車の部品の中では最も大きなものであり、重量がとくに走行性能に影響を与えます。

エンジン重量を減らすためには部品点数を削減することが重要なのですが、DOHCではどうしてもそれに逆行してしまいます。

また部品点数が多いことはコストの増加にも繋がっており、もともとこのデメリットのためにDOHCは一部の車種にしか採用されていなかったのです。

ですがコスト面は量産効果によってある程度改善できるので、DOHCが普及した現在ではコストの増加代は昔ほどではありません。

エンジン重心の上昇

DOHCの主要部品はすべてシリンダーヘッドの中に収められているのですが、それはエンジン上側に重量が増加することでもあり、エンジン自体の重心を上昇させてしまいます。

車の走行性能を阻害するものの一つに重心の高さがあり、高いほど横揺れ(ロール)が発生しやすいので走りが悪くなります。

DOHCはシリンダーヘッドが重たくエンジン重心も高めてしまいますので、結果的に車としての重心も上昇させてしまいます。

このデメリットは走行性能の重要なスポーツカーなどにはあまり喜ばれない特徴であり、このデメリットから未だにOHCすら採用しない車もあるほどです。

DOHCの部品自体の軽量化で改善はしているものの、基本的な構造としてどうしてもエンジンの重心は上がってしまいます。

摺動抵抗の高さによる燃費の悪化

2本のカムシャフトはエンジンの回転を伝達して常に回転しているのですが、その回転軸には常に摩擦による抵抗が生まれており、1本のカムシャフトより抵抗が増えるデメリットがあります。

OHCとDOHCでカムの数が変わらないとしても、カムシャフトが2本になったことでそれぞれのシャフトの保持部の摩擦は増加します。

ここで回転するときの抵抗を摺動抵抗といいますが、回転部分の多いDOHCのほうがOHCより悪化します。

摺動抵抗はエンジンの効率を低下させますので、その影響は燃費を悪化させるという面にも表れており、燃費重視のエンジンはOHCのほうが有利な場合もあります。

DOHCはエンジンのスペックが高いのは良いのですが、その分燃費がOHCより悪化するというデメリットを抱えていますので、これを嫌ってOHCに戻すメーカーも増えてきています。

DOHCエンジンの評価・口コミ

DOHCへの評価や口コミなどはTwitter上でさまざまなものが見られますので、今回はその中からいくつかご紹介していきます。

DOHCは魅力

車のパワー競争真っ直中の頃には、車のエンブレムに燦然とDOHCやTWIN CAMの文字が踊っていました。

今では考えられないのですが、DOHCというだけですごい車だという感覚があり、セールス上でも大きなメリットとなったのです。

DOHCが当たり前になった今では、HYBRIDやECOなどの文字がそれに変わっていますね。

DOHCは扱いにくい?

これも割と昔の話なのですが、当時のDOHC車は最高回転数と最高速度を重視するセッティングが多かったため、低速トルクがスカスカで普段使いにはOHCのほうが便利、ということがよくありました。

これはDOHCだからというよりはエンジンのセッティングの問題なのですが、それでも当時はDOHCというだけですごい魅力的でした。

現在はDOHCでも低速トルクがしっかりあるエンジンはいくらでもあり、DOHCだから低速トルクが少ないというわけではないのです。

DOHC化で魅力が無くなった?

DOHCは車の走行性能を高める上ではベストな選択肢のひとつであり、車の魅力を高めるもののはずなのですが、ことアメリカ車に関してはそうではありません。

アメリカの大排気量スポーツカーには伝統的にOHV形式が使われており、音や走行感覚がアメ車の魅力の一つだったのですが、2000年ごろから一部メーカーがDOHC化を行うようになり、逆に魅力が無くなったといわれることがあります。

走行性能や燃費を考えてのことだと思いますが、OHVでなくなると聞くと寂しくなるのも確かです。

DOHCエンジン搭載車

DOHCの搭載車は今では全く珍しいものではなくなっていますが、一時期はDOHCは上級グレードとOHCは一般グレード、いうような使い分けをされていた頃があります。

今回はその頃に人気のあったいくつかの車種をご紹介します。

日産 スカイライン R30型

 

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R30型スカイラインは1981年に登場した6代目のスカイラインで、当時の日産の威信を賭けた1台でもありました。

当時国内のスポーツカーはパワー競争のまっただ中で、年々向上する性能と新技術がどんどん車に盛り込まれていった頃でもあります。

そんな中トヨタがいち早くDOHC化を進めている中において5代目スカイラインは苦戦を強いられており、それを打開する切り札としてスカイラインにDOHCエンジンを載せる初めての車として登場しました。

R30型スカイラインにはそれまでのOHCエンジンであるL20型エンジンを載せるモデルと、新開発のFJ20 DOHCエンジンを載せるモデルが設定されています。

スペック2000RSターボ2000RSGTシリーズ
エンジン型式FJ20ET型 1,990cc 直列4気筒DOHC 4バルブターボFJ20E型 1,990cc 直列4気筒DOHC 4バルブL20ET型 1,998cc 直列6気筒OHCターボ
最高出力190PS/6,400rpm150PS/6,000rpm145PS/5,600rpm
最大トルク23.0kgm/4,800rpm18.5kgm/4,800rpm21.0kgf-m/3,200rpm

2種類のエンジンはどちらも2,000ccエンジンですが、L20ET型がターボを装着しているにもかかわらず最高出力145馬力、回転数5,600rpmとなっています。

ですが自然吸気エンジンのFJ20E型ではターボ無しにもかかわらず6,000rpmで150馬力を生み出す高出力ユニットとなっており、このあたりがDOHCの効果と言えるでしょう。

とはいえトルクに関してはターボエンジンに少し劣っていました。

ポイント

ですがその後追加されたFJ20ターボエンジンによってR30は比類なきパワーを手に入れ、史上最強のスカイラインと呼ばれるようになります。

ターボ化によって出力は190馬力まで増大し、最高回転数も6,400rpmまで伸びています。トルクに関してもL20エンジン以上のものを発揮するようになり、トヨタに打ち勝つパワーを手に入れました。

このR30型からスカイラインの第二世代が始まったと見てもよく、この後に続くR31型、R32型とも日産が世界に誇る車に成長しています。

トヨタ セリカXX A60型

 

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R30スカイラインのライバル車であるトヨタ セリカも同じ1981年に新型を発売しました。

トヨタではDOHCの採用はセリカ以外のトヨタ車で幅広く採用されていましたが、セリカXXとしては初採用となります。

エンジンが2.0Lと2.8Lの2機種あり、上級グレードのみDOHCとなっています。

スペック2800GT2000GT2000L
エンジン型式5M-GEU型 2,759cc 直列6気筒DOHC1G-GEU型 1,988cc 直列6気筒DOHC 4バルブ1G-EU型 1,988cc 直列6気筒OHC
最高出力175PS/5,600rpm160PS/6,400rpm125PS/5,400rpm
最大トルク24.50kgf・m/4,400rpm18.50kgf・m/5,200rpm17.5kgf・m/4,400rpm

セリカのベースグレードはOHCの2.0Lエンジンですが、6気筒ではありますが出力、トルクとも控えめです。

そのエンジンをDOHC化した1G-GEU型エンジンでは最高回転数が高まっており、出力で35馬力、トルクで1kgf増加しており、これがDOHCのわかりやすい効果です。

また上位機種は2.8Lまで排気量は大きくなっていますが、DOHC化でかなり高い出力を得ています。

R30スカイラインは2.0Lターボで少し高い出力を出しており、自然吸気エンジンにこだわるあたりはトヨタの考え方と言えるでしょう。

DOHCエンジンの今後

DOHCは現在エンジンの動弁系の主流となっており、設計自由度の高さと可変バルブ機構への適用性の高さは今後も環境重視のエンジンでは重要な点です。

ですが前述したとおり燃費に関してはOHCのほうが有利であることもあり、以前のようにDOHCが主流となるようにはならないでしょう。

様々な機構を持つDOHCとOHCが今後は混在していくことが予想されます。