内燃機関の冷却

内燃機関の冷却では、空気または液体を使用して、内燃機関から廃熱を除去します。小型エンジンや特殊用途エンジンの場合、大気中の空気を使用して冷却すると、軽量で比較的シンプルなシステムになります。船舶は、周囲の環境から直接水を使用してエンジンを冷却できます。航空機や水上車両の水冷エンジンの場合、廃熱は、エンジンを通って周囲の大気に送り込まれる水の閉ループからラジエーターによって伝達されます。

水は空気よりも熱容量が大きいため、エンジンから熱をより速く移動させることができますが、ラジエーターとポンプ システムにより重量、複雑さ、およびコストが増加します。高出力エンジンは廃熱が多く発生しますが、より多くの重量を移動できるため、通常は水冷式です。星型エンジンでは、空気が各シリンダーの周囲を直接流れるため、直列エンジン、水平対向エンジン、V 型エンジンよりも空冷の点で有利です。 ロータリー エンジンも同様の構成ですが、シリンダーも継続的に回転するため、車両が停止しているときでも空気の流れが生まれます。

航空機の設計では、より軽量で空冷の設計が好まれる傾向にあります。ロータリーエンジンは第一次世界大戦の終わりまで航空機で人気がありましたが、安定性と効率に深刻な問題がありました。星型エンジンは第二次世界大戦の終わりまで人気がありましたが、その後ガスタービンエンジンが大部分を占めるようになりました。現代の内燃機関を搭載したプロペラ駆動の航空機は、現在でも大部分が空冷式です。現代の自動車は一般に重量よりパワーを重視しており、通常は水冷式エンジンを搭載しています。現代のオートバイは自動車よりも軽量で、両方の冷却方法が一般的です。^{[1]一部のスポーツバイクは、空冷とオイル（}ピストンヘッドの下に噴霧）の両方で冷却されていました。

熱機関は、水車が一定距離を落下する質量の流れから機械的動力を引き出すのと同じように、熱流からエネルギーを引き出すことで機械的動力を生み出します。エンジンは効率が悪いため、エンジンに入る熱エネルギーは機械的動力として出てくる熱エネルギーより多く、その差は除去しなければならない廃熱です。内燃機関は、冷たい吸気、熱い排気ガス、および明確なエンジン冷却によって廃熱を取り除きます。

効率の高いエンジンでは、機械的な動きとして放出されるエネルギーが多く、廃熱として放出されるエネルギーは少なくなります。廃熱は不可欠です。廃熱はエンジンに熱を導きます。これは、廃水に排出速度 (エネルギー) があって、廃水を運び去り、より多くの水のためのスペースを確保できる場合にのみ水車が機能するのと同じです。したがって、すべての熱エンジンは動作するために冷却が必要です。

高温はエンジンの素材や潤滑油にダメージを与えるため、冷却も必要であり、暑い気候ではさらに重要になります。内燃機関は、エンジン素材の融点よりも高温の燃料を燃焼させ、潤滑油に引火するほど高温になります。エンジン冷却は、エンジンが耐えられるよう温度を低く保つのに十分な速さでエネルギーを除去します。^[2]

高効率エンジンの中には、明示的な冷却を行わず、偶発的な熱損失のみで動作するものもあり、この設計は断熱エンジンと呼ばれます。このようなエンジンは高効率を達成できますが、出力、デューティサイクル、エンジン重量、耐久性、排出量が犠牲になります。^[要出典]

ほとんどの内燃機関は、空気（気体流体）または液体の冷却剤を空気冷却熱交換器（ラジエーター）に流して流体冷却されます。船舶用エンジンや一部の固定エンジンでは、適温の大量の水を簡単に利用できます。水はエンジンを直接冷却するために使用できますが、冷却剤の通路を詰まらせる沈殿物や、エンジンに化学的損傷を与える塩などの化学物質が含まれていることがよくあります。そのため、エンジンの冷却剤は、水によって冷却される熱交換器に流されることがあります。

ほとんどの液冷エンジンでは、水と、不凍液、防錆剤、その他の添加剤などの化学物質の混合物が使用されています。これらの不凍液混合物は「エンジン冷却剤」とも呼ばれ、通常はエチレングリコール、添加剤、水の混合物を含むグリコールベースの液体です。一般的な冷却剤の種類には、無機酸技術 (IAT)、有機酸技術 (OAT)、ハイブリッド有機酸技術 (HOAT) 液体があります。一部の不凍液は水をまったく使用せず、代わりにプロピレングリコールやプロピレングリコールとエチレングリコールの組み合わせなど、異なる特性を持つ液体に依存しています。空冷エンジンは主に空気で温度を調節しますが、多くのエンジンでは、エンジン部品とオイル自体の両方を最適な温度に保つためにオイル冷却も使用しています。ほとんどの液冷エンジンは、空気の吸気行程で燃焼室を冷却する、ある程度の空気冷却を使用しています。例外はヴァンケルエンジンで、燃焼室の一部は吸気によって冷却されないため、正常に動作するために余分な労力が必要です。

冷却システムには多くの要求があります。重要な要件の 1 つは、エンジン全体に適切に機能することです。1 つの部品が過熱すると、エンジン全体が故障するからです。したがって、冷却システムですべての部品を適度に低い温度に保つことが重要です。液冷エンジンは、エンジン ブロックを通る通路のサイズを変えられるため、各領域のニーズに合わせて冷却剤の流れを調整できます。ピーク温度が高い場所 (燃焼室の周りの狭い島) や熱流が大きい場所 (排気口の周り) では、十分な冷却が必要になる場合があります。これにより、空冷では避けるのが難しいホット スポットの発生が減ります。空冷エンジンでは、その領域でより密集した冷却フィンを使用することで冷却能力を変えることもできますが、これにより製造が困難で高価になる可能性があります。

ブロックやヘッドなどのエンジンの固定部分のみが、主冷却システムによって直接冷却されます。ピストンなどの可動部分、および程度は低いもののクランクシャフトやコネクティングロッドは、冷却剤として潤滑油に頼るか、ブロックに伝導して主冷却剤に頼る必要があります。高性能エンジンでは、潤滑に必要な量を超える追加のオイルが、冷却を強化するためだけにピストンの底に上向きに噴霧されることがよくあります。空冷式のオートバイは、シリンダーバレルの空冷に加えて、オイル冷却に大きく依存することがよくあります。

液冷エンジンには通常、循環ポンプが付いています。初期のエンジンはサーモサイフォン冷却のみに依存しており、熱い冷却剤がエンジン ブロックの上部からラジエーターに流れ、そこで冷却されてからエンジンの下部に戻ります。循環は対流のみによって行われていました。

その他の要求としては、冷却システム自体のコスト、重量、信頼性、耐久性などがあります。

伝導熱伝達は、材料間の温度差に比例します。エンジンの金属が 250 °C で空気が 20 °C の場合、冷却には 230 °C の温度差があります。空冷エンジンでは、この差をすべて利用します。対照的に、液冷エンジンでは、エンジンの熱を液体に放出し、液体を 135 °C に加熱し (冷却システムは加圧され、不凍液との混合物も使用するため、水の標準沸点である 100 °C を超える場合があります)、その後 20 °C の空気で冷却します。各ステップで、液冷エンジンでは温度差が半分になるため、一見すると 2 倍の冷却面積が必要であるように見えます。

ただし、冷却剤 (水、油、空気) の特性も冷却に影響します。冷却剤としての水と油を比較した例として、1 グラムの油は同じ温度上昇に対して約 55% の熱を吸収できます (比熱容量と呼ばれます)。油の密度は水の約 90% であるため、一定量の油は同量の水のエネルギーの約 50% しか吸収できません。水の熱伝導率は油の約 4 倍で、熱伝達に役立ちます。油の粘度は水の 10 倍になる可能性があり、冷却のために油をポンプで送るのに必要なエネルギーが増加し、エンジンの正味出力が低下します。

空気と水を比較すると、空気はグラム当たりおよび体積当たりの熱容量が非常に低く(4000)、伝導率は 10 分の 1 以下ですが、粘度もはるかに低くなっています (約 200 倍低い:空気の場合は17.4 × 10 ^{−6 Pa·s、水の場合は 8.94 × 10 −4} Pa·s)。2 段落前の計算を続けると、空気冷却には 10 倍の表面積 (したがってフィン) が必要になり、空気には 2000 倍の流速が必要なので、循環空気ファンには循環水ポンプの 10 倍の電力が必要になります。

空冷のためにシリンダーから大きな表面積に熱を移動させると、良好な熱伝達に必要な形状や大量の空気の自由な流れに必要なスペースを製造するのが困難になるなど、問題が生じる可能性があります。水は、エンジン冷却に必要な温度とほぼ同じ温度で沸騰します。これは、温度上昇 (気化熱と呼ばれる) がほとんどなく大量のエネルギーを吸収するという利点があり、これは物体を冷却するのに適しており、特に 1 本の冷却剤の流れを複数の熱い物体に通して均一な温度にする場合に適しています。対照的に、空気を複数の熱い物体に連続して通すと、各段階で空気が温められるため、最初の物体は過度に冷却され、最後の物体は冷却不足になる可能性があります。ただし、水は沸騰すると絶縁体になるため、蒸気の泡が発生する場所で突然冷却が失われます。蒸気は他の冷却剤と混ざると水に戻る可能性があるため、局所的な温度が損傷を与えるほど高くても、エンジン温度計は許容温度を示すことがあります。

エンジンにはさまざまな温度が必要です。ターボのコンプレッサーを含む吸気口、吸気トランペット、吸気バルブは、できるだけ低温にする必要があります。強制冷却空気を備えた逆流熱交換器がその役割を果たします。シリンダー壁は、圧縮前に空気を加熱してはなりませんが、燃焼時にガスを冷却してはなりません。妥協案は壁温度 90 °C です。オイルの粘度は、この温度に最適化されています。排気とターボチャージャーのタービンを冷却すると、タービンに利用できる電力量が減少するため、排気ガスをできるだけ高温に保つために、エンジンとターボチャージャーの間に排気システムを絶縁することがよくあります。

冷却空気の温度は、氷点下から 50 °C までの範囲です。さらに、長距離船や鉄道のエンジンは一定の負荷で動作しますが、道路車両では負荷が大きく変動したり、急速に変動したりすることが多々あります。したがって、冷却システムは、エンジンが熱くなりすぎたり冷たくなりすぎたりしないように冷却を変化させるように設計されています。冷却システムの調整には、空気の流れを調整するバッフル (「シャッター」と呼ばれることもあり、通常は空気圧式の「シャッタースタット」によって作動します)、電動ファンのようにエンジンとは独立して動作するファン、または調整可能なクラッチを備えたファン、および冷却剤が冷えすぎたときに冷却剤の流れをブロックできるサーモスタットバルブまたはサーモスタットが含まれます。さらに、モーター、冷却剤、および熱交換器には、短距離走での温度上昇を平滑化する熱容量があります。一部のエンジン コントロールは、エンジンが過熱すると、エンジンを停止するか、スロットルを半分に制限します。最新の電子エンジン コントロールは、スロットルに基づいて冷却を調整し、温度上昇を予測し、エンジン出力を制限して、冷却の限界を補います。

最後に、他の懸念事項が冷却システムの設計に影響を及ぼす場合があります。たとえば、空気は比較的質の低い冷却剤ですが、空気冷却システムは単純で、故障率は通常、故障箇所の数の 2 乗に比例して増加します。また、冷却能力は、空気冷却剤の小さな漏れによってわずかに低下するだけです。信頼性が最も重要である航空機の場合、効率、寿命 (エンジンの再構築間隔)、静粛性を犠牲にして、信頼性をわずかに高めることは、良いトレードオフとなる場合があります。航空機のエンジンが故障した場合の影響は非常に深刻であるため、信頼性をわずかに高めるためでも、他の優れた特性を犠牲にして信頼性を高める価値があります。

空冷エンジンと 液冷エンジンはどちらも一般的に使用されています。それぞれの原理には利点と欠点があり、特定の用途ではどちらか一方が有利になる場合があります。たとえば、ほとんどの車やトラックは液冷エンジンを使用していますが、多くの小型飛行機や低コストのエンジンは空冷エンジンです。

空冷式エンジンと液冷式エンジンについて一般化することは困難です。空冷式ディーゼルエンジンは、極度の暑さの中でも信頼性が高いことから選ばれています。これは、水冷システムよりも空冷の方が、真冬や真夏の極端な気温に対処するのに簡単で効果的であり、エンジンが何ヶ月も無人で稼働する状況でよく使用されるためです。^[3]

同様に、各段階での温度差を最大化するために、熱伝達段階の数を最小限に抑えることが望ましい。しかし、デトロイトディーゼルの2ストロークサイクルエンジンでは、一般的に水で冷却されたオイルを使用し、その水を空気で冷却する。^[4]

多くの液冷エンジンで使用される冷却剤は、定期的に交換する必要があり、常温で凍結するため、膨張するとエンジンに永久的な損傷を与える可能性があります。空冷エンジンは冷却剤のメンテナンスが不要で、凍結による損傷もありません。これらは空冷エンジンの一般的な利点の 2 つです。ただし、プロピレングリコールをベースとする冷却剤は、多くのエンジンが遭遇する温度よりも低い -55 °C まで液体であり、結晶化するとわずかに収縮するため損傷を回避し、耐用年数は 10,000 時間を超え、基本的に多くのエンジンの寿命と同じです。

空冷エンジンでは、通常、低排出ガスまたは低騒音のいずれかを達成するのがより困難であり、ほとんどの道路車両が液冷エンジンを使用するもう 2 つの理由です。また、大型の空冷エンジンを製造することも難しい場合が多いため、ほぼすべての空冷エンジンは 500  kW (670 hp ) 未満ですが、大型の液冷エンジンは 80  MW (107000 hp) を超えます ( Wärtsilä-Sulzer RTA96-C 14 気筒ディーゼル)。

直接空冷（中間液体なし）を使用する自動車やトラックは、最初から長い間製造され、一般には認識されない小さな技術的変更で終わりました。第二次世界大戦前、水冷式の自動車やトラックは山道を登るときに定期的にオーバーヒートし、沸騰した冷却水の間欠泉を作りました。これは正常であると考えられており、当時、有名な山道のほとんどには、オーバーヒートしたエンジンを修理するための自動車修理工場がありました。

ACS (Auto Club Suisse) は、ラジエーター補充ステーションが 2 つ残っているスステン峠に、その時代を物語る歴史的記念碑を維持しています。そこには、鋳鉄製の銘板に書かれた説明と、水栓の横にぶら下がっている球底のじょうろがあります。球底は、家の中で使えなくなるのを防ぐためのものでしたが、写真が示すように、盗まれてしまいました。

この時期、マギルス・ドイツなどのヨーロッパの企業は空冷式ディーゼルトラックを製造し、ポルシェは空冷式農業用トラクターを製造し^[5]、フォルクスワーゲンは空冷式乗用車で有名になりました。米国では、フランクリンが空冷式エンジンを製造しました。

液体冷却システムは破片による損傷を受けやすいため、軍事用途では長年にわたり空冷が好まれてきました。

チェコ共和国に拠点を置くタトラ社は、大排気量の空冷式V8自動車エンジンで知られており、タトラ社のエンジニアであるユリウス・マッケルレ氏がそれに関する本を出版しています。空冷エンジンは、極端に寒いまたは暑い環境の気象温度によく適応しています。水冷エンジンが動かなくなるような氷点下の状況で空冷エンジンが始動して作動しているのを見ることができますが、水冷エンジンが蒸気を噴き始めても空冷エンジンは作動し続けます。空冷エンジンは、動作温度が高いため、熱力学的観点からは有利である可能性があります。空冷式航空機エンジンで発生した最悪の問題は、いわゆる「ショック冷却」でした。飛行機が上昇またはスロットルを開いた水平飛行後に急降下に入ったとき、飛行機が急降下している間はエンジンに負荷がかからず、熱の発生が少なくなり、エンジンを冷却する空気の流れが増加し、エンジンのさまざまな部分の温度が異なり、したがって熱膨張が異なるため、壊滅的なエンジン故障が発生する可能性があります。このような状況では、エンジンが固着する可能性があり、エンジンによって生成される熱と冷却によって放散される熱との関係における突然の変化または不均衡により、エンジンの摩耗が増加する可能性があります。これは、エンジン部品間の熱膨張差の結果としてでもあり、液冷エンジンはより安定して均一な動作温度を備えています。

現在、ほとんどの自動車用エンジンや大型の内燃機関は液冷式となっている。^{[6] [7] [8]}

液体冷却は海上車両（船舶など）にも採用されています。船舶の場合、冷却には主に海水そのものが使用されます。場合によっては化学冷却剤も使用される（閉鎖系の場合）か、海水冷却と混合されます。^{[9] [10]}

空冷から液冷への変更は、米国軍が信頼性の高い車両を必要としていた第二次世界大戦の初めに行われました。沸騰エンジンの問題が取り上げられ、研究され、解決策が見つかりました。以前のラジエーターとエンジンブロックは適切に設計され、耐久性テストに耐えましたが、ポンプシャフトに漏れやすいグラファイト潤滑「ロープ」シール（グランド）を備えたウォーターポンプを使用していました。このシールは、蒸気エンジンから受け継がれました。蒸気エンジンはすでに大量の水を消費するため、水の損失は許容されています。ポンプシールの漏れは主にポンプが稼働していてエンジンが熱いときに発生するため、水の損失は目立たずに蒸発し、エンジンが停止して冷却されると、せいぜい小さな錆びた跡が残り、重大な水の損失は明らかになりません。自動車のラジエーター（または熱交換器）には、冷却された水をエンジンに送る出口があり、エンジンには、ラジエーターの上部に加熱された水を送る出口があります。水の循環は、ロータリーポンプによって補助されていますが、その効果はわずかで、非常に広い速度範囲で動作する必要があるため、インペラはポンプとして最小限の効果しかありません。作動中、漏れているポンプシールから冷却水が排出され、ポンプがラジエーターの上部に水を戻すことができなくなったため、水の循環が止まり、エンジン内の水が沸騰しました。しかし、水の損失は過熱につながり、沸騰によるさらなる水の損失を引き起こしたため、元々の水の損失は隠されていました。

ポンプの問題を切り分けた後、戦争用に製造された自動車やトラック（当時は民間車は製造されていなかった）には、漏れがなく間欠泉も発生しないカーボンシールウォーターポンプが装備された。一方、沸騰エンジンの記憶を頼りに空冷が進歩したが、沸騰はもはや一般的な問題ではなかった。空冷エンジンはヨーロッパ中で人気となった。戦後、フォルクスワーゲンは米国で沸騰しないとして宣伝したが、新しい水冷車はもはや沸騰することはなく、車はよく売れた。しかし、1960年代に空気の質に対する意識が高まり、排気ガス規制法が可決されると、鉛ガソリンは無鉛ガソリンに置き換えられ、より希薄な燃料混合物が標準となった。スバルは、 1966年に発表されたEAシリーズ（フラット）エンジンに液冷を選択した。 ^[要出典]

数十年にわたり、熱損失を減らして効率を向上させることを目標に、特別なクラスの実験用プロトタイプ内燃ピストンエンジンが開発されてきた。^[11]これらのエンジンは、断熱膨張をより正確に近似していることから、断熱エンジン、低熱遮断エンジン、高温エンジンなどと呼ばれている。^{[ 12]}これらは通常、燃焼室部品にセラミック熱遮断コーティングが施されたディーゼルエンジンである。^[ 13]熱伝導率が低く質量が軽いため、チタンピストンやその他のチタン部品を使用するものもある。一部の設計では、冷却システムの使用とそれに伴う寄生損失を完全に排除できる。^[15]高温に耐えられる潤滑剤の開発が、商業化の大きな障壁となっている。^[16]

• ヒーターコア

• Biermann, Arnold E.; Ellerbrock, Herman H. Jr (1939)。空冷シリンダー用フィンの設計(PDF) 。NACA。レポート番号 726。
• 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、Institution of Automobile Engineers 誌、1943 年 3 月号、および「The Institution of Automobile Engineers Proceedings、XXXVII、Session 1942-43、pp 99-134 および 309-312」にも掲載されています。
• 「空冷式自動車エンジン」、Julius Mackerle、ME、Charles Griffin & Company Ltd.、ロンドン、1972 年。
• 空気、油、水の物理的性質については engineeringtoolbox.com をご覧ください
• 冷却水不足によるアイドリング不調については、https://automotivedroid.com/can-low-coolant-cause-rough-idle/ をご覧ください。

ウィキメディア・コモンズには、エンジン冷却に関連するメディアがあります。