【自動車用語辞典:冷却系「シリンダー上下の温度差制御」】上部ほど高くなるシリンダー壁面の温度を補正する仕組み

■壁面の温度差はフリクションやノッキングを招く

●ウォータージャケット・スペーサーの採用が効果的

エンジンのシリンダー壁面は、周辺のウォータージャケットの冷却水(約80℃)で冷却していますが、燃焼室に接しているシリンダー上部と下部の壁面には温度差が発生します。

シリンダー壁面温度の均一化を図る手法「ウォータージャケット・スペーサー」の仕組みと効果について、解説していきます。

●なぜシリンダー上下壁面に温度差が生まれるのか

エンジンの燃焼火炎が直接触れる燃焼室壁面とシリンダー壁面は、周辺のウォータージャケットの冷却水で冷却しています。シリンダー壁面の冷却水は、エンジン前方のウォーターポンプから圧送され、各気筒のシリンダー壁を冷却しながらシリンダーヘッドに向かって上方に流れていきます。

燃焼ガスの温度は、上死点近傍で最も高くなり、ピストンの下降とともに膨張して下がります。たとえシリンダー周辺の冷却水が均一に流れたとしても、シリンダー壁面温度は上部ほど高くなります。

●シリンダー上下壁面に温度差があると何が問題なのか

シリンダー上下壁面に温度差が発生すると、2つの問題が発生します。

一つ目の問題は、熱膨張によるシリンダー内径差です。シリンダー上部と下部の内径差が発生すると、ピストンの上下摺動によるフリクションが大きくなり、燃費が悪化します。最悪の場合は、ピストンの焼き付きが発生します。

二つ目は、上部の壁面温度が高いことでノッキングが発生しやすくなることです。ノッキングは、点火によって発生した火炎が燃焼室全域に広がる前に、高温になった混合ガスが自着火する現象です。壁面温度が高いほど、ノッキングは発生しやすくなります。ノッキングが発生しやすいと、圧縮比が上げられず、燃費や出力にとっては不利です。

●ウォータージャケット・スペーサーとは

エンジン内の冷却水の流れは、一般には熱流体のCAE技術などを活用して最適化しています。トヨタは、ウォータージャケットの流れを制御するウォータージャケット・スペーサーを採用しています。

スペーサーは、シリンダー周りのウォータージャケット下部の全周に挿入し、板バネ機構によって保温剤を内面に固定します。ゴム製の保温材は、冷却水温が80℃になると膨張してシリンダー壁面に密着します。壁面にゴムが密着することで、シリンダー下部の壁面を保温します。

またスペーサーの挿入によって、下部ジャケットの流路が絞られるため、上部の流れが促進される効果もあります。

ウォータージャケット・スペーサーの仕組み
ウォータージャケット・スペーサーの仕組み

●流れの改善効果

スペーサーの挿入によって、シリンダー上部の冷却水の流れが促進され、壁面温度が低下します。上部の壁面温度が低減することで、ノッキングが抑制されます。

ノッキングの発生が抑えられれば、圧縮比が高められ燃費と出力が向上します。

一方、シリンダー下部の壁面温度はスペーサーの保温効果によって上昇し、上下の温度差が縮小します。温度差がなくなることによって、熱膨張によるシリンダーの歪が軽減されてピストンとシリンダー間のフリクションが低減します。フリクションが下がれば、燃費は向上します。

ウォータージャケット・スペーサーの効果
ウォータージャケット・スペーサーの効果

ノッキングを抑えることは、ガソリンエンジンの永遠のテーマであり、温度が高い燃焼室壁面を積極的に冷却するのが基本です。また、シリンダーの歪みを抑えてフリクションを低減することも、古くから試みられている手法です。

ウォータージャケット・スペーサーは、その両方を同時に改良するユニークな手法です。

(Mr.ソラン)

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