水平対向エンジン

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水平対向エンジン(すいへいたいこうエンジン、Horizontally-opposed cylinder engine)とは、レシプロエンジンの形式の一つで、1本のクランクシャフトをはさんでシリンダーを左右に水平に配置し、になるピストン同士が必ずかい合うように下降か上昇するエンジンである[1]。ピストンの左右対称の動きがボクシング選手のグローブを打ち合わせる様子に似ることから、ボクサーエンジン(Boxer engine)とも呼ばれる[2]

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」(de)と区別するため、対向シリンダーエンジンとも呼ばれる[3]

気筒配置や外形の似たエンジンとして180°V型エンジンがあり(詳細は後述)、広義にはこれを水平対向エンジンに含む場合がある。なお外観からこれら2形式を識別することは、極めて困難である。

以下本項では、「水平対向」と「180°V型」とを区別して呼び、これらの総称としては「フラットエンジン(Flat engine)」と呼ぶ。

水平対向エンジンの動作(2気筒)
スバルの水平対向6気筒エンジンのカットモデル

概要[編集]

1896年、ベンツ社(現ダイムラー社)の創業者カール・ベンツが水平対向エンジンを発明した[4]

水平対向エンジンでは、対になる気筒間のクランクシャフト位相角は180°とし、ピストンとコンロッドを軸対称的に動作させ、対の気筒同士が振動を打ち消しあう。この低振動であることと、軸方向が短く上下に薄く幅広い外形とが、直列型などの他形式エンジンに対する水平対向エンジンの特徴である。

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(スバル)では水平対向エンジンの英訳として、レオーネを含みそれ以前のエンジンについては「FLAT-4」であった。その後(レガシィ以降)は「flat engine」というアメリカ英語を採用している。

種類[編集]

利点[編集]

  • 水平対向エンジンは、1軸では最も振動特性に優れたクランク、シリンダー形式のエンジンで、少気筒数でもバランスウェイ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シリンダー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[5]
  • フラットエンジンは、同気筒数のV型エンジン(180°V型を除く)に比べて全高を小さくできる。またエンジン単体として、低重心を実現できる。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。これに対しフラットエンジンでは、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重心が高くならない。
  • 水平対向エンジンは小細工なしで等間隔爆発となる[2]。これに対しV型エンジンでは、気筒数やバンク角によっては不等間隔爆発となる[6]。また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、低振動のまま軽いクランクシャフトにできる。
  • 空冷方式のフラットエンジンでは、同規模の直列エンジンと比べ冷却風を受ける面積が広くなる利点もある。実際、1960年代頃までは空冷水平対向エンジンが大衆車に好んで用いられた。また多くの軽飛行機に空冷水平対向エンジンが用いられるのは、主にこの冷却特性の良さのためである。

欠点[編集]

  • フラット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、利点(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。
  • シリンダーヘッドが左右バンク(気筒列)の両端となり、間隔が離れる。両バンクの燃焼室が離れているため吸排気系、燃料供給、点火、吸排気バルブ駆動系などの、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、吸気に比して(燃焼に依って)膨張したガスを通すべく太い配管が必要となる排気系では影響が大きい。
    また、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を高めてしまい、エンジン自体が低重心であるメリットを損なうことがある。
  • 直列型エンジンよりは明らかに全長の短い水平対向エンジンであるが、V型エンジン(180°V型を含む)との比較では若干長い。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、水平対向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アーム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。

かつては「シリンダーが横に寝ている形状上、シリンダーの下側が偏磨耗しやすい」とされていたが、現代のエンジンには当てはまらない[7]

180°V型エンジン[編集]

ピストンの動き(6気筒の場合)
左:180°V型  右:水平対向

外観上は区別をつけづらいものの、実際には内部構造(クランク・シリンダー形式)の点から「水平対向エンジン」と「180°V型エンジン」とは別のものである。具体的には、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°ずらしたクランクシャフトを採用するのに対し、180°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)である。

180°V型エンジンでは、1次振動に関しては対向シリンダーの間で相殺することはできないため、片側バンクのみで1次振動を相殺できる8気筒(片バンク4気筒)以上の偶数気筒数でなければ、激しい1次振動が発生する。2次振動に関しては対向シリンダー間で相殺されるので、90°V型エンジンと8気筒同士で比較すると、振動特性がクロスプレーンと同等でありながらバランスウェイトが不要であるメリットがある。ただし、採用例は12気筒エンジンが圧倒的に多い。12気筒エンジンの場合、片側バンクのみで一次振動二次振動ともバランスするため、クランクシャフトを水平対向よりも短くできる180°V型が容易に採用でき、エンジン全長を切り詰めることができる。 ただしその場合でも、全幅を抑える目的でショートストローク型とすると、ボア径の増大により水平対向・180°V型ともにエンジン全長が長くなり、クランク全長が問題とならずにクランクシャフト重量のみの差となる場合もある。

実例としては、自動車用では特にフェラーリのフラット12気筒モデルが知られている。レーシングカー用のメルセデス・ベンツ・M291エンジンやスバルとモトーリ・モデルニの共同開発エンジン、鉄道車両用のDML30系エンジンなども、同様の180°V型12気筒エンジンである。

ベアリングの数[編集]

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・ビートルの例ではベアリングは両端と中央の3つであった。スバルでも過去の機種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。そのためクランクシャフトが長くなりボアピッチも大きく、同程度の排気量を持つ直列4気筒エンジンよりもボアが大きくなっている。
ちなみにより一般的な直列4気筒エンジンの場合は、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。

かつてのフェラーリのF1カー フェラーリ・312Bのエンジンは、180°V型12気筒であったが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。

自動車(オートバイ含む)[編集]

フラットエンジンの低全高、広全幅という形状は四輪車には基本的に好ましい。四輪車では、エンジンルームは高さが極力抑えるべきものであるのに対し、幅に関してはトレッド(車輪左右間隔)やキャビン(乗員空間)の確保のために、エンジン幅にかかわりなくある程度大きく取ることになる。つまり四輪車のエンジンルームの空間は、フラットエンジンにより有効活用できる。
特に、高回転型の縦置き多気筒エンジンが、低く幅広なボディに搭載されることの多いスポーツカーにおいては、水平対向エンジンのメリットは大きい。高回転型のエンジンは自ずとショートストローク型となり、高回転域を多用することから振動特性の良さが求められるからである。また低く幅広なボディは、低全高・広全幅の水平対向エンジンとの相性が良い。スポーツカーは量産実用車と比較すれば燃費性能・排ガス性能を厳しく求められないことも、水平対向エンジンにとって有利な点であるといえる。

しかし気筒配置にかかわらずエンジン振動を低減する技術の進歩、横置きエンジン+FFレイアウトの一般化、低燃費化要求によるロングストローク化、排ガス対策による排気系の複雑化など、上記の水平対向エンジンの「利点」を弱め「欠点」を強めるような環境変化が多く、自動車への採用は減っている。そのうえ特に日本では全高・エンジンルーム高ともに高い乗用車が一般化してきたため、この点では水平対向エンジンのメリットは薄れている。

低重心のフラットエンジンにより、車両の重心が逆に高くなるとする意見がある。実際に自動車に搭載する場合、全幅が大きく、しかもクランクシャフトの高さあるいはそれより下部(下側カムシャフト部など)で最大幅となるため、低い位置にある他部品との干渉を避けるためにエンジンを高く搭載した場合、車両全体で他形式エンジンより低重心を実現できるとは限らない。広全幅の水平対向エンジンを低く配置することで、ステアリング系やサスペンション系と干渉する恐れが高くなるためである。したがって、水平対向エンジンの利点を最大限に生かすためには、それにふさわしい車体設計が必要になる。

ストローク(シリンダー)を伸ばすとエンジン本体の横幅が大きくなり、縦置きの場合は車体幅を広げる必要があり、結果車体幅に制限されトルクを出しやすいロングストロークエンジンが作りにくい。そのため、フラットエンジンではショートストロークエンジンが主流である。

かつて水平対向4気筒エンジンの独特の排気音は、「ボクサーサウンド」としてファンから親しまれていた。不等間隔爆発である片バンクごとに排気管を集合させたことによる、排気干渉による音であり、前側2気筒と後側2気筒を等長排気管で集合させれば、この排気干渉は回避できる。なお水平対向6気筒エンジンでは、片バンク3気筒がクランク角240°ごとの等間隔爆発であり、片バンクごとに排気管を集合しても干渉しない。
クロスプレーンクランクシャフトのV型8気筒エンジンでも片バンクが不等間隔爆発であり、やはり「V8サウンド」としてファンに親しまれるが、ボクサーサウンドとも近い音であるといわれる。

搭載車種[編集]

2014年時点で水平対向エンジンを搭載した4輪車を販売している企業は、日本の富士重工業スバル)およびトヨタ自動車(富士重工業との共同開発車を富士重工業が生産)、そしてドイツのポルシェである。その中でもポルシェと富士重工業だけは、市販4輪車用の水平対向エンジンを生産し続けている。
二輪車ではBMWのRシリーズやツュンダップ (Zündapp)をはじめ、その亜流も含めて数社が水平対向式エンジンを生産していたが、開発を続けているのはBMW(BMWモトラッド)、本田技研工業(ホンダ)、ウラルモト長江モーターワークスのみとなっている。

(アルファベット順)
BMW R 50のエンジン
BMW 7シリーズエンジン
スバルの水平対向ディーゼルエンジン

過去の搭載車種[編集]

(アルファベット順)
日野自動車RA900Pに搭載されていた水平対向12気筒エンジン

モータースポーツ[編集]

F1のエンジンとして、かつてフェラーリアルファ・ロメオがフラットエンジンを開発していた。特にフェラーリの180°V型12気筒エンジンは、ドライバーズタイトルやコンストラクターズタイトルを獲得するなど、低重心を生かし成功を収めたといえる。
しかし、グラウンド・エフェクト・カー時代になると、ダウンフォースを得るために車体下面に空気の流れる空間を確保することが重要となり、エンジン左右に空間的な余裕があるV型エンジンが有利となって、低い位置で幅の広いフラットエンジンは廃れていった。フラットボトム規制以降の1990年にスバルがF1に180°V型12気筒エンジンを供給した事もあるが、このエンジンはサイドポンツーンの部分まで張り出してしまい、ラジエーターの冷却効率が落ちるという致命的な問題があり、シーズン途中で撤退した。
2000年からF1のエンジンはレギュレーションでV型エンジンに統一されたが、その以前から車体後部を可能な限り絞り込む空力処理がF1では主流となっており、仮に参加が許されていたとしても、幅の広いフラットエンジンにかつてのフェラーリのような成功は期待できなかった。

F1以外ではスポーツカーレースにおいて、特にポルシェが水平対向エンジンで活躍している。中でも1982年から1992年に存在したグループCレースでは、市販レーシングカーであるポルシェ・956および962Cが5シーズン連覇している。グループCカーも当初からグラウンド・エフェクトを利用していたが、956・962Cは縦置きの水平対向6気筒エンジンを前下がりに傾斜搭載し、床下でダウンフォースを得るためのディフューザー形状と水平対向エンジンによる低重心とを両立し、効率のよい速さを得ていた。後にメルセデス・ベンツ・C291に180°V型12気筒のM291エンジンが、ポルシェ956・962C同様に前下がりに搭載されたが、水平シリンダーを熟知するポルシェのようなエンジンの信頼性はなく、成功をおさめることなく撤退した。

日本におけるナショナルフォーミュラーカテゴリーFJ1600では、すでに乗用車向けとしては生産されていないEA71型を使用する。スバルは、FJ1600のためにEA71型をサポートし続けている。

鉄道車両用[編集]

日本[編集]

国鉄キハ183系気動車のDML30HSI: 180°V型12気筒ディーゼルエンジン

鉄道車両、特に気動車においては、直列エンジンの場合にはシリンダーを寝かせた横型のディーゼルエンジンが主流となってきている。そのため水平対向型はその高出力バージョンという位置づけで開発されていた。なお、直列エンジンにおいて横型が主流であるのは、レールと車体の台枠の間という狭い空間にエンジンを収めなければならないためと、縦型では車体床下中央上部となるエンジンヘッド周辺のメンテナンスが困難となるためである。特に低重心化・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。ただし、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り、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様に、横型だけで縦型のものが皆無と言う訳ではない。

国鉄で初めての特急形気動車となったのはキハ80系であるが、この車両に投入が目論まれていたDMF31HSは不具合が多く解決まで時間がかかる為、当時の標準エンジンだったDMH17H直列8気筒予燃焼室式、180馬力)を2基(先頭車は1基)搭載する事となった。しかしこの構成では、エンジンを2基搭載した中間車でも360馬力にとどまり、特急用としては力不足であった。そこで、新型気動車キハ90系が試作開発された際に、そのうちキハ91形には500馬力のターボ付き30リットル水平対向式(実際は180°V型)12気筒エンジンDML30HSAが搭載された[8]。DMF15HZを2基搭載した車両との比較試験の結果、DML30HSの1基搭載が有利であるとされ、その後の特急型・急行型気動車にはDML30HS系エンジンが搭載された。

国鉄民営化後になると、直接噴射化しインタークーラーを装着したキハ183系のDML30HZ(660馬力)を最後に、水平対向エンジンの採用は打ち切られた。民営化前後からは直接噴射式のインタークーラーターボ付き直列6気筒エンジン[9]が主流となっており、DML30系などの従来型エンジンが換装された車両も多い。

日本国外[編集]

スイス国鉄BDm2/4形気動車に、水平対向4気筒で294kWを発生するGebrüder Sulzer製の4ZG14型エンジンが搭載されていたことがある。

搭載気動車[編集]

  • DML30HS/HZ系
  • 4ZG14型
    • BDm2/4形(スイス国鉄)

航空用[編集]

現代の小型飛行機が装備する航空用ピストンエンジンは、ほとんどすべて空冷の水平対向型である。エンジンのパーツナンバーには対向型(Opposed)を表すO-が付く。

主なエンジンメーカ-[編集]

種類[編集]

  • 水平対向2~12気筒

脚注・出典[編集]

  1. ^ 『モーターファン・イラストレーテッド』Vol.20 p.052
  2. ^ a b 『モーターファン・イラストレーテッド』Vol.20 p.051
  3. ^ 『モーターファン・イラストレーテッド』Vol.20 p.053
  4. ^ NNDB.com
  5. ^ 『モーターファン・イラストレーテッド』Vol.20 p.067
  6. ^ 位相クランクを用いて等間隔爆発とすると、振動特性が悪化する場合がある。
  7. ^ 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が進んだため
  8. ^ なお、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DMF15HS系が並行して開発され、こちらは300馬力のインタークーラーターボ仕様が同時期にキハ90形に搭載された。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、当エンジンは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も車両に搭載される事となった。
  9. ^ 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。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。

関連項目[編集]

参考リンク[編集]

「“水平対向”と“180度V型”エンジンの違いは?」webCG