【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)

『自動車用語辞典』の最新記事
【自動車用語辞典:燃料「水素の搭載方法」】燃料電池で用いる水素をどうクルマに積むか
【自動車用語辞典:燃料「水素エンジン」】水素を燃焼させるエンジンの課題と将来の可能性
【自動車用語辞典:燃料「バイオマス燃料」】生物由来の燃料は「カーボンニュートラル」が最大の魅力
【自動車用語辞典:燃料「ガス燃料」】代替燃料として注目される天然ガスと液化石油ガスのメリットと課題
【自動車用語辞典:燃料「軽油の特性」】蒸発しにくいが着火点が低くディーゼルエンジンに適する
トビラ
この記事もよく読まれています

あなたにおすすめの記事