水平対向エンジン

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/11/26 15:58 UTC 版)

名称

水平対向エンジンの左右対称なピストンの動きが、ボクシング選手がグローブを打ち合わせる様子を思わせることからボクサーエンジン (Boxer engine) と呼ばれる^[10]。また、2本のクランクシャフトの間で1シリンダー内のピストン2個が対向する「対向ピストンエンジン」と区別するため、対向シリンダーエンジンとも呼ばれる^[11]。日本語の「水平対向エンジンおよび180°V型エンジンの総称」に対応する北アメリカでの呼称は「flat engine」（平らなエンジン）である。富士重工業（現SUBARU）では水平対向エンジンの英訳として、レオーネおよびそれ以前のエンジンに対して「FLAT-4」をあてていた。その後、レガシィ以降は「flat engine」や「BOXER^{[注釈 2]}」を採用している。

設計

水平対向エンジンの利点は、全長が短いこと、重心が低いこと、表面積が大きく空冷に適していることである。

4気筒以下のエンジンで最も一般的なレイアウトである直列エンジンと比較して、ボクサーエンジンはプライマリー・バランスに優れ、その結果、振動が少なくなるが、幅が大きくなり、シリンダー・ヘッドを2つ持つ必要があるという欠点がある^{[注釈 3]}。6気筒以上のエンジンで最も一般的なレイアウトであるV型エンジンとの比較では、ボクサーエンジンは重心が低く、6気筒ではV6エンジンよりも一次振動は少ないが、通常は幅が大きくなる。

2つのシリンダーで一対となるため、必ず偶数気筒数のみとなる。12気筒では、180度V型でも一次偶力を相殺できること^{[注釈 4]}^[13]、また、向かい合うシリンダーとクランクピンを共用できるため位相をずらすためのクランクウエブが不要で、クランクシャフトの全長と剛性でボクサー構成よりも有利である^[14]ことから、あえてボクサー構成を採用する必要がない。クランクケースの圧力の関係で高回転に有利な点でも、180度V型レイアウトはレース用エンジンにより適している^[14]。

水平対向2気筒: 主にオートバイで使用される。1960年代までは、小型航空機、小型車などでも使用された。
水平対向4気筒: 最も一般的な用途は小型航空機用エンジンである。その他いくつかのメーカーの自動車やオートバイに用いられている。
水平対向6気筒: 主に乗用車に使用されるが、オートバイや小型航空機、飛行船に使用されることもある。
水平対向8気筒: 主に1960年代のポルシェのレーシングカーで用いられた。小型航空機でも使用される。
水平対向10気筒: 1960年代にシボレーでロードカー用のエンジンが試作されたが、生産に至っていない。180度V型レイアウトが西ドイツの戦車に使われた。
水平対向12気筒: 180度V型レイアウトが1960年代と1970年代に様々なレーシングカーで使われた。その他、大型バスや鉄道車両でも使われた。
水平対向16気筒: 1960年代から1970年代にかけて、コベントリー社とポルシェ社によって、プロトタイプのレーシングカー用エンジンが製造されたが、生産には至っていない。

ボクサー型

水平対向エンジンの多くは、対向する一対のピストンが同時に内向きと外向きに動き、まるでボクシングの選手が試合前にグローブを合わせてパンチするような動きをする「ボクサー構成」を採用している^[15]。ボクサーエンジンでは、対になる気筒間のクランクシャフト位相角を180°（クランクピンが対称の位置）としてピストンとコネクティングロッドを軸対称に動作させる。これにより対の気筒同士が振動を打ち消しあうため、直列型などの他形式エンジンと比較して格段に低振動となる。そのためボクサーエンジンには、往復する部品の重量を釣り合わせるためのバランスシャフト^[16]やクランクシャフト上のカウンターウエイトが必要ない。しかし、6気筒以下のボクサーエンジンの場合、クランクシャフトに沿ったクランクピン間に距離があり、各気筒が対向する気筒からわずかにずれているため、揺動偶力が発生する^[15]。

180度V型

外観上から水平対向エンジンであるか180度V型エンジンであるかを識別することは極めて困難である^{[注釈 5]}ものの、実際には内部構造（クランク・シリンダー形式）や動作特性（振動など）は「ボクサーエンジン」と「180度V型エンジン」とは別のものである。具体的な構造の相違点は、水平対向が左右のバンクで対をなすシリンダー間で位相を180度ずらしたクランクシャフトを採用するのに対し、180度V型では左右シリンダーにおけるクランクピンが共通（同位相）という点である。

180度V型エンジンでは水平対向と異なり振動を対向シリンダーの間で相殺することができないため、片側バンクのみで一次振動・偶力振動を相殺できる8気筒（片バンク4気筒）以上の気筒数でなければ、激しい振動が発生する^[10]。ただし二次振動に関しては水平対向と同様に対向シリンダー間で相殺される。また、気筒数によっては等間隔燃焼にならないという短所がある。

8気筒エンジンにおける180度V型の長所は、二次振動特性が良好なまま単純なフラットプレーンクランクシャフトを使用できる点である。ただしその場合は2気筒ずつの同爆となるため、燃焼間隔は直列4気筒と同等の180°となる^{[注釈 6]}。90°の等間隔とするためにはクロスプレーンクランクシャフトを使用する必要があり、発生する偶力振動を低減するためのシャフト両端のバランスウェイトが90度V型と同様に用いられる。

12気筒エンジンでは、ボクサー型よりも圧倒的に180度V型が多い。バランスウェイトのない単純な6クランクピン（120°位相）のクランクシャフトによる180度V型とした場合でも、60°の等間隔燃焼を得られるとともに、片側バンクのみで直列6気筒と同様に一次振動・二次振動・偶力振動とも釣り合いが取れる。そのため複雑で長くなる12ピンのクランクシャフトによるボクサー式とする必要はなく、180度V型とすることで長くなりがちな12気筒エンジンの全長を短縮することが可能^{[注釈 7]}なためである。12気筒での採用例としては、自動車用ではフェラーリの市販ミッドシップ12気筒モデル^{[注釈 8]}や、レーシングカー用のメルセデス・ベンツ・M291エンジン、富士重工とモトーリ・モデルニが共同開発したスバル・1235エンジン（英語版）があり、鉄道車両用では日本国有鉄道のDML30系エンジンがある。

タトラは1932年のタトラ・T57で4気筒180度V型エンジンを使用した^[17]。

利点

ボクサーエンジンは、1軸では最も振動特性に優れたクランク、気筒形式のエンジンで、少気筒数でもバランスシャフトを使用することなく2次以上の振動まで相殺することができる。なお、クランクの関係で対向気筒を同一軸線上には配置できないことから、2気筒では弱い1次偶力振動（カップリング振動）が発生するが、4気筒以上であれば前後の気筒間で打ち消しあうことができる^[18]。

ボクサーエンジンは特別な細工なしで等間隔燃焼となる^[10]。これに対し直列型^{[注釈 9]}やV型^{[注釈 10]}のエンジンでは、特に少数気筒において等間隔燃焼と低振動は両立できない。

水平対向エンジンのクランクシャフトは、特に直列型エンジンに対しては短く軽くなる。V型エンジンに対しても、上記のとおりバランスウェイトが不要なため、低振動のままクランクシャフトを軽量にできる。

水平対向エンジンは、同気筒数のV型エンジンに比べて全高を低くすることができる。またそれにより、エンジン単体として低重心^{[注釈 11]}を実現できる。

水平対向エンジンでは、同規模の直列エンジンと比べて空冷方式の場合に冷却風を受ける面積が広くなる。

欠点

ボクサーエンジンは直列型エンジンよりは明らかに全長が短いが、V型エンジン（180度V型を含む）との比較では若干長い。これはV型エンジンでは同一のクランクピンを左右バンクで共用するが、ボクサーエンジンでは対になる気筒のクランクピンは180° 位相で独立していて、この間を繋ぐクランクウエブの厚みによりクランクシャフトが長くなり、エンジン全長も長くなるためである。

水平対向エンジンは全幅が大きいため、車体・機体への搭載時に制約を受けることがある。このため、車体・機体の重心が必ずしも下がらないことなど、長所（エンジン単体の低重心など）が生かせない場合がある。逆に全幅を抑えるためにエンジンの設計が制約されることもある。この影響でロングストローク化が難しく、多くはスクエア型もしくはショートストローク型となってしまうため、昨今の低燃費化重視の流れでは不利なレイアウトとされる^[19]。

水平対向エンジンでは左右バンク（気筒列）のシリンダーヘッドがエンジンの両端となり、間隔が離れる。そのため吸排気、燃料供給、点火、吸排気バルブ駆動などの、燃焼室を含むシリンダーヘッドへのアクセスが必要な系統の取り回しが煩雑となる。特に燃焼により膨張したガスを通すために吸気に比して太い配管が必要となる排気系では影響が大きい。

水平対向エンジンでは、通常は吸気系をエンジンの上側に、排気系を下側に配置するため、排気系の取り回しによってはエンジン搭載位置が高くなってしまい、エンジン自体が低重心であるという長所を損なうことがある。

水平対向エンジンのような水平シリンダー配置の場合には、シリンダー内面の潤滑油膜が上下で不均一になることによる偏摩耗など、潤滑に起因する問題を生じやすくなる。このため、直列型などの他形式よりも設計・製造・保守における配慮^{[注釈 12]}が必要となる^{[注釈 13]}。

ベアリングの数

水平対向4気筒の場合、クランクシャフトを支えるベアリング数はいくつかバリエーションがある。かつてのフォルクスワーゲン・タイプ1の例ではベアリングは両端と中央の3つであった。スバルでも過去のEAエンジンは3ベアリングであった。スバルのEJエンジンは直列4気筒と同じくベアリングは5つである。ちなみに、より一般的な直列4気筒エンジンの場合は、設計の古いもので両端と中間の3つ、それ以降は両端と各気筒の間の合計5つという例が多い。またV型4気筒の場合は、両端と中間の合計3つである。

かつてのF1カーフェラーリ・312Bに搭載された180度V型12気筒エンジンでは、ベアリングは両端の2つと片バンク2気筒に付き1つの合計4つであった。

脚注

注釈

^ 直列エンジンを横に寝かせて設置したものをフラットエンジンと呼んでいることがあるので注意を要する。
^ SUBARUの登録商標であるが、それ以前にマツダが「MAZDA BOXER」の商標を所有していたため、SUBARUが特許庁に対して「MAZDA BOXER」の商標取り消しを求めた結果SUBARUが「BOXER」を使用できるようになったのは2004年2月以降である^[12]。
^ 航空用エンジンでは特に欠点とはならない。
^ 両方のバンクが直列6気筒と同等の構成となるため。
^ 左右のシリンダ列の軸方向のズレ量が、180度V型（共有したクランクピン内のコンロッド1本分のズレ）はボクサー型（共有できないクランクピン間のクランクウェブ等の厚みがコンロッド1本分に加わったズレ）よりも小さいことを外観で識別できれば、不可能ではない。
^ 4個のピストンが同時に上死点に達するため。ちなみに90度V型8気筒では、クランクシャフトがフラットプレーンでもクロスプレーンでも90°の等間隔燃焼にできる。
^ ただし全幅を抑える等の目的でショートストローク型とする場合には、ボア径の増大によりシリンダーピッチ（気筒間隔）が長くなり、180度V型でもクランクシャフトは短くできずに重量軽減のみとなることもありうる。
^ 365GT4BBからF512Mまで。
^ 直列2気筒の4ストロークエンジンにおいて、360°クランク（2つの気筒のクランクピンの位相が同じ）では等間隔燃焼になるが1次振動が発生し、180°クランク（2つの気筒のクランクピンが軸対称位置）では1次振動は打ち消せるが不等間隔燃焼となり偶力も大きい。水平対向2気筒では、直列2気筒中の1気筒をクランクシャフト中心で180° 移動させて180° クランクを使用する形であり、等間隔燃焼と振動の相殺が両立される。この考え方はそのまま任意の気筒数の水平対向エンジンに拡張できる。
^ 気筒数やバンク角によっては、クランクピンを両バンクで共有したままでは不等間隔燃焼となり、位相クランクを用いて等間隔燃焼とすると振動特性が悪化する場合がある。
^ 多くの量産エンジンにDOHC化やマルチバルブ化、可変バルブタイミング化、直噴化など、シリンダーヘッド周辺の重量を増加する機構が採用されるようになってきたため、直列型やV型エンジンの重心は高くなっている。これに対し水平対向エンジンでは、クランクシャフトとほぼ同じ高さにシリンダーヘッドがあり、これらの機構を採用しても静的な重心が高くならない。
^ 筒内圧解析、ボアに対するピストンピンオフセット、ピストンスカートプロフィールの最適形状化など動的なシミュレーション技術の利用など
^ 国鉄がディーゼル機関車に使用していた縦型のDMF31系エンジンを気動車用に水平シリンダー化したエンジンの開発を進めたが、大径シリンダーの水平配置という特殊な構造のために潤滑系の問題が発生したことなどで開発が難航して、結局実用化されなかった^[20]。なおこの経験は、その後に開発・実用化された180°V型エンジンの潤滑設計などに生かされている。
^ なおボクサーエンジンであっても6気筒エンジンの場合は、片バンク3気筒がクランク角240°ごとの等間隔燃焼であり、片バンクごとに排気管を集合しても干渉しない。
^ "Quad"（四-）+ "hydro"（水-）+ "horizontal"（水平の）のかばん語。
^ ^a ^b 同社の2017年3月31日までの正式社名は富士重工業だった。
^ 前者はジェミネットIIとアスカ（2代目）、後者は9-2Xが該当する。
^ トヨタ自動車との共同開発車としてはスバルのBRZと、その姉妹車であるトヨタ・86が該当する。
^ 速く走るためにタイヤを路面に押しつけることに利用する、車体周囲を流れる空気による下向きの力。この時代の当初は飛行機の翼を裏返したような断面のサイドポンツーンで下向きの揚力を発生させているようにもみられたが、実際には車体底面と路面との間で構成されたベンチュリ内の高速気流によって負圧を生じさせて、車体を路面に吸い付かせていた。
^ 鉄道車両むけ直列エンジンでも床上搭載が可能な機関車においては潤滑に有利な縦型が主流である。気動車でも技術的観点から黎明期には縦型エンジンの採用例があったように、横型だけで縦型のものが皆無という訳ではないが、近年は低重心化・低床化のニーズが高まっているため、横型化への要求は強い。
^ 当初は新開発のDMF31HS（直列6気筒横型）搭載が目論まれていたが、不具合が多く解決まで時間がかかるとして変更された。
^ 同時期にDML30HS系の片バンク6気筒分をなくした直列6気筒の派生エンジンDMF15系が並行開発されており、キハ90形には300馬力のインタークーラーターボ仕様が搭載された。DMF15系は次世代特急形気動車用エンジンにはならなかったものの、車載発電機用や、デチューンされた上でキハ40系気動車の駆動用として車両に搭載される事となった。
^ 新しい直列6気筒エンジンは、特急形気動車ではキハ185系以降の新型車から採用。直接噴射式のインタークーラーターボ付きで排気量11 - 15リットル級、330 - 460馬力程度で、1両あたり2基搭載した車両も多い。なお大柄な180°V型12気筒のDML30系エンジンでは、2基搭載はほぼ不可能である。

出典

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