空冷エンジン

空冷エンジンは、エンジンを動作温度内に維持するために、熱放散フィンまたはエンジンの高温部分に直接空気を循環させて冷却します。空冷設計は、個別のラジエーター、冷却液リザーバー、配管、ポンプを必要とする液冷設計よりもはるかにシンプルです。

空冷エンジンは、軽量化やシンプルさが第一の目的である用途で広く使用されています。そのシンプルさにより、チェーンソーや芝刈り機などの小型用途や、小型発電機などに適しています。また、これらの特性により航空用途にも非常に適しており、一般航空機や大型航空機の補助動力装置として広く使用されています。特にそのシンプルさにより、オートバイでも一般的に使用されています。

現代のほとんどの内燃エンジンは、エンジン ブロックとシリンダー ヘッドのチャネルを通じて液体の冷却剤を運ぶ閉回路によって冷却されます。これらのチャネル内の液体は熱を吸収し、熱交換器またはラジエーターに流れ、そこで冷却剤が熱を空気 (船舶エンジンの場合は生水) に放出します。したがって、最終的には液体によって冷却されるわけではありませんが、熱は空気などの他の液体と交換されるため、液体冷却回路があるため、液冷式として知られています。

対照的に、空冷エンジンによって発生した熱は直接空気中に放出されます。通常、これはシリンダー ヘッドとシリンダーの外側を覆う金属フィンによって促進され、空気が作用する表面積が増加します。大量の空気で効率的な冷却を実現するために、ファンとシュラウドを使用して空気を強制的に送り込むか、適切に設計された角度の付いたフィンを使用して単に自然な空気の流れで冷却します。

すべての燃焼エンジンでは、発生した熱の大部分、約 44% が排気ガスから逃げます。残りの約 8% はオイルに含まれ、オイル自体をオイル クーラーで冷却する必要があります。つまり、他のシステムで除去する必要がある熱は半分以下です。空冷エンジンでは、熱の約 12% のみが金属フィンから流出します。^[1]空冷エンジンは通常、騒音が大きくなりますが、よりシンプルなため、サービスや部品交換の面でメリットがあり、通常、メンテナンス費用も安価です。^[2]

多くのオートバイは、重量と複雑さを軽減するために空冷式を採用しています。現在生産されている自動車で空冷エンジンを搭載しているものはほとんどありませんが ( Tatra 815など)、歴史的には多くの量産車で一般的でした。エンジン シリンダーの配置は、単気筒または 2 気筒を 1 グループとして連結したものが一般的で、シリンダーは水平方向に配置されるのが一般的です (フラット エンジン) 。一方、垂直の直列 4 気筒エンジンも使用されてきました。過去の空冷式道路車両の例を、おおよそ年代順に挙げると、次のようになります。

• フランクリン（1902-1934）
• ニューウェイ（1905年） - 「CLARKMOBILE」からの限定生産
• シボレー シリーズM 銅冷式(1921-1923) (ごく少数生産) ^[3]
• タトラ四輪駆動軍用トラック
• タトラ11（1923-1927）およびそれ以降のモデル
• タトラ T77 (1934-1938)
• タトラ T87 (1936-1950)
• タトラ T97 (1936-1939)
• タトラ T600 タトラプラン(1946-1952)
• タトラ T603 (1955-1975)
• タトラ T613 (1974-1996)
• タトラ T700 (1996-1999)
• クロスリー（1939-1945）
• 東ドイツのトラバント（1957-1991）
• トラバント 500 (1957-1962)
• トラバント 600 (1962-1965)
• トラバント 601 (1964-1989)
• ZAZ ザポロージェツ(1958-1994)
• フィアット 500 (1957-1975)
• フィアット 126 (1972-1987)
• ポルシェ 356 (1948-1965)
• ポルシェ 911 (1964-1998)
• ポルシェ 912 (1965-1969、1976)
• VW-ポルシェ 914 (1969-1976)
• フォルクスワーゲンビートル、タイプ2、SP2、カルマンギア、タイプ3はすべて、さまざまな排気量の同じ空冷エンジン（1938-2013）を使用していました。
• フォルクスワーゲン タイプ 2 (T3) (1979–1982)
• フォルクスワーゲン タイプ 4 (1968-1974)
• フォルクスワーゲン ゴル (G1) (1980-1986)
• トヨタ U エンジン(1961-1976)
• シボレー コルヴェア(1960-1969)
• シトロエン 2CV (1948-1990) (高圧オイル冷却システムを搭載し、クランクシャフトの端にボルトで固定されたファンを使用)
• シトロエン GSとGSA
• ホンダ 1300 (1969-1973)
• NSUプリンツ
• ロイヤルエンフィールドモーターサイクルズ（インド）：350ccと500ccのツインスパークモーターサイクルエンジンは空冷式です。
• オルトシット クラブ(1981–1995)T13/653、G11/631 および VO36/630
• デマック DZM 200 2015

1920年代から30年代にかけて、航空業界では空冷式と液冷式のメリットについて激しい議論が交わされた。この時期の初め、冷却に使われていた液体は常圧の水だった。流体によって奪われる熱量は、その容量と入力温度と出力温度の差によって決まる。圧力が低いと水の沸点が下がり、水を蒸気として効率的に送り出すことができないため、ラジエーターは航空機が上昇するにつれて失われる冷却力を補うだけの冷却力を備えていなければならなかった。その結果、ラジエーターは非常に大きくなり、かなりの空気抵抗を引き起こした。^[4]

これにより、2つの設計は出力対抗力の点でほぼ同等になりましたが、空冷設計の方がほぼ常に軽量でシンプルになりました。1921年、アメリカ海軍は、主にブルース・G・レイトン司令官の尽力により、空冷設計のシンプルさが整備作業の負担軽減につながると判断しました。これは、航空母艦の限られた作業領域を考えると非常に重要です。レイトンの努力により、海軍はプラット・アンド・ホイットニーとライト航空機での空冷エンジン開発を保証しました。^[4]

他のほとんどのグループ、特に航空機の性能が急速に向上しつつあったヨーロッパのグループは、抗力の問題をより懸念していた。軽飛行機や練習機、一部の輸送機や爆撃機では空冷設計が一般的であったが、戦闘機や高性能爆撃機では液冷設計の方がはるかに一般的であった。抗力の問題は、1929年に導入されたNACAカウルによって覆され、空冷エンジンの正面面積が大きいにもかかわらず抗力が大幅に減少し、冷却に関連する抗力はこの時点でほぼ一定になった。^[4]

1920年代後半から1930年代にかけて、ヨーロッパの多くの企業が、水を加圧状態に保ち、沸騰させずにより高い温度まで上げることができる冷却システムを導入した。これにより、より多くの熱を運び去り、必要な水の量とラジエーターのサイズを最大30%削減できた。これにより、ロールスロイスマーリンやダイムラーベンツ DB601など、高出力で比較的抗力の少ない新世代の液冷直列エンジンへの道が開かれ、ユモ 211の初期の非加圧バージョンよりも優位になった。また、これにより、蒸発冷却を使用してラジエーターを完全になくす開発作業にもつながり、蒸気に変えて翼と胴体の真下に配置されたチューブに蒸気を流し、高速で移動する外気によって蒸気を水に戻すことができた。このコンセプトは1930年代後半に数々の記録を打ち立てた航空機に採用されましたが、さまざまな理由から量産航空機には常に非実用的であることが判明しました。^[5]

1929年、カーチスはカーチスD-12エンジンで水をエチレングリコールに置き換える実験を開始しました。グリコールは最高250℃まで動作し、水冷設計に比べてラジエーターのサイズを50％削減しました。実験は非常に成功し、1932年までに同社は将来のすべての設計をこの冷却剤に切り替えました。当時、ユニオンカーバイドはグリコールを製造する工業プロセスを独占していたため、当初は米国でのみ使用され、その後すぐにアリソンエンジンが採用しました。1930年代半ばになってようやく、供給が改善され、ロールスロイスがこれを採用し、すべてのエンジンをグリコールに切り替えました。ラジエーターがはるかに小さく、システム内の流体が少ないため、これらの設計の重量と抗力は当時の空冷設計よりもはるかに低かったです。重量ベースで、これらの液冷設計は30％も優れた性能を提供しました。^[6]

戦後期から戦後にかけて、高性能分野は急速にジェットエンジンへと移行した。これにより、後期型液冷エンジンの主要市場は失われた。ピストンエンジンが残された役割は、主に低速設計と民間航空機であった。これらの役割では、抗力よりも単純さと整備の必要性の減少がはるかに重要であり、戦争終結以降、ほとんどすべてのピストン航空エンジンは、いくつかの例外を除いて空冷式になった。^[6]

2020年現在、ライカミング社とコンチネンタル社^{[アップデート]}が製造するエンジンのほとんどは、シーラス社、セスナ社など大手軽飛行機メーカーで使用されている。空冷エンジン技術を採用している他のエンジンメーカーとしては、 ULPower社とジャビル社があり、軽スポーツ機（LSA）や超軽量飛行機市場でより積極的に活動している。ロータックス社は、空冷シリンダーと液冷シリンダーヘッドを組み合わせて使用​​している。

Deutz AGやLister Petterなどの小型ディーゼル エンジンは空冷式です。おそらく唯一の大型 Euro 5 トラック用空冷エンジン (V8 320 kW 出力、2100 N·m トルク) はTatra社が製造しています。FAYAT グループの一部門である BOMAG 社も、多くの建設車両に空冷直列 6 気筒モーターを採用しています。

据置型またはポータブル エンジンは、1900 年代初頭に商業的に導入されました。最初の商業生産は、米国ミシガン州ランシングの New Way Motor Company によるものでした。同社は、水平シリンダーと垂直シリンダーの両方の形式で、単気筒と双気筒の空冷エンジンを生産しました。世界中に輸出された最初の生産の後、他の企業もこの冷却方法の利点を取り入れ、特に小型ポータブル エンジンに採用しました。用途には、芝刈り機、発電機、船外機、ポンプ セット、のこぎり台、補助動力装置などがあります。

• スローン、アルフレッド P. (1964)、マクドナルド、ジョン (編)、My Years with General Motors、ガーデンシティ、ニューヨーク、米国: Doubleday、LCCN  64011306、OCLC  802024。 1990年にピーター・ドラッカーによる新しい序文を添えて再出版された（ISBN 978-0385042352）。 
• テイラー、C. フェイエット (1971)。航空機の推進力。スミソニアン協会。

• Biermann, AE (1941). 「空冷シリンダー用フィンの設計」( pdf) .レポート番号 726. NACA .^{[永久リンク切れ‍ ]}

• PV Lamarque、「オートバイエンジンの冷却フィンの設計」。自動車研究委員会の報告書、自動車技術者協会誌、1943 年 3 月号、および「自動車技術者協会議事録 XXXVII、セッション 1942-1943」、pp 99-134 および 309-312。
• Julius Mackerle、「空冷式自動車エンジン」、Charles Griffin & Company Ltd.、ロンドン、1972 年。