最新の冷却システム設計: 温度よりもパワートレインが重要

エンジニアリング論文を読むのは退屈な作業になりがちですが、私のような技術者に、一般的な自動車冷却システムを実際にどのように改善できるかについて新しい視点を与えてくれます。 もちろん、私たちがすぐに考えるのは、冷却システムがどのようにしてエンジンを低温に保つことができるかということです。 ある論文によれば、そうではありません。 それどころか、有効な言葉は「温度」に関するものではありません。 それは「パワートレイン」についてです。 内燃エンジン (ICE) 技術の進歩を考慮すると、最近の冷却システムの革新によって、実際に排気ガスを削減しながらエンジンのトルクと燃費が向上します。 その考えを単純化してみましょう。新しい冷却システム技術により、ICE はより良く、よりクリーンに動作するようになります。 それでは、いくつかの基本を確認して同じページに進みましょう。

電力と経済性を高めるために冷却システムを微調整するのは大変なことですが、この話の大部分は、現在の冷却システム技術が 1900 年代初頭に導入された単純な熱サイフォン システムからそれほど進歩していないということです。 サーモサイフォン システムは、熱膨張した冷却液を高温のエンジンから垂直コア真鍮ラジエーターのヘッダー タンクに上昇させることにより、冷却液を循環させます。 冷却剤が熱収縮により沈み始めると、冷却剤はラジエーターコアを通過する空気塊に熱を放射します。 ラジエターコアが冷却水の熱を放散した後、冷却水の流れは下部エンジンブロックに戻り、このサイクルを繰り返します。 しかし、どれほど単純であっても、熱サイフォン システムは 30 馬力未満のエンジンでしかうまく機能しませんでした。

より多くの馬力が登場すると、ベルト駆動の遠心水ポンプがサーモサイフォン システムを、ほぼあらゆる種類の気候で動作できる最新の正流冷却システムに変えました。 残念ながら、遠心ウォーターポンプは、ほとんどの運転状況でエンジンが必要とする量よりも多くの冷却液循環を供給するため、現代のエネルギー節約の観点からは非常に非効率的です。

シリンダーヘッドを通る水の分布は、ブロックに鋳造された通路とシリンダーヘッドガスケットに打ち抜かれた通路によって制御されます。 どのようなシステムであっても、エンジン ブロック、シリンダー ヘッド、高温の排気ポートの周囲に冷却液を均一に流すことが、現代の冷却システムの主な目標であることに変わりはありません。

理想的には、ICE は水の沸点近くで動作し、通常の動作中に燃焼の副産物である水がエンジン オイルから蒸発するようにする必要があります。 冷却液温度の設定値を高くしないと、エンジン オイルはすぐに黒色の粘度の高いスラッジに変化し、重要なオイル通路を詰まらせ、内部部品を腐食させます。 現在、ワックスペレットで制御されるサーモスタットは、冷却剤の流れと温度を機械的に管理する標準的な方法です。

サーモスタットはエンジンの暖機中に冷却水の流れを遮断するため、鋳鉄製のエンジンブロックとアルミニウム製のシリンダーヘッドとの間に熱膨張率に顕著な差が生じます。 この熱伝達の不平等により、最終的にはシリンダー ヘッドの金属疲労やシリンダー ヘッド ガスケットの破損が発生する可能性があります。 クーラントバイパス回路により、サーモスタットが閉じている間、ウォーターポンプがエンジンブロックとシリンダーヘッドにクーラントを循環させてエンジンアセンブリを均一に温めることができます。 ほとんどのバイパス回路は、冷却水をウォーター ポンプの圧力出口からサーモスタットのベースまで直接循環させるため、サーモスタットの正確な開口温度が保証されます。

ラジエーターは、冷却剤を比較的冷たい大気に移すことによって冷却剤から熱を奪います。 ラジエーターは、過去の真鍮ラジエーターから、プラスチック製のヘッドタンクを備えた現代のアルミニウムコアラジエーターに進化しました。 当時の実際的な問題として、公道走行時に自由に流れる空気を集めるためにラジエーターが車体板金の前部に取り付けられていました。 現在、ラジエーターは空力目標を達成するためにボディ板金の後ろに配置されており、ラジエーターの冷却能力と自由に流れる空気への曝露に関して大きな設計上の問題が生じています。