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、Flat engine）とは、レシプロエンジンの形式の一つで、シリンダーを左右交互に水平に配置したエンジン。「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。
水平対向エンジンは、クランクシャフトの位相に応じて、ボクサーエンジンか、180°V型エンジンかのいずれかに分けられる（詳細は下記参照）。
1896年、ベンツ社（現ダイムラー社）の創業者カール・ベンツが発明した[1]。
目次 |
概要 [編集]
利点 [編集]
水平対向エンジンのひとつである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、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、気筒数が4の倍数でない場合は、弱い1次偶力振動が発生する。
これに対し、水平対向エンジンのもう一方である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と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以上の偶数気筒でなければ激しい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。というのは8の倍数気筒の180°V型エンジンでは4サイクルでも2気筒同爆となってしまうことから出力の点では半分の気筒数の等間隔爆発エンジンと大差がないためである。
水平対向エンジンに関しては、ボクサーエンジンにしても180°V型エンジンにしても、同気筒数の（180°でない）V型エンジンに比べて全高を小さくできる一方で、全幅が大きくなる。水平対向エンジンの低全高、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、水平対向エンジンにより有効活用できる。ただし、近年の日本に限っては全高・エンジンルーム高ともに高い乗用車が一般化しているため、この点では水平対向エンジンのメリットは薄れている。
さらに、空冷方式の水平対向エンジンでは、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。また現在でも主にこの冷却特性の良さのために、多くの軽飛行機に空冷水平対向エンジンが用いられる。
重心に関しては、低くできるとする意見と、逆に、高くなるとする意見とがある。単純にクランクシャフト高が同一と考えれば、水平対向エンジンのほうが低重心を実現できるが、高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しやすくなるケースも多いためである。しかし、水平対向エンジンの利点は単なる重心の高低の点にあるわけではなく、むしろ車体重量バランスが理想的となることにある。
欠点 [編集]
（縦置きエンジンにおいて）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、ショートストロークエンジンが主流である。
また、両バンクの燃焼室が離れているため吸排気系、燃料供給、点火などの燃焼室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、高温に耐える太い配管が必要となる排気系では影響が大きい。しかし、かつて排気の取り回し問題から発生していた排気干渉による独特の排気音は「ボクサーサウンド」として、ファンから親しまれていた。
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[2]。
現状 [編集]
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。
ただし現在も、低く幅広なボディに、高回転型の縦置き多気筒エンジンが採用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。
現在ボクサーと呼ばれる水平対向エンジンを搭載した車輌を販売している企業は、日本のスバルおよびトヨタ(スバルとの共同開発車トヨタ・86)、ならびにドイツのポルシェのみである。
種類 [編集]
ボクサーエンジンと180°V型エンジン [編集]
水平対向エンジンは、概観上は区別がつかないものの、実際には内部構造（クランク・シリンダー形式）の点から「ボクサーエンジン」と「180°V型エンジン」の2種類に分かれる。具体的には、ボクサーエンジン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型エンジン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[1]。このことを明確化した英単語は、それぞれ「boxer engine」および「horizontally opposed engine」である。なお後者は「水平で向かい合った（対向した）エンジン」の意であるが、日本語におけるボクサーエンジンおよび180°V型エンジンの総称としての「水平対向エンジン」の意味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。
ボクサーエンジンは向かい合った二つのシリンダーの間におけるクランク位相角を180°としたものである。このため、V型エンジンに比較して振動を抑えることが容易であるという特徴を持つ。これに対し180°V型エンジンは、バンク角が180°のエンジンのうち、クランクピンを左右のバンクのピストンで共有しているエンジンである。こちらは特に12気筒エンジンで採用例が見られる。というのも、12気筒エンジンの場合、各バンクのみで一次振動、二次振動ともバランスすることから、あえてクランクの構造が複雑となるボクサーとしないのである。V型エンジンによく見られるクランクピンを共有した形式である。実例として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。また、グループCカー時代にザウバーメルセデスに搭載されていたエンジンや、スバルがモトーリ・モデルニと共同開発した水平対向12気筒エンジンも、同様の180°V型エンジンである。
ベアリングの数 [編集]
より一般的な直列4気筒エンジンの場合、クランクシャフトを支えるベアリングは両端と気筒の間、合計5つという例が多い。V型4気筒の場合は、両端と中間の合計3つである。
これに対し水平対向4気筒の場合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。なお、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。
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、水平対向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。この方式の利点はベアリングで仕切られた4気筒のクランクケース内の容積が一定になり圧力の損失が最小限になるということであった。
自動車および二輪車用 [編集]
1936年4月、UDトラックス（旧: 日産ディーゼル）の前身である、日本デイゼル工業が、ドイツのクルップ・ユンカース式2サイクルディーゼルエンジンの特許を取得して、上下対向ピストン型エンジンの生産を開始した。これはひとつのシリンダー内に二つのピストンが向かい合っているもので、現在では馴染みのない形式である。（参照Gegenkolbenmotor）
ポルシェとスバルが現在も市販用水平対向シリンダーエンジンを生産している。
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、現在も開発が続けられているのはBMW、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。
現行搭載車種 [編集]
過去の搭載車種 [編集]
- トヨタ自動車
- ゼネラルモーターズ
- 富士重工業
- タッカー
- フォルクスワーゲン
- シトロエン
- 日野自動車
- ダイハツ
- Bee（三輪乗用車）
- ランチア
- アルファ・ロメオ
- 丸正自動車製造
- ライラック・R92
- マグナム500
- マグナムエレクトラ500（二輪）
- ホンダ
- ジュノオM80、M85（スクーター）
- ワルキューレ（二輪）
- 愛知機械工業
- ヂャイアント・コンドル（オート三輪）
- コニー・360（軽自動車）
- その他
- ジオット・キャスピタ（プロトタイプに搭載。市販化は実現していない）
- FH70（155mmりゅう弾砲）フォルクスワーゲン製1,800cc（日本のものは富士重工業製）
モータースポーツ [編集]
モータースポーツの分野、特にF1のエンジンとして、かつてフェラーリやアルファ・ロメオが水平対向エンジンを開発していた。しかし、グラウンド・エフェクト・カー時代になると、水平対向エンジンではダウンフォースを得るために車体下面を整形する空間を確保することが困難であり、エンジン下部に空間的な余裕があるV型エンジンが有利となり、廃れていった。1990年にスバルがF1に12気筒エンジン（正確にはこれはボクサーではなく180度V型である）を供給した事もあるが、スバルの水平対向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。後にレギュレーションで90度バンクのV型8気筒に統一されるまでの間、水平対向エンジンで成功を収めたエンジンはなかった。ただし、水平対向エンジンが不向きなのはF1に限ってのことである。
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。
現在モータースポーツで使用されている 水平対向エンジンを搭載した車両は、市販車ベースのものがほとんどである（スバル・インプレッサなど）。
鉄道車両用 [編集]
鉄道車両、特に気動車においては、現在、直列エンジンの場合にはシリンダーを寝かせた横型が主流となっている。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、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。特に近年は低重心化・低床化のニーズが高まっているためその要求は強い。ただし、鉄道車両むけ直列エンジンでも縦型のものは皆無ではない。床上搭載が可能な機関車においては、現在でも潤滑に有利な縦型が主流である。
国鉄で初めての特急気動車となったのはキハ80系である。この車両は、当時の標準エンジンだったDMH17H（直列8気筒、予燃焼室式）を2基（先頭車は1基）搭載していた。しかし、この構成では、エンジン単体の最高出力が180馬力にとどまり、2基搭載した中間車でも360馬力であったため、特急用としては力不足であった。そこで、新型気動車の試作車としてキハ90系が開発された。そのうちのひとつ、キハ91には500馬力のターボ付き水平対向式(厳密には、前述の定義に従うなら「180度V型」)12気筒エンジンDML30HSAが搭載された。なお並行して開発された派生エンジンとして、DML30HS系の片バンク6気筒分をなくした直列6気筒のDMF15HS系があり、12系客車と14系客車の発電機用エンジン（DMF15HS-GおよびHZ-G）や、キハ40系、キハ183系の初期型に採用された。
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。それ以降の新型気動車では、車体の軽量化や省エネルギー化、コスト低減、多段トランスミッションの採用など、エンジン以外の改良と組み合わせて高性能化が図られており、エンジンはインタークーラーターボ付き直列6気筒エンジン（直接噴射式、排気量11 - 15リットル級）が主流となっている。
DML30HS/HZ系を搭載した気動車 [編集]
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]
関連項目 [編集]
- 直列型エンジン
- V型エンジン
- ロータリーエンジン
- Flat engine - 英語版 Wikipedia
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
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![[1]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/4/43/B6-v6_180.png){kind=link}