【自動車用語辞典：冷却系「エンジンの冷却」】水でエンジンを冷却して機能を維持する仕組み

■ウォーターポンプでエンジン内に水を巡らせる

●部品の強度低下や摺動部の焼き付きを防ぐ

エンジンの内部には、ウォータージャケット(水路)が設けてあり、冷却水を循環させることによって高温化したエンジン内部や部品を冷やしたり、冷態時には温めたりします。

エンジン本体の冷却システムの仕組みや働きについて、解説していきます。

●冷却性能が不足すると何が起こる？

シリンダー内の燃焼ガスは2000Kにも達し、それらの熱を受けてシリンダーヘッドやピストン、シリンダーは高温になります。冷却性能が十分でないと、以下のような問題が発生します。

・エンジン部品が許容温度を超えることによる急激な強度低下
・シリンダーやピストンの熱歪や熱膨張によるフリクション増大や摺動部の焼き付き
・潤滑油の粘度低下によるカーボンデポジット(堆積)や潤滑不良による摺動部の焼き付き
・燃焼温度の上昇によるプレイグ(過早着火)やノッキングなどの異常燃焼の発生

●冷却水の流れ

燃焼室壁面やシリンダー内面などは、直接燃焼火炎と接触して表面温度が上がります。そのため、周辺にはウォータージャケットを設けて冷却しています。受熱した冷却水は、補機ベルトを介してクランクシャフトで駆動させるウォーターポンプで熱交換器ラジエーターに送られます。

ラジエーターで冷やされた冷却水は、再びエンジンに戻されてエンジンとラジエーター間を循環します。エンジンとラジエーターの間には、設定エンジン水温(80℃前後)で経路を開閉するサーモスタットを装着して、エンジン水温を適正に制御します。

●２つの冷却水制御方式

冷却水を制御する方法には、サーモスタットをエンジン出口に配置するインライン方式と、入口に配置するボトムバイパス方式があります。

・インライン方式
サーモスタットが出口(シリンダー上部)にあるのでエア抜きや取り扱いが容易です。始動後水温が上がってサーモスタットが開いたときに、エンジン側とラジエーター側の水温差が大きく、水温変動が大きいという課題があります。

・ボトムバイパス方式
サーモスタットの開閉がきめ細かくできるので、比較的容易に水温が制御できます。サーモスタットがシリンダーより下に配置されるので、エア抜きバルブが必要です。

コストはかかりますが、最近は制御性に優れたボトムバイパス方式が主流になっています。

●ウォーターポンプ

ウォーターポンプは板金や樹脂製の渦巻き型のポンプです。エンジンと連動しているので回転が上がるほど流速が上がり、冷却性能が向上します。低回転時には流量は低下しますが、エンジンの発熱量も減少するため、熱量収支はバランスします。

最近はHEVを中心に電動ウォーターポンプの採用も進んでいます。要求回転数で駆動させることによる冷却性能の最適化、駆動損失低減による燃費向上が大きなメリットです。

●ロングライフクーラント

クルマの冷却水は、水にエチレングリコールを主成分とするLLC(ロングライフクーラント)を30～50%程度混入して使います。

混合する目的は、寒冷時の凍結防止、金属やゴムホースの腐食や劣化の防止、ウォーターポンプで発生する気泡の抑制です。

かつては、ガソリンエンジンのノッキングを抑えるために、燃焼室の壁面温度を下げることに注力していました。一方で、冷やしすぎると冷却損失が大きくなり、熱効率が下がるというジレンマがありました。

現在は、運転状況や環境条件に応じてきめ細かく制御する「サーマルマネージメント」に注力して、冷却システムを設計しています。

（Mr.ソラン）