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ツインカムエンジンとは?仕組みは?搭載車を日本車/外車の車種からそれぞれ紹介!

自動車用のエンジンにはその性能を表すさまざまな記号がつくことがあるのですが、その一つに「ツインカム」があります。

車の後ろに「TWINCAM」という英語が書かれている車がありますが、それがどんな仕組みなのかは知らない人が多いのではないでしょうか。

今回はそんなツインカムエンジンについてご説明します。

ツインカムエンジンとは

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エンジンで言うところのカムとは動弁系(バルブ)のタイミング制御をしている部品のことで、ツインカムエンジンはそのカムを構成するカムシャフトが2つある仕様を指します。

動弁系はレシプロエンジンには必須のシステムですが、同じ自動車用のロータリーエンジンには不要なものです。

今後エンジンと呼ぶ場合は基本的にレシプロエンジンと考えてください。

ツインカムエンジンの特徴を理解するには動弁系のメカニズムを知っておく必要がありますので、まずは「OHV」と「OHC」について簡単にご説明しましょう。

動弁系の種類

自動車用として一般的なレシプロエンジンはピストンとシリンダーで動力を産み出すエンジンで、4ストロークエンジンでは吸気→圧縮→爆発(膨張)→排気、の4行程を繰り返し行います。

MEMO

この際シリンダーに燃料と空気を送り込んだり燃焼の終わった排気ガスを排出したりしなければならないのですが、一方で圧縮や爆発時にはシリンダーは密閉されていなければなりません。

その切り替えを行うのが動弁系で、バルブという部品で吸気、排気の通路を開け閉めしています。

バルブの開閉タイミングを調整するのがカムシャフトで、楕円形で偏心して回転するカムとバルブを連結することでカムの回転位置によって開閉が起こります。

カムシャフトはクランクシャフトと繋がっており、エンジンの回転と完全に同期するようになっています。

動弁系には必ずバルブとカムシャフトは必須でその組み合わせや搭載位置によっていくつか種類がありますが、基本的には吸気側バルブのカムも排気側バルブのカムも一本のカムシャフトについており、回転しながら吸気と排気を開け閉めします。

動弁系の構造にはエンジンの黎明期にはサイドバルブなどいくつかの種類があったのですが、現在ではほぼオーバーヘッドバルブタイプが占めています。

オーバーヘッドバルブはシリンダーの上にバルブを配置していることからこういう名称となっており、上から下へバルブを押し下げることで吸気、排気の開け閉めをやっています。

オーバーヘッドバルブには主に2種類の方式があり、OHV(オーバーヘッドバルブ)式とOHC(オーバーヘッドカム)式の二つです。

OHV(オーバーヘッドバルブ)式

OHVは割と古い形式で、カムシャフトはクランクシャフトのすぐ脇にあってチェーンやギアでの直動形式となっています。

カムシャフトがエンジンの下、バルブはエンジンの上にあるので、その間を押し上げるプッシュロッドという連結棒と、その先でバルブを押し下げるロッカーアームで繋いでいます。

OHVは構造が単純で関連部品が少ないことから作りやすい仕様といえ、1970年より前の車はほとんどOHVでした。

エンジンがわりとコンパクトにまとめられ、とくにエンジン全高を抑えられます。

しかしOHVはカムシャフトとバルブをロッドとロッカーアームで繋いでいる関係上、高回転にいくに従って追従性が悪化する特性があり、高回転型エンジンには不向きなものでもあります。

ですが耐久性は高いので、常用回転数の少ないディーゼルエンジンなどにはぴったりの形式です。

MEMO

またOHVは米国では熱狂的なファンを持つ形式でもあり、いまでも大排気量のV8エンジンなどで採用が続いています。

アメ車は大排気量で回転数を上げすぎないエンジンとなっているのでOHVのデメリットがあまり関係ないこともあるのですが、それよりアイデンティティのひとつというのが大きいですね。

OHC(オーバーヘッドカム)式

オーバーヘッドカムはカムシャフトもエンジンの上側に配置された方式で、クランクシャフトからカムシャフトまではタイミングベルトと呼ばれるベルト、もしくはチェーンによって連結されています。

そしてカムシャフトがバルブのすぐ上に配置できるので、OHCではカムシャフトでそのままバルブを直接動かすことが可能となります。

ただOHCではカムシャフトとバルブの間にロッカーアームを挟む形式が一般的です。

OHCはOHVの欠点である高回転への追従が可能となる方式で、カムシャフトとバルブの間にプッシュロッドを挟まないので回転数の上昇をダイレクトにバルブに伝えることができます。

そのため高回転型エンジンに向いている形式で、OHVが主流の1970年代においては高性能車の代名詞となったものです。

しかし反面エンジンの上側にバルブとカムシャフトなどが乗っかるためエンジン重心が高くなる欠点があり、またエンジン全高が高くなります。

登場した当時は信頼性の欠如やクランクシャフトとカムシャフトの連結に複雑な機構をもうけていたためコストも高かったのですが、タイミングベルトの採用によって今ではコストも低くなっています。

さて表題のツインカムエンジンですが、それはこのOHCの発展型であるDOHCを指す言葉なのです。

DOHC(ダブルオーバーヘッドカム)式

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ツインカムエンジンはその名の通りカムシャフトを2本設けたエンジンのことで、OHCのカムシャフトを増やした形式を指します。

これをDOHCと呼び、OHCよりさらなる高性能車としての代名詞となりました。

ポイント

OHCでもOHVに比べれば高回転への追従製は上がりましたが、DOHCではさらに追従性を高めるために吸気側と排気側のバルブを独立して稼働させる2本のカムシャフトを備えています。

DOHCではカムシャフトによるバルブの直動化が可能となり、間にロッカーアームを挟む必要がなくなることでさらに追従性が向上しました。

ただバルブのリフト量を確保するためにあえてロッカーアームを採用する場合もあり、すべてが直動式というわけではありません。

またOHVやOHCでは一本のカムシャフトで吸気と排気のバルブをコントロールしていたため、カムシャフトとバルブの相対位置に制限が多く、燃焼室の形状やバルブの位置の設計自由度がすくないのも欠点でした。

DOHCでは吸気側と排気側が自由に配置できるようになったのでより理想的な設計を盛り込むことができ、高回転化を狙わない設計でもエンジンの高性能化を狙うことができるのです。

またDOHCではバルブの数を増やすことも容易になり、それまで吸気側1バルブ、排気側1バルブだったものが、吸排気効率のアップのためにシリンダーへの経路を増やした、吸気側2バルブ、排気側2バルブの1シリンダー4バルブが標準となりました。

MEMO

この特性から登場当初は高性能車、高速向けのエンジンとなっていましたが、1986年にトヨタ自動車が吸排気効率のアップと燃焼室形状の自由度をいかして燃費、環境対策のためにDOHCを採用しはじめてから状況が変わりました。

これ以降国内メーカーはもとより海外メーカーでもDOHCの採用が続々と始まり、現在ではほとんどの主要メーカーで小型車から大型車までDOHCがメインとなっています。

”ツインカム”の表記

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DOHCの採用が増えた1980年代からは、車のセールスポイントのアピールのために車の後部に「DOHC」や「TWINCAM」などのエンブレムが付くようになりました。

バルブの数もあわせて表記することもあり、TWINCAM24(4バルブ6気筒)やTWINCAM 16VALVE(4バルブ4気筒)などさまざまな表記があり、バルブの数の多さはエンジンをよく知らない人にも何となく高性能を伝える役に立ったのです。

もちろん小型車などでは低コスト化のためには1シリンダー2バルブがよいのは確かなのですが、それより環境性能を優先した結果、現在では大型車から軽自動車までほとんどの車種が4バルブのツインカムエンジンとなりました。

そのため現在では前述のようなエンブレムがつくことはほぼなくなり、それよりは「ECO」や「 HYBRID」などのエンブレムが増えたのは時代の流れですね。

MEMO

なお「ツインカムエンジン」という言い方は別の形式を表す場合があり、それは動弁系が左右に別れるV型エンジンにおいてです。

OHC形式でV型エンジンを構成すると左右のバンクそれぞれにカムシャフトが必要となり、エンジン全体としては”ツインカム”となるためです。

ですがこの表記はあまり一般的ではなく、一部のメーカーが使うのみです。

またDOHCが一般的となったことで従来のOHCは「SOHC(シングルオーバーヘッドカム)」と呼ばれるようにもなっています。

ツインカムエンジンのメリット・デメリット

ツインカムエンジンのメリットは前述したように次のようなものがあげられます。

  • 高回転へのバルブ追従性の向上
  • 燃焼室、バルブ配置などの自由性向上
  • 吸気側、排気側が独立して制御可能

これらのメリットに加えて近年では別のメリットも出てきており、DOHCの優位性はまだまだ高いのです。

反面デメリットもいくつかありますが、現時点ではメリットのほうが上回っています。

ツインカムエンジンのメリット

エンジンのバルブのリフト量(吸気と排気の開閉量)やバルブの開閉タイミングははエンジンの性能に大きな影響をあたえるものであり、エンジンの回転数によって最適な設計は違います。

ですが自動車用エンジンは低回転から高回転まで使用されるため常に最適な状態にはならず、これまではある一定のリフト量や開閉タイミングで固定されていました。

これを解決する手段が可変バルブタイミング機構で、DOHCはこれに適応させやすい形式です。

可変バルブタイミングはカムシャフトの位置やタイミング、また専用のカムシャフトに変化させることでバルブのリフト量とタイミングを調整する機構で、カムシャフトに電子制御式の機構をもうけることでコンピューター制御によってコントロールします。

これによって低回転から高回転までの安定した性能を発揮できたり、エンジン効率をあげて燃費をよくしたりと、さまざまな効果が期待できます。

またバルブを閉じて特定のシリンダーだけを休ませる気筒休止機構にも応用でき、これも燃費向上が期待できます。

DOHCでは吸気と排気を別々にコントロールできるので可変バルブ機構を組み込みやすく、細かな制御ができるのがメリットです。

MEMO

SOHCやOHVでも可変バルブは可能ですがDOHCほど細かな制御は難しくなります。

可変バルブ機構は燃費や環境性能達成のために今後さらに重要となる技術で、DOHCあってのものといえます。

ツインカムエンジンのデメリット

ツインカムエンジンは現代のエンジンに必要不可欠な構造なのですが、一方でデメリットもいくつかあります。

シリンダーヘッド部の大型化

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まずDOHCでデメリットとなるのは動弁系を納めているシリンダーヘッド部が大型化することで、2本のカムシャフトとバルブ関係の部品が多いことで重量も増加します。

このデメリットはOHV→OHCへの変更でも起こるものですが、DOHCではさらに大型化してしまいます。

またカムシャフトとクランクシャフトを繋ぐタイミングベルトも、1本から2本に連結させなくてはならないことからスペースを取るようになり、エンジンの上部構造はかなり複雑で大きくなってしまいます。

またエンジンの上部が大きくなることでエンジン本体の重心が上に上がってしまい、自動車部品の中でもっとも重量のあるエンジンの重心が上がることはそのまま車の重心をあげることに繋がってしまいます。

それは車の走行性能に少なからず影響を与えてしまうことから、アメ車ではOHVを採用していることにも繋がります。

シリンダーヘッドの大型化は直列エンジンでは重心増加になりますが、シリンダーヘッドが左右に横置きされる水平対向エンジンではエンジンの左右寸法の増加に繋がり、車への搭載性を悪化することになります。

このデメリットがあるので長らく水平対向エンジンをフロント搭載してきたスバルではOHV形式が使われてきたのですが、近年は環境性能を重視してDOHC化がされました。

フリクションロスの増加

DOHCはSOHCに対して高回転化、高性能化が可能な構造ですが、すべてが進化しているわけではなく、とくに燃費に影響するフリクションロスはDOHCのほうが悪化します。

回転するカムシャフトやそれと接触しているバルブ関係の部品は摩擦しながら動力を伝達しており、少なからず摩擦によるロス「フリクションロス」を産み出します。

このロスは出力の低下や燃費の悪化をもたらすもので、DOHCではカムシャフトと関連部品の増加によってフリクションロスが増加する傾向にあります。

この事から燃費を重視するエンジンにおいてはいまでもSOHCを採用する場合もあり、決してDOHCだけが新型エンジンに使われるわけではないのです。

燃費重視で高回転、高速域を重視しないのならSOHCで十分です。

部品点数の増加とコスト増

DOHCは他の形式に対して部品点数はほぼ倍となってしまいますので、どうしても部品点数の増加によるコスト増が問題となります。

DOHCが登場した当初はクランクシャフトからカムシャフトまでの接続で高コストだったのですが、それはタイミングベルトの採用でクリアされ、量産エンジンの域までコストダウンが図れたのです。

ですがSOHCと比べるとやはり部品点数は多いことになりますのでコストは高めであり、前述のフリクションロスの点とあわせて燃費重視の小型車向けにはDOHCは採用しずらくもあります。

日本では車のエンジンはDOHCでなければ性能が悪いと見なされていた時期が長く、SOHCとなるとセールス面においても不利だったのですが、環境性能と燃費が重視される現代においてはSOHCも復権してきています。

ツインカムエンジンの評価・乗り心地

ツインカムエンジンは今では珍しいものではなくなりましたが、登場した当時は車のセールスポイントのひとつでした。

今回はそんな時代のツインカムエンジンについての投稿をTwitterから集めてみました。

ツインカムエンジンは高性能の証

世界に先駆けてツインカムエンジンの量産化を進めたトヨタですが、当初はツインカムの特別な車種にしかGTというグレードを使わないようにし、いまでいうプレミアム感を出すことに活用していました。

とくにスポーツカーではその傾向が強く、代表車種であるセリカのキャッチフレーズだったようですね。

右も左もツインカム

ツインカムエンジンの普及が進んだ1990年ごろになると、さまざまな車種でツインカムの表記が見られるようになり、高性能車のアピールのためにボディのさまざまな場所にデカールが貼られるようになりました。

とくに高性能とは無縁だった軽自動車にもその波が来たことにより、小排気量ながら高回転まで回るエンジンがたくさん登場しました。

当時の車は必ずといってよいほどTWINCAMやバルブ数の表記があって、とにかく車の走行性能が重視された時代だったのです。

現在ではツインカムは当たり前の存在となってしまったので、セールスポイントとしては微妙なものになりましたね。

ツインカムエンジン搭載車

ツインカムエンジンの搭載車は今ではあり振れていますので、今回はSOHCとDOHCでどのぐらい性能が違っているかをいくつかの車種で比較してみましょう。

見るべき点はエンジンの最高回転数です。

4代目トヨタ セリカST/GT

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トヨタ セリカはトヨタが生産していたスポーツカーで、ラリーに参戦するなど本格的なスポーツ性能が売りでした。

初代からセリカにはSOHCとDOHCのエンジンが何機種か設定され、DOHCは高性能車の証である「GT」の名称で差別化してあります。

1985年発売の3代目セリカでは発売当初はSOHCとDOHCが両方設定されていましたが後期には全車DOHC化され、トヨタ車の全車DOHC化の先駆けとなる車種です。

セリカ STセリカ1600
TWINCAM16
エンジン形式1S-iLU4A-GELU
エンジンスペック1,832cc 直列4気筒
SOHC
1,587cc 直列4気筒
DOHC 16バルブ
最高出力 89PS/5,400rpm111PS/6,600rpm

セリカのベースグレードには前型車から受け継いだ1.8LのSOHCエンジンがありましたが、GTでは1.6L DOHC 16バルブの4A-GELUが搭載されました。

このツインカムエンジンはスーパーチャージャー付きなので排気量は小さくても高出力ですが、今回見るべき点はその回転数です。

MEMO

SOHCのエンジンは5,400rpmで最高出力に達するのに対し、DOHCでは6,600rpmと実に1,000rpm以上の差があります。

DOHC化だけの恩恵ではないでしょうが、それでも同時代のエンジンでこれほどの差があると、走行感覚も爽快感もずいぶん違うものとなります。

DOHCに乗ったあとだとSOHCはおとなしめで非力なエンジンに感じることでしょう。

こういった差があるので当時はDOHCというだけで商品性が上がった時代でしたので、トヨタがGTという名称で差別化したのもわかりますね。

三菱 ギャランフォルティス

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現在ほとんどの車がDOHCとなった中でSOHCは時代遅れのスペックの低いエンジンと思われがちですが、実は現在でもSOHCの新型エンジンは登場しています。

三菱のセダンである最終型のギャランフォルティスは、モデル中期にはDOHCだったエンジンをマイナーチェンジで新型のSOHCエンジンに変更した車種です。

中期型では1.8L 直4 DOHCの4B10エンジンでしたが、後期では同じく1.8Lである直4 SOHCの4J10エンジンになっています。

ギャランフォルティス
中期型
ギャランフォルティス
後期型
エンジン形式4B104J10
エンジンスペック1,798cc 直列4気筒
DOHC16バルブ MIVEC
1,798cc 直列4気筒
SOHC16バルブ MIVEC
最高出力139ps/6,000rpm139ps/6,000rpm
最大トルク17.5kg・m/4,200rpm17.5kg・m/4,200rpm

さてスペックを見るとまったく同じ数字が並んでいるのですが、三菱は新型SOHCエンジンのスペックをDOHCと完全に一致して設計しており、最高出力の回転数もSOHCながら6,000rpmにまで上がっています。

MEMO

高回転を苦手とするSOHCですが、三菱ではこのエンジンにMIVECという可変バルブ機構を組み込むことで高回転まで対応できるようにし、さらに燃費の向上も果たしています。

同排気量、同スペックでも10・15モード燃費は15.2km/Lから17.0km/Lに、JC08モード燃費では13.8km/Lから15.8km/Lに改善されており、実にと12%〜14%もの向上です。

SOHC化によるフリクションロスの低減や重量削減なども効果の一部で、環境性能でSOHCを選択するメーカーは徐々に増えてきています。

DOHCは現在当たり前になってSOHCより進化していると思われがちですが、エンジンの世界は日進月歩しておりSOHCもまだまだ捨てたものでは無さそうです。

メルセデス・ベンツのDOHCとSOHC

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海外でもまだDOHCとSOHCを両方作っているメーカーは多く、その筆頭はドイツの高級車メーカーメルセデス・ベンツです。

ベンツのエンジンはDOHCもSOHCも混在している状況であり、国産車のようにほとんどがDOHCに統合されてはいません。

ベンツの最高級車であるSクラスでもV12気筒はSOHCですし、V8エンジンにはDOHCもSOHCもあり、排気量の大きなエンジンには高回転まで回す必要もないのでSOHCという判断なのでしょう。

またAクラスなどはフルモデルチェンジでDOHC化されたことがあり、今回はそちらでスペックを比べてみましょう。

2代目Aクラス3代目Aクラス
エンジン形式266型270型
エンジンスペック1,698cc 直列4気筒
SOHC
1,595cc 直列4気筒
DOHC ターボ
最高出力116ps(85kW)/5,500rpm122ps(90kW)/5,000rpm
最大トルク15.8kg・m(155N・m)/
3,500rpm~4,000rpm
20.4kg・m(200N・m)/
1,250rpm~4,000rpm

Aクラスはベンツの小型車ですが、2代目から3代目で大きくデザインが変わってスポーティーなモデルとなりました。

MEMO

となればDOHCで高回転型、と思いきや270型エンジンは小型のターボチャージャーを組み合わせるエンジンとなっており、最高出力はSOHCの266型より低い回転数で発揮しています。

その代わり低速トルクが非常に低い回転数から出るので加速がよく、スポーティーでコンパクトな性格の車によくあったエンジンです。

この場合はDOHCは設計自由度の広さのメリットで採用したと思われるので、DOHCだからといってすべて高回転型にする必要はないのです。

同じドイツのBMWは全車DOHC化しており、Aクラスと同格の1シリーズは高回転型のターボエンジンとなっているのがメーカーの性格を表していて面白いですね。

ツインカムエンジンの今後

ツインカムエンジンは現在ではありふれた存在となって特別ではなくなりましたが、今後も内燃機関の主流であることは間違いなく別の形式にとって変わられることはないでしょう。

ですがSOHCも燃費や環境性能のよさというメリットはありますので、SOHCも今後重要であることはかわりません。

また可変バルブなどを組み合わせることでさまざまな効果を発揮しますので、DOHCだから高性能という時代ではなくなってきていますね。