【自動車用語辞典:冷却系「シリンダーヘッドとシリンダーブロック」】高温にさらされるエンジン中心部を冷やす仕組み

トビラ

■ウォータージャケットを設けて冷却水を循環させる

●熱伝導率の高いアルミの採用が進む

エンジンの燃焼室壁面やシリンダー内面、ピストン上面は、直接燃焼火炎と接触するため壁面温度が上昇します。そのため、周囲にはウォータージャケットを設けて、冷却水を循環させることで冷却しています。

エンジン本体の冷却を担っているウォータージャケットによる冷却手法について、解説していきます。

●エンジン冷却の必要性

エンジンの燃焼室壁面やシリンダー内面、ピストンの壁面温度は高温になるため、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。ウォータージャケットで受熱した冷却水は、ラジエターに送られて冷やされ、再びエンジンに戻されます。

特に冷却が必要なのは、壁面温度が上がりやすいシリンダー上部と燃焼室の排気弁周り、ピストン頂面です。これらの部品の温度が過度に上昇すると、熱変形による壁面の亀裂やシリンダー壁面の油幕切れに起因する潤滑不良が起こります。最悪の場合は、ピストン・シリンダー間の焼き付きが発生します。

また燃焼温度が上昇することによって、プレイグ(過早着火)やノッキングのような異常燃焼が発生しやすくなり、出力や熱効率も低下します。

冷却系システム
冷却系システムの仕組み
エンジンのウォータージャケットの断面
エンジンのウォータージャケットの断面図

●シリンダーブロックの冷却水路

シリンダーブロックは、ピストンやクランクシャフトなどの摺動部品を支えているので、強度や剛性が必要です。また、中央部には高温高圧の燃焼ガスが圧縮膨張するシリンダーがあるため、シリンダー周りには冷却のためのウォータージャケットが設けられています。

シリンダーブロックはかつては鋳鉄製でしたが、現在は軽量化を重視してアルミ合金製が主流となっています。ただし、アルミは摩耗しやすいのでシリンダーだけは鋳鉄製を圧入しています。

エンジン前方に搭載されたウォーターポンプによって、冷却水はまずシリンダー周辺のウォータージャケットに供給されます。ウォーターポンプは、補機ベルトを介してクランクシャフトで駆動します。その後、全気筒のシリンダーを冷却しながら、上部のシリンダーヘッドへと流れていいきます。

●シリンダーの素材

アルミは、鋳鉄に比べて比重が約1/3と軽く、熱伝導率も3倍以上と軽量化材料としては適しています。一方で、熱膨張率が大きく、強度面でも比較的弱い材料です。

したがって、高速で往復運動するピストンをガイドするシリンダーをアルミで形成すると、短時間で摩耗してしまいます。アルミブロックでも、シリンダーだけは鋳鉄にする必要があるのです。

●シリンダーヘッドの冷却水路

シリンダーヘッドの燃焼室壁面は、軽量化のため極力薄肉化しています。最も熱的に厳しいのは、高温の燃焼ガスが高速で噴出する排気弁周辺です。熱の逃げが悪いと、排気弁間の燃焼室壁面や排気ポート部、弁シート部が熱変形によって亀裂する場合があります。

シリンダーブロックのシリンダー周辺のウォータージャケット部から上がってきた冷却水は、前後・左右の流れによって燃焼室ルーフ部全体を冷却します。エンジンで受熱した冷却水は、ラジエターへ送られ走行風によって冷やされます。冷やされた冷却水は、再びエンジン側に戻され、エンジンとラジエター間を循環します。

冷態時には、サーモスタットによってエンジンラジエターへの水路を閉じ、エンジン内だけで冷却水を循環させて暖気を促進します。

エンジンの冷却通路
エンジンの冷却通路

シリンダーブロックとシリンダーヘッドには、低燃費と高出力を実現するため、軽量でありながら高い剛性と強度が求められます。これらの要求と冷却性は相反する場合が多く、冷却システムにとってはより対応が厳しくなっています。

また最近は、実用燃費が重視されることが多く、暖気時間の短縮が重要な課題となっています。メーカーは、適正に冷やし、迅速に温める、よりきめ細やかなエンジン水温制御に取り組んでいます。

(Mr.ソラン)

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