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空冷エンジンは、エンジンの作動温度範囲内に維持するために、放熱フィンや高温部分に直接空気を循環させて冷却します。空冷式エンジンは、ラジエーター、冷却液リザーバー、配管、ポンプなどを必要とする液冷式エンジンに比べてはるかにシンプルな構造です。空冷は、冷却対象物の表面積を拡大するか、空気の流れを増やすか、あるいはその両方によって機能します。
空冷エンジンは、軽量性や構造の簡素さが最優先される用途で広く用いられています。その簡素さから、チェーンソーや芝刈り機といった小型機器、小型発電機などへの応用が期待されます。また、航空分野でも広く利用されており、一般航空機や大型航空機の補助動力装置として使用されています。特に、その簡素さゆえにオートバイにもよく採用されています。
現代のほとんどの内燃機関は、エンジンブロックとシリンダーヘッド内の流路に液体冷却剤を循環させる閉回路によって冷却されます。これらの流路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込み、そこで冷却剤が熱を空気（船舶用エンジンの場合は生水）に放出します。したがって、熱は空気などの他の流体と交換されるため、最終的に液体によって冷却されるわけではありませんが、液体冷却回路を備えていることから、液冷式エンジンと呼ばれています。
一方、空冷エンジンで発生した熱は、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製の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。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ことで、大量の空気による効率的な冷却を実現することもできますし、適切に設計され角度が付けられたフィンによる自然な空気の流れを利用するだけでも冷却効果が得られます。
すべての燃焼エンジンでは、発生した熱の大部分、約44%が排気によって放出されます。さらに約8%がオイルに流れ込み、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のある熱は半分以下です。空冷エンジンでは、金属フィンを通して放出される熱は約12%だけです。[ 1 ]空冷エンジンは通常、騒音が大きくなりますが、構造がシンプルであるため、整備や部品交換の際にメリットがあり、通常は維持費が安くなります。[ 2 ]
多くのオートバイは、軽量化と構造の簡素化の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ごくわずかですが（タトラ815など）、歴史的には多くの量産車で一般的でした。エンジンのシリンダーの配置は、単気筒または2気筒ずつのグループで配置されているのが一般的で、水平に配置されたフラットエンジンもあれば、垂直に配置された直列4気筒エンジンもありました。過去の空冷式ロードカーの例を、おおよそ年代順に挙げると以下のようになります。
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どちらが優れているかについて大きな議論が交わされました。この時期の初めには、冷却に使われる液体は常圧の水でした。流体によって運ばれる熱量は、その容量と入力温度と出力温度の差によって決まります。水の沸点は圧力が低いほど低下し、水を蒸気として効率的にポンプで送ることができなかったため、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能力を補うのに十分な冷却能力を持つ必要がありました。結果として、ラジエーターはかなり大きくなり、かなりの空気抵抗を引き起こしました。[ 4 ]
これにより、2つの設計は出力と抗力の点でほぼ同等になったが、空冷式の設計はほとんどの場合、より軽量でシンプルだった。1921年、主にブルース・G・レイトン司令官の尽力により、米海軍は、空冷式の設計のシンプルさがメンテナンス作業の軽減につながると判断した。これは、航空母艦の限られた作業領域を考えると極めて重要だった。レイトンの尽力により、海軍はプラット・アンド・ホイットニーとライト・エアロノーティカルで空冷エンジンの開発を支援することになった。[ 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ていたヨーロッパでは、抗力の問題に関心が向けられていた。空冷式は軽飛行機や練習機、一部の輸送機や爆撃機で一般的だったが、戦闘機や高性能爆撃機では液冷式が依然として主流だった。抗力の問題は、1929年にNACAカウルが導入されたことで一変した。NACAカウルは、前面面積が大きくなったにもかかわらず、空冷エンジンの抗力を大幅に低減し、この時点で冷却に関連する抗力はほぼ同等になった。[ 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、水を加圧して沸騰させずに高温に保てる冷却システムを導入しました。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%削減することができました。これは、ロールス・ロイス・マーリンやダイムラー・ベンツDB601のような、高出力で比較的抵抗の少ない液冷式直列エンジンの新世代への道を開き、加圧されていない初期のJumo 211よりも優位性がありました。また、蒸発冷却を使用してラジエーターを完全に排除しようとする開発作業も行われました。蒸発冷却では、水を蒸気に変え、翼と胴体の外板のすぐ下に配置されたチューブを通して蒸気を流し、そこで高速で流れる外気によって蒸気を凝縮させて水に戻します。このコンセプトは1930年代後半に数々の記録を樹立した航空機で使用されたが、さまざまな理由から量産機には常に実用的ではないことが判明した。[ 5 ]
1929年、カーチス社はカーチス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た。エチレングリコールは250℃まで作動し、水冷式に比べてラジエーターのサイズを50%削減できた。この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た。当時、ユニオン・カーバイド社はエチレングリコールの製造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・エンジンズ社が採用した。供給が改善された1930年代半ばになってようやくロールス・ロイス社が採用し、すべてのエンジンをエチレングリコールに切り替えた。ラジエーターがはるかに小さく、システム内の液体が少ないため、これらの設計の重量と抵抗は当時の空冷式設計よりもはるかに低かった。重量ベースでは、これらの液冷式設計は最大30%優れた性能を提供した。[ 6 ]
戦後末期には、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、最新型の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用途は、主に低速設計の航空機や民間航空機であった。これらの用途では、抗力よりもシンプルさと整備の必要性の軽減がはるかに重要であり、終戦以降、ごく一部の例外を除いて、ほぼすべてのピストン式航空エンジンは空冷式となった。[ 6 ]
2020年現在ライカミング社とコンチネンタル社が製造するエンジンのほとんどは、シーラス社、セスナ社などの主要軽飛行機メーカーで使用されています。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、ライトスポーツ航空機（LSA）や超軽量航空機市場でより活発に活動しているULPower社とJabiru社があります。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ます。
小型ディーゼルエンジンの中には、例えばDeutz AGやLister Petter製のもののように空冷式のものがある。おそらく唯一の大型Euro 5トラック用空冷エンジン（V8、 出力320kW、トルク2100N·m）はTatra社が製造している。FAYATグループ傘下のBOMAG社も、多くの建設車両に空冷直列6気筒エンジンを採用している。
定置式または可搬式のエンジンは、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ニューウェイ・モーター社によるものでした。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、単気筒および二気筒の空冷エンジンを製造しました。最初の生産分は世界中に輸出され、その後、他の企業もこの冷却方式の利点に着目し、特に小型可搬式エンジンに採用しました。用途としては、芝刈り機、発電機、船外機、ポンプセット、製材機、補助動力装置などがあります。