水冷エンジン

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水冷エンジン(すいれいエンジン)は、内燃機関のうち、水またはそれに類する冷却を媒体として間接的に冷却を行うものを指す。液冷エンジンも同義。

解説[編集]

燃焼室周囲、すなわちレシプロエンジンの場合はシリンダーブロック、ロータリーエンジンの場合はローターハウジングに、ウォータージャケットと呼ばれる空間を設けて冷却水を通し、燃焼による過熱を抑制している。冷却水はラジエーターなどで冷却されて循環する場合のほか、船外機や消防ポンプのエンジンのように、エンジンが利用される場所の周囲にある水を吸い上げて、エンジンを通過した後は再び周囲の環境へ放出される場合もある。循環する方式の場合、船舶では熱交換器によって海水等と熱交換して冷却され、その他ではラジエーターで空気冷却される。機関の運転に最適な温度に保つため、一般的に冷却水の循環経路にサーモスタット弁を設け、水温に応じてラジエーターに向かう(またはラジエーターから戻る)水量を調節している。より効率的にエンジンの冷却を行うため、冷却水は100℃では沸騰しないように加圧されている。冷却水は凍結すると膨張し、ラジエーターやシリンダーブロックなどを破裂させるため、凍結しないように不凍液が添加されることが多い。不凍液のうち1年以上の長期間に渡って利用できるものはロングライフクーラント(LLC)と呼ばれる。

空気よりも比熱(熱容量)が大きい水を利用することで空冷エンジンよりも安定した冷却能力を持つが、冷却水を循環する配管が必要になるため部品点数が増えたり、複雑な構造の部品が必要となったりする。また、冷却水の漏出や減少による故障リスクを伴う。

通常、ウォータージャケットはエンジン製造時に鋳造で形成されるが、第二次世界大戦以前の航空用エンジンには、外部から鋼板を巻き付けて溶接することでウォータージャケットを形成する例もあった[要出典]

歴史[編集]

[要出典] 内燃機関が発明された当初から、高温に達する燃焼室周囲の安定した冷却は重要な課題であった。空冷エンジンは簡易だが、条件によっては冷却効率が悪く温度管理も難しいため、比熱の大きい水を冷却媒体とする手法が早くから普及した。当初の水冷エンジンでは、冷却水はエンジンの上に設置された大きな水槽に満たされて、ウォータージャケットへ供給され、熱された冷却水は循環されず、系は大気に解放されていて冷却水は蒸発によりその量が減少する構造だった。こうした方式は定置動力用や農業用の小型エンジンなどでは1960年代まで用いられていた。1890年代ごろから生産されるようになったガソリンエンジンを搭載した自動車では、冷却水が蒸発する分を搭載しなければならず、実用的ではなかったことから、ラジエーターを利用して冷却水を循環再使用させる方式が考案された。1890年代後半には、冷却フィン(ひれ)を設けたパイプをくねらせた原始的なラジエーターが、水冷エンジン自動車に装備されるようになった。

1900年には、ドイツダイムラー社が開発した乗用車、メルセデス・シンプレックスに、ハニカム構造のラジエーターが採用された。ハニカム構造は、細い空気流路で形成された冷却コアを密集させて広い表面積を確保し、高い冷却効率を得るものであった。エンジン動力の一部を利用して冷却ファンを駆動し、ラジエーターの放熱を促進する構造も同時期に普及した。大型エンジンでも効率よく冷却できることから、20世紀初頭には水冷エンジンは自動車や船舶、定置動力用機関に用いられるようになった。一方、航空機のレシプロエンジンでは、空冷エンジンに比べると構造が複雑で重いことから、水冷エンジンが一般化するのはほかの用途よりも遅かった。

1930年代、沸騰冷却システムが導入されたことがある。冷却液が液体から気体へ変化する際には気化熱を奪いより高い冷却作用が期待できる。航空機の分野においてはハニカムラジエーターの空気抵抗を低減して飛行速度を向上する方策として研究されたものの、構造が複雑で生産が困難だったため実用化されなかった その後[いつ?]、配管全体を密閉構造として加圧して沸点を高くして冷却効率を高めた加圧式ラジエータが考案された。これは航空機から自動車などにも拡大された技術である。

冷却水には氷点を下げて冬期でも凍結しにくくする不凍液として、エチレングリコールなどを混入することは古くから行われていたが、20世紀後半の1960年代以降はロングライフクーラントと呼ばれる長期間の利用が可能な不凍液が普及した。ロングライフクーラントはエチレングリコールのほかに、防錆剤や消泡剤などを混合することで冷却水路内部の劣化を防止し、メンテナンスフリー(冷却水の長期無交換と冷却系の保護)を狙ったものである。

関連項目[編集]