エンジンの冷却システムというのは昔からの大きな課題のひとつであり、冷却性能はエンジンの性能を100%発揮させるために重要な点です。
冷却システムには大きく分けて水冷と空冷がありますが、今回は水冷エンジンのメリットやデメリットについてご説明しいていきましょう。
水冷エンジンとは
内燃機関エンジンはエンジン内部で燃料を爆発させて動力を得るエンジンであり、ガソリンや軽油の燃焼温度は1,000°近くにも達するのでエンジンは内部から常に高温にさらされています。
内燃機関の種類と仕組み/構造！外燃機関との違い4つと類似点4つ！将来性あり？！またレシプロエンジンではピストンが高速で上下に往復運動をするのですが、ピストンとシリンダーの摩擦によっても激しい熱が常に発生しているのです。
レシプロエンジンとは？種類は？仕組みや構造まですべて解説！これらの熱はエンジンの内部に大きな悪影響を与えるもので、特に常に接触しているピストンとシリンダーは高温になると互いに金属が溶けてくっついたり、またはくっついた箇所が剥がれて傷になり正常な運転ができなくなるなど、焼き付きという重大な故障を引き起こします。
普段ピストンとシリンダーの間にはごく薄いエンジンオイルの層があって焼き付きを防いでいるのですが、高温になればなるほど油膜は保持できなくなって焼き付きに至るのです。
これを防ぐためにはエンジンのシリンダー部分の冷却を行う必要があり、エンジンの熱を車やバイクの外に逃がす仕組みが必要となります。
現在の自動車はほぼすべてが水冷式の冷却システムを備えており、エンジンを直接走行風で冷却する空冷式はかなり少なくなっています。
今回は水冷式のシステムについて詳しくご説明しますので、空冷式については以下の記事にて詳しくご紹介しましょう。
空冷エンジンの魅力4つ！水冷エンジンとは違いが大きい？！水冷システムの基本構造
エンジンの水冷システムはおおよそ次のような熱の流れでエンジンを冷却するもので、冷却水を中間の媒体として熱を運搬します。
| 熱の流れ | |
| シリンダー | エンジン内部で発生する熱をシリンダーブロックの 金属部に伝える |
| ↓ | |
| 冷却水 | シリンダーブロック内部に冷却水を流し、シリンダー ブロックの熱を冷却水に移す |
| ↓ | |
| ラジエーター | 冷却水をラジエーターまで流し、ラジエーターの コアに高温の冷却水が当たる |
| ↓ | |
| 外気へ放熱 | ラジエーターに外気や走行風を当てることで 冷却水から空気へ熱が放熱され、冷却水温度は下がる |
| ↓ | |
| ウォーターポンプ | 温度の下がった冷却水はウォーターポンプで再び シリンダーブロックへ送られ、以後エンジンと ラジエーター間を循環する |
水冷システムの主な役割はシリンダーを冷却することですが、ほかにも冷却が必要なデバイスがあればそちらへも冷却水を循環させます。
排気ガス循環装置のEGRや、ハイブリッドカーのインバーターなど近年の車は冷却が必要なシステムが増えてきているので、水冷システムはより複雑になってきています。
またエンジンオイルも常にシリンダーからの高温を受けており、エンジンの出力が上がった昨今においてはエンジンオイル冷却が必要な場合も増えています。
エンジンオイル冷却にも2種類あり、オイルをそのまま専用のラジエーターに送る油冷式と、オイルの熱を冷却水で冷やす水冷式があり、水冷式の場合は水冷オイルクーラーへも循環させます。
エンジンは出力が上がれば上がった分の冷却能力が必要であり、水冷システムはシリンダーだけではなくいろいろなデバイスをまとめて冷却することのできるシステムなのです。
LLC(ロングライフクーラント)と加圧式ラジエーター
水冷式エンジンには当然ながら水が使われるわけですが、エンジン用冷却水であるLLCは普通の水ではありません。
自動車は国や地域によっては非常に厳しい環境の中で使われるものであり、冷却水が普通の水だった場合にはすべての状況に対応できるものではありません。
とくに寒冷地にいくと0°で水が凍ってしまうのですが、水は氷になると体積が増える特性があり、そのままではホースやパイプを破裂させてしまう原因となってしまいます。
そもそも冷却水が凍ってしまっていてはエンジンがまともに動きませんので、LLCに求められる性能は-20°や-30°でも凍らない低温耐性なのです。
LLCにはエチレングリコールというアルコールの一種が添加されていてこれが凍結を防ぐのですが、その割合によって通常のLLCと寒冷地用LLCに別れます。
またエチレングリコールは人体にとって有害で、誤飲を防ぐために緑や赤の着色がされており、決して口にしてはいけません。
また普通の水の場合、エンジンからの熱を受けると100°以上になった箇所は沸騰してしまい、まともな冷却ができなくなってしまうどころか、蒸気で水が流れなくなることもあります。
水冷式エンジンが出た当初はこのトラブルが多発したそうですが、現在では冷却水全体に圧力をかけることで沸点を上げ、エンジン熱で蒸発しないようになっています。
冷却水を補充するラジエーターキャップには一種の圧力弁が設けられており、水冷システムの圧力が正常より高まった場合にはそこから抜ける安全装置となります。
もしエンジンがかかっていたり、停止直後の時にラジエーターキャップを開けると、その圧力でLLCが吹き出してくることもありますので注意が必要です。
このように水冷式といってもただ水を循環させればよいわけではなく、低温から高温までさまざまな状況におかれる自動車なのでLLCに高い性能が求められるのです。
何らかのトラブルで冷却水が減少したときなどに蒸留水を入れるのは緊急的な対応としてはよいですが、修理の際にはきちんとLLCに入れ換える必要があります。
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空冷エンジンとの違い
水冷エンジンと空冷エンジンの最大の違いはその対応範囲にあり、水冷エンジンのほうが空冷式よりも高い負荷の用途に適しています。
空冷式エンジンの冷却はシリンダーに設けられた多くの冷却フィンによって行いますが、フィンに空気や走行風があたることで熱を逃がすようになっています。
冷却システムが金属製のフィンを設けるだけなのでシンプルでコストの低いものとなる一方、空気は水よりも熱容量が少ないので放熱性には限界があります。
とくにアイドリング中や停車直後などは、走行風が一切なくなり冷却効率が低下するため、負荷の多いエンジンでは焼き付きの発生率が高くなってしまうのです。
その点水冷式ではエンジン熱を熱容量の多い水に一旦移すことで効率的に熱を逃がすことができ、シリンダーブロックから熱を逃がす点では走行風の影響をあまり受けません。
水に移った熱はラジエーターから空気へ発熱されるわけですが、停車中などで効率が落ちたとしても冷却水全体で熱を保持できるため、多少の時間であれば水温があがるだけでエンジン本体へは影響がないのです。
また近年の車にはすべてモーターファンという大きな扇風機がラジエーターについており、アイドリング中や低速走行中などはこのファンが起こした風でラジエーターの効率を上げられます。
エンジンが縦置き主流だった昔はエンジン自体にファンが付いていたのですが、横置きエンジンが主流となった今日ではモーターファンが一般的です。（エンジンの置き方の詳細は以下の記事をご参照ください。）
エンジンの縦置きと横置きの違い6つ！メリット・デメリットを解説！空冷エンジンは負荷の少ない小排気量エンジンなら活用できますが、排気量の多い高負荷エンジンには対応できないのです。
なお空冷エンジンについては以下の記事でさらに詳しく解説しています。詳細まで知りたい方はこちらもあわせて参考にしてみてください。
空冷エンジンの魅力4つ！水冷エンジンとは違いが大きい？！水冷エンジンの魅力（メリット）
水冷エンジンの最大のメリットは先程お話しした冷却効率の高さであり、さまざまな運転条件や環境用件に柔軟に対応できることにあります。
とくに四季のある日本では寒暖の差が大きく、また北と南ではずいぶん機構が違うので、一種類の車が対応しなければならない環境が厳しいことも、水冷式が有利な理由となります。
その他にも水冷エンジンにはメリットがあり、それをご紹介しましょう。
ヒーターへの活用
エンジンで暖められた水は一刻も早くラジエーターで冷却したいところなのですが、せっかくエンジンで発生した熱を無駄に空気に捨ててしまうのは無駄が多いのです。
そこでその高温の水の熱によって、車内を暖めるヒーターに転用することが一般的になっています。
家庭用のエアコンの場合も冷気も暖気も出るのですが、エアコンは電気の力で空気を冷やしたり暖めたりするのでヒーターはエネルギーを使って稼働させる必要があります。
車のエアコンでも同様のことは可能なのですが、冷気はともかく暖気にエンジン熱が使えるのであればそれだけ無駄が少なくなることであり、結果的には車の燃費を無駄に悪くしなくてすむわけです。
冷却水はおおよそ80°～100°ぐらいにはなりますので、車室内を25°前後にするには十分な熱量があるわけで、エンジンが動いている間は常にその熱が供給されます。
日本でも冬には必須のヒーターですが、海外でも欧州ではなくてはならない装備でドライバーの命に関わる地域も少なくありません。
エアコンなど他のシステムでヒーターを動かすと故障したときが致命的になるのですが、冷却水を使ったヒーターならエンジンが動けば暖かくなるので、比較的信頼性が高いのです。
エンジン振動と音の抑制
冷却水はシリンダーの回りを取り囲むように流れていますが、シリンダーで発生したエンジン振動や音をこの冷却水で包むことで、ある程度低減させる効果があります。
金属より流動性のある水は振動を吸収する効果が高く、空冷式ではできない振動吸収に一役買います。
エンジン振動全体から見れば決してその効果は大きくないのですが、それでも冷却システムの副次効果としては十分すぎるほどでしょう。
また振動の低減はある程度エンジン音を抑制することにもなりますので、空冷式より静かなエンジンが実現できるわけです。
温度管理が容易
空冷式の場合、シリンダーの熱が安全域なのか危険域なのかを測定する方法があまりないのですが、水冷式の場合には冷却水の温度を測ればシリンダーの熱を推定することができ、あまりに水温が高くなったときにはシリンダーが危険域だということがわかります。
エンジンには必ず水温計というセンサーが入っており、そこで測定した水温は運転席の水温計に表示されます。
エンジン始動時にはC(コールド)になっているものの、少しすればCとH(ホット)の間に留まり水温が一定で安定していることを見ることができます。
この情報はエンジンのコンピューターにも送られていて、エンジンの状態は常にモニターされているのです。
もし何かの要因で水温が一気に上昇した場合シリンダーの焼き付きの危険が出てくるのですが、運転しながら水温計を確認すればその状態をドライバーが知ることができます。
そうすれば車を止めて放熱したり、修理工場へ連絡するなどして致命的なオーバーヒートを事前に防ぐこともできるのです。
空冷エンジンではオーバーヒートの前兆はなかなか判別することができず、知らず知らずのうちに焼き付きが起こっていることも珍しくありません。
水温でシリンダーの温度を推定できる正確性が何よりのメリットですね。
排気ガス規制対応がしやすい
冷却水が排気ガスに関係あるとは普通の人には意外かもしれませんが、エンジン冷却と排気ガス浄化には大きな関係があるのです。
エンジンの排気ガスにはHCをはじめとする有害物質が含まれており、それを触媒と呼ばれる化学反応を起こす部品で無害化しています。
触媒の反応には高温の排気ガスが必要で、エンジンから出てくる排気ガスはできるだけ高温のほうが排気ガス規制に対して有利となるのです。
しかしエンジンの冷却をするということは多少なりともこの熱を奪っていることとなり、その影響が大きいのはエンジンがコールドスタートした時です。
コールドスタートとはエンジンが完全に冷えきった状態での始動をする状態で、朝に通勤のために車のエンジンをかけるときなどになります。
このときエンジン本体も冷却水も冷たい状態なので、排気ガスの熱はシリンダーブロックや冷却水に勢いよく吸いとられ、排気ガス温度は低下しています。
そうなると触媒の働きが悪いので、コールドスタートの時にはできるだけ早くエンジンを暖めたい状況になるわけです。
朝イチでエンジンをかけた直後に排気管から普段と違う臭いガスが出てきますが、これが触媒で処理できなかった有害物質の一部なのです。
エンジンをできるだけ早く暖めるためには冷却しにくい状況になればよいのですが、もし空冷エンジンだった場合には自然放熱でコントロールができないのです。
しかし水冷式エンジンにはエンジン温度を急速に上げるシステムを入れることができ、普段ラジエーターに流れていく熱された冷却水をそのままエンジンに戻すことで、ラジエーターから放熱しない分エンジンが急速に暖まります。
これにはサーモスタットという水温によって自動的にきり変わる弁が使われており、エンジンが十分暖まって水温が上がるまでは、サーモスタットによってエンジンに冷却水が戻るわけです。
空冷エンジンはこの点でデメリットを抱えて排気ガス規制に対応しずらいエンジンであり、厳しくなる規制に対応するためにも水冷化は必須だったのです。
水冷エンジンのデメリット
水冷エンジンは空冷エンジンより性能や信頼性の面で大きなメリットがたくさんあり、そのために自動車はほぼ水冷式だけとなりました。
しかし空冷式に対してデメリットがないわけではありませんので、次はそういったデメリットをご紹介しましょう。
複雑で重量が重く、コスト高
水冷式は冷却効率やエンジン温度のコントロールが容易という性能面の大きなメリットがありますが、その分構造が非常に複雑となります。
空冷エンジンの冷却システムが金属製の空冷フィンだけで済むのに対し、水冷式ではフィンは要らないものの、
- 冷却水
- ラジエーター
- ウォーターポンプ
- 配管類
などさまざまな部品が必要となります。
水というのは案外重たいもので、自動車では4L近いLLCが循環しているのですが、それだけでも4kg近い重量があるのです。
さらに他の部品もありますので、水冷エンジンは空冷エンジンより重量が嵩むこととなり、車の性能に大きく影響してしまいます。
また複雑さと部品点数の多さはコストに直結しますので、空冷エンジンほどシンプルで低コストでは成り立ちません。
小型バイクや農業機械など小型低出力でコストをかけられないエンジンには水冷式は向いておらず、こういった用途にはいまでも空冷式エンジンとなっています。
冷却水交換や冷却水漏れのメンテナンス
冷却水の循環システムがあるということは複雑な配管やホース、水密シール類がたくさん必要ということであり、水冷システムは常にそれらからの冷却水漏れの問題があります。
またLLCは劣化してきたら交換が必要であり、定期的なメンテナンスが必要となるのです。
LLCの交換やメンテナンスについてはのちほどご説明しますが、空冷式エンジンではこういった問題は一切起こりませんので、経年劣化による水冷システムの劣化は水冷エンジンの大きなデメリットです。
水冷エンジンの評価
水冷エンジンは自動車では一般的になりすぎて空冷との差というのは体感できなくなっていますが、バイクではまだ空冷と水冷の両方が活用されているのでその評価が聞けます。
今回はTwitterからそういった意見をいくつかご紹介しましょう。
水冷エンジンは静かで心地よい音
音とか
水冷は実際聞くまで忘れてましたが、ファンの音はしますし水冷エンジンの音がします。当たり前ですが。
ただとても心地よい音です。排気音は水冷の方がぽいです。聞いてて心地よい。
空冷のぎゅーんって回る音とひゅんひゅん言う吸気音はトライアンフって感じがしてこっちも僕は好きです。
— FelRuxu＠ふぇるるぅ (@FelRuxu) July 4, 2018
バイクの水冷エンジンの音は比較的静かで、ファンの音はあるにしても全体的には心地よい音にまとまっているそうです。
一般的には上質な音と言われますので、性能面では確かに水冷が優れていますね。
しかしバイクではエンジンの独特な音や振動も魅力のひとつであり、空冷エンジンも魅力の上では決して劣っていません。この方は空冷エンジンのほうがお好きなようですね。
水冷エンジンは…暑い
エストレイヤ乗ってた時、水冷エンジンなら空冷よりも熱くない
そう思ってた時期がぼくにもありました…信号待ちでニュートラル
vmax「ヴィィィィィィィィンン(水冷ファン全開)」
ぼく「アカン…死ぬゥ…」熱中症だけには気をつけよう
— Naoki・S (@blackclown0916) June 30, 2018
水冷エンジンは空冷よりも冷却性能が高いのでエンジンはよく冷えます。
しかしその熱がどこに逃げているかといえば空気であり、バイクではまさに運転者が乗っている空間に発散されているわけです。
それでも走行中であれば熱は後方に流れて気になりませんが、信号待ちなどではファンで強制的にラジエーターから流れた熱い空気が思いっきり運転者に当たって暑いんです。
とくにフルカウル式で運転者がカウルにおおわれているバイクでは本当に熱が逃げることがなく、夏場などは信号が赤くなると恨めしくなってしまいます。
空冷式もエンジンの回りは高温ですが、自然放熱の分多少はましなのです。
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水冷エンジン搭載の車・バイク
水冷エンジンは現在ではほぼすべての自動車と、バイクの一部に採用される冷却方式ですので水冷エンジン搭載車は自動車全般となってしまいます。
日本でも1970年後半にはすでにほとんどの車が水冷化され、空冷エンジンはバイクのみとなっています。
そこで今回は空冷式から水冷式に変わった最後の世代の車をご紹介しましょう。
ポルシェ 911
ポルシェは長年空冷エンジンへのこだわりが強く、なんと1997年まで採用を続けていたメーカーです。
ポルシェのフラッグシップクーペである911も空冷エンジンがトレードマークのひとつとなっていたのですが、1997年に993型911から996型へフルモデルチェンジする時点で環境性能への対応のために水冷化されました。
水冷化によるインパクトはエンジンの完全な新規設計にとどまらず、車体骨格から含めた車の全体構造の見直しが必要となる非常に大がかりなものとなりました。
それまで30年近く使っていた991のプラットフォームを一新し、完全新型の車として生まれ変わったのが996型です。
水冷化によってさまざまな複雑な部品類が追加され、さらにボディ大型化や衝突安全性の強化で重くなりそうなのですが、そこはポルシェの巧みな軽量化設計をうけて前型車より50kg軽量化しているのはさすがです。
エンジンは993型の3.6Lエンジンから排気量を減らした3.4Lエンジンとなりましたが、水冷化による冷却性能の強化もあって出力は15馬力、トルクで1kgf・mの性能向上がなされています。
さらに水冷化でエンジンオイルの温度管理が正確になったので、エンジンからのオイル漏れトラブルが減るなどさまざまなメリットはあったようです。
しかし長年空冷エンジンを採用し続けてきたポルシェに対するファンの視線は厳しく、911の水冷化には賛否両論巻き起こりました。
とはいえ環境性能という譲れない規制クリアのための変更でしたので、911が存続するためにはやむを得ない変更だったと言えるでしょう。
なおポルシェについては以下の記事でも取り上げているので、興味のある方はこちらもあわせて参考にしてみてください。
ポルシェのオーナーになるには年収はどれだけ必要か計算してみた！ポルシェの魅力とは？5つの良さをわかりやすく解説！フォルクスワーゲン ビートル
ビートルはフォルクスワーゲンを代表する大衆車ですが、現在クラシックビートルと呼ばれている初代ビートルこそ、空冷エンジンを最後まで採用し続けた車です。
ビートルはドイツ本国での生産が終了したあともメキシコでは新車生産を続けており、なんと2003年という最近までクラシックビートルが作り続けられていたのです。
ビートルをはじめとしたフォルクスワーゲンの古い車は空冷エンジン搭載者の代表的な車であり、排気量を1Lから1.6Lまで拡大させながら50年近くの長きにわたって空冷エンジンがのっていました。
しかしメキシコとはいっても排気ガス規制の厳しさは年々高まり、空冷ビートルでは対応できなくなって生産終了となったわけです。
その後はニュービートルという新型車が後継として登場しましたが、デザインはクラシックビートルに似せてあるものの中身はゴルフという全く別の車になりました。
フォルクスワーゲン ゴルフの口コミ/評判！価格から外装や走行性能まで全てチェック！エンジンもゴルフに採用された水冷エンジンが搭載され、ポルシェのように1から水冷エンジン車を作ったわけではなく、既存のコンポーネントをうまく組み合わせてビートル風に仕上げたというわけですね。
しかし空冷エンジン搭載車に乗ってみたい！という人にはクラシックビートルは最高の選択肢のひとつで、もっとも新しい空冷エンジン車なのです。
なおビートルについては以下の記事でも取り上げているので、興味のある方はこちらもあわせて参考にしてみてください。
ザ・ビートルは故障が多い？壊れやすいのか故障率をもとに解説！ニュービートルは故障が多い？壊れやすいのか故障率をもとに解説！水冷エンジンの手入れ・メンテナンス
水冷エンジンは前述の通り空冷と違って冷却水交換や水漏れ対策などのメンテナンスが必須となり、空冷エンジンより維持費がかかります。
ここではそんなメンテナンスについてご紹介します。
LLCの交換
LLCはロングライフクーラントという名前の通り長期間もの間交換しなくても使い続けられる冷却水です。
中に含まれるさまざまな成分が錆の発生や細菌の発生などをおさえているのですが、さすがに劣化が進んだ2年ごとぐらいで交換する方がよいと言われています。
LLC交換は基本的にラジエーターから古いLLCを抜いて新しいLLCを入れていく作業で、個人でもできないことはありません。
ただし排出したLLCは有害物質ですので下水などに流すのは厳禁で適切な処理が必要なので、そういった手間を考えれば
- ディーラー
- ガソリンスタンド
- 修理工場
- 自動車用品店
などにお任せした方が楽です。
また冷却水交換をするとエンジンの配管内に空気を噛んでしまうことがあり、そのままでは正常な循環ができないのでこれを出さなければなりません。
ディーラーなどでは専用のエア抜き機があるので、個人で苦労してエア抜きするよりおまかせしたほうが確実ですね。
水漏れのメンテナンス
エンジンの冷却水はエンジンのさまざまな部分に流れており、水ですのでガスケットと呼ばれる水密シールで漏れを塞いでいる箇所がたくさんあります。
またパイプとゴムホースを繋いでいる箇所ではゴムホースをクランプで締め付けて水漏れを防ぎます。
こういった水漏れの危険のある箇所は必ずゴムでシールしているのですが、ゴムというのは長期間使っていると硬化する特性があり、硬化したゴムでは当初の水密性能を発揮できません。
そうなると最初はわずかな水漏れから始まり、最終的にはまったくシール性能のない駄々漏れの状態までいくことがあり、そうなる前に部品交換による対処が必要となります。
ガスケット交換やゴムホースの交換はそこまでの高額修理にはならないことが多く、高くても数万円程度でおさまるでしょう。
しかし水冷システムの中で高額修理となる可能性のある部品にラジエーターがあり、ラジエーターのコアとボディの接合部分から漏れることがよくあります。
ラジエーターには常に熱い水と冷却後の冷たい水が流れており、金属や樹脂を劣化させる熱膨張の多い部品です。
そのため古くなってくると一番弱い接合部から水漏れが始まり、放置していると突然盛大に水漏れを起こすことがあります。
そうなるとエンジンの冷却が一気にできなくなりオーバーヒートの危険性が一気に高まりますので、水温計が急激に上昇したらエンジンを止めて点検しなければなりません。
ラジエーターが故障すると自走するのが困難となり、何らかの輸送手段で修理工場まで運ばなければなりません。
またラジエーターの交換には30,000円〜50,000円ぐらいが必要ですが、運賃などをいれると結構な修理費がかかることとなります。
もし定期点検時に水漏れが見つかったらそのの寿命だというサインですので、重大なトラブルになるまえに交換しておいた方がよいでしょうね。
なおエンジンについては以下の記事でも取り上げているので、興味のある方はこちらもあわせて参考にしてみてください。
DOHCエンジンとは？仕組み/構造は？ツインカムとの違いとは？！SOHCエンジンとは？仕組み/構造は？メリット3つデメリット3つ！たった1分で車を60万円値引きできる裏技
これから車を買おうとしている方、値引き交渉の正しいやり方はご存知ですか？
値引き交渉は正しくやらないと、車を買う際に60万円以上の損をする可能性があります。
「値引きしてくれませんか？」「オプションをつけてくれませんか？」と何も考えずに交渉すると、営業マンに舐められます。
「この客はバカだなwww」と足元を見られ、値引きは低くなってしまうでしょう。
この正しいやり方さえ知っていれば、最大限まで確実に値引きできます。詳しくは下記の『たった1分で車を60万円値引きできる裏技！』ページをご覧ください。
たった1分で車を60万円値引きできる裏技！安く購入する秘密のテクニックとは？！