空冷エンジンはなぜ滅んだのか?水冷の勝利

空冷式自動車エンジンは、シリンダー上の金属製冷却フィンに直接空気を吹き付けて熱を逃がす、ラジエーターもポンプも持たない設計であり、今日では量産車においてほぼ完全に姿を消しています.その消滅の原因は単純さの欠如ではなく、むしろ単純さの代償でした: コールドスタート時に長時間冷えたままのエンジンブロック、制御できない排出ガス、管理しきれないホットスポット、そして満たせなかった騒音基準です.

空冷はどのように機能し、なぜそれほどまでにシンプルだったのか?

空冷エンジンにおけるいわゆる冷却システムは、実質的にシリンダー表面のフィンとファンだけです.液冷式エンジンが必要とするラジエーター、Expansionタンク、ホース、ウォーターポンプはここには存在しません.熱は、フィンの拡大された表面から直接空気へと移ります.工学的に見れば、これは部品が少なく、重量が軽く、メンテナンスが少ないことを意味します: 冷却液は漏れず、ポンプは故障せず、凍結のリスクもありません.

しかし、エネルギーバランスを見ると状況が明確になります.燃料が運ぶエネルギーの約 44%はすでに排気から 放出され、8%はオイルへ逃げます.空冷エンジンでは、残った熱のわずか約 12%だけが金属フィンから 外部へ流れ出すことができます.つまり、このシステムの放熱能力は構造的に限界があり、エンジンは液冷式の設計に比べてはるかに広い温度範囲で動作せざるを得ません.この広い範囲は、公差の緩和、ノック(異常燃焼)のしきい値の低下、そして特に暑い気候での熱管理の難航を意味します.

しかし、利点もあり、それは重大なものです: メンテナンスの容易さです.狭いエンジンベイで冷却システムに手を加えたり部品を交換したりするのは、空冷設計では通常より安価で簡単です.航空業界はこの理由から空冷を決して捨てませんでした.一般航空機では、ライカミングとコンチネンタルのエンジンが今もこの設計を採用しています.

ベンツからフランクリンへ: 空冷エンジンの最初の100年

空冷の歴史は、自動車の歴史とほぼ同じ年齢です.初めて成功した空冷エンジンは、ドイツの技術者 カール・ベンツ によって1800年代の終わりに開発され、そのアイデアは1920年代から1930年代にかけて成熟しました.一方、アメリカ側では、この物語はフランクリンとともに書かれます.ジョン・ウィルキンソンが1901年にラジエーターもウォーターポンプも持たない実験車から始めたプロジェクトは、1902年にニューヨーク州シラキュースで生産に移行し、フランクリンはアメリカで最も成功した空冷自動車メーカーとなりました.

Franklinは製造しただけでなく、証明もした.1904年、Franklinはサンフランシスコ~ニューヨーク間を 32日23時間20分で 走破し、それまでの記録は61日だった.1905年には初期の直列6気筒自動車のひとつを発表し、同じルートを 15日間で 完走した.このブランドは、自動点火装置(1907年)、アルミピストン、圧潤滑などの革新の先駆けでもあった.付け加えておくべき点として、これらの初期の記録の物語は一次資料ではなく博物館や記憶に基づく資料から得られたものであるため、歴史的正確性には限界がある.

すべての試みが成功したわけではない.Chevroletは1921年から1923年にかけて Series M Copper-Cooled で空冷を量産化しようとしたが、技術的問題を前にして撤退した.ごく少数しか生産できず、このプロジェクトは失敗とみなされた.

航空とBeetle:空冷の黄金時代

空での勝利、空での最初の影

空冷が真の名声を得た分野は航空機だった.1921年、アメリカ海軍はそのシンプルさゆえに、Pratt & WhitneyとWright Aeronauticalでの空冷エンジン開発を支援した.1929年に導入されたNACAカウル(シリンダー周囲を覆う空力カウリング)は、空冷エンジンの空気流制御の問題を大きく解決した.しかし同じ10年間で対抗側も進歩していた.加圧水、そして1929年以降はエチレングリコール——ラジエーターサイズを 50%縮小する 解決策——は、Rolls-Royce MerlinやDaimler-Benz DB601といった高性能液冷の巨匠たちへの道を開いた.

大衆車の心臓部

自動車の分野では、空冷の最大の成功は戦後のコンパクトエコノミー時代にやってきた.Ferdinand Porscheが「大衆車」のために設計した flat-4 エンジンは、1938年以降 VW Beetle、続いてType 2、Karmann Ghia、Type 3の心臓部となり、2013年まで variousな排気量で生産された.戦後のヨーロッパではTatra、Fiat、Citroënが同じ道を辿った.Citroën 2CV(1948~1990)はファンをクランクシャフトに直結してシステムをさらに簡素化した.Trabant(1957~1991)、ZAZ Zaporozhets(1958~1994)、Fiat 126(1972~1987)、そしてCitroën GS/GSAはこの世代の他の例である.

Chevrolet Corvair:アメリカの空冷への挑戦

戦後のアメリカ大手メーカーの中で、量産車に空冷エンジンを試みた唯一のブランドはChevroletだった.1960年から1969年にかけて生産された Corvairの flat-6 エンジンは、技術的には成功とみなされている.実際、Chevroletの開発コストが最も高いエンジンのひとつだった.しかし車両後部に搭載されたエンジンは、消費者安全キャンペーンやリアエンジンレイアウトへの批判の的となった.その結果:Corvair以降、General Motorsのすべてのエンジンは液冷となった.この決別は、空冷の主要な終わりの最も早い兆候だった.

Porsche 911:空冷の35年間の抵抗

空冷の最も忠実な生き残りは、疑いなくPorscheだった.Hans MezgerとPaul Henslerによって設計された flat-6は、1964年に最初の Porsche 911に搭載され、 35年間にわたり 大型ファンとシリンダーフィンによって空冷されていました.この期間は、スポーツカーの基本アーキテクチャにおけるおそらく最も長い存続期間でした.

しかし1990年代に均衡が崩れました.排出ガスおよび騒音規制が強化され、リアエンジンレイアウトが2つの大きな騒音発生源を同じ場所に集中させていたため、法規制は空冷を実質的に不可能にしました.1997年、ポルシェは911を水冷に移行させました.993型が最後の空冷911となりました.最後の空冷モデルは 1998年3月30日に 納車されました.

この移行は、ブランドの忠実なファンの間に今日まで続く論争を巻き起こしました.愛好家たちは993型以前のエンジンをアイコニックなものとみなし、空冷エンジンはより早く温まり、よりメカニカルな感覚をもたらすと主張し、水冷の996以降を別の時代とみなしています.技術的には、真の利点がシンプルさと部品点数の少なさにあったこと、そして現代の排出ガスおよび性能目標とはこのアーキテクチャがもはや相容れないことは明らかでした.

空冷エンジンを滅ぼした3つの技術的理由

排出ガスとコールドスタート問題

最も決定的な理由はこれでした.水冷エンジンではサーモスタットがラジエーターを迂回させることで、エンジンが速やかに動作温度に達するようにします.一方、空冷エンジンでは冷却システムが常に開放状態にあり、エンジンはコールドスタート時に長時間冷えたままとなり、不完全燃焼した燃料からより多くの排出ガスを放出します.ところが、残留する排気ガスの大部分はまさにコールドスタートの瞬間に発生するのです.このメカニズムこそ、ポルシェ、そしてより小さい程度ながらVWが水冷へ移行した主な工学的理由です.排出ガス規制が求める高い燃焼温度を、空冷では管理できなかったのです.

ホットスポットとノッキング限界

2つ目の問題は局所的なものです.排気バルブおよび排気ポート周辺領域は、フィン表面が放散しきれない集中した熱を蓄積します.水冷は冷却液をこれらのホットスポットに直接導くことで、はるかに効率的な設計を提供します.その必然的な結果が圧縮限界です.水冷設計は燃料の品質への依存度が低く、高圧縮比やターボチャージャーに対してより寛容です.ターボ革命が空冷エンジンの扉を閉じた物理的理由はここにあります.

騒音規制

3つ目の理由は目に見えないものです.ウォータージャケットはそれ自体が一種の消音装置です.そのため水冷エンジンは自然に静かであり、エンジン騒音も含む多くの国の基準を容易に満たします.空冷エンジンは、ファン騒音とフィンの金属共振によって、この基準をもはやクリアする見込みはありませんでした.

空冷は本当に滅びたのか?

自動車においてはイエス、エンジニアリングにおいてはノーです.ピストン式航空エンジンでは軽量さとシンプルさが性能や排出ガスの目標よりも優先されるため、ContinentalとLycomingのエンジンは空冷を採用し続けており、Rotaxは空冷シリンダーと液冷シリンダーヘッドを組み合わせたハイブリッド方式を提供しています.陸上で最後まで抵抗してきたTatraは、空冷のT815トラックを今なお生産しています.つまりこのアーキテクチャは死んだのではなく、精密な熱制御、低排出ガス、静粛性といった、それを不要にする要件が乗用車の分野で支配的になり始めたことで、そこから退いたのです.空冷はシンプルさの最も純粋な形として、これらの要件が緩い分野でのみ生き続けています.

出典

• 空冷エンジン - Wikipedia
• ポルシェ911はなぜ水冷エンジンに切り替えたのか - Porsche
• オールドスクール・クール: 空冷エンジンのすべて - State of Speed
• 空冷: シンプルさを保つ - Audrain Auto Museum
• 初期の空冷式自動車: フランクリンとホームズ自動車の歴史 - Tampa Bay Automobile Museum
• 時代の終わり: 最後の空冷自動車エンジン - Auto Universum
• ポルシェが最後の空冷車を製造したのはいつか? (1998年3月30日) - 自動車史
• 空冷エンジンの仕組みと、なぜもはや重要でないのか - CNET
• なぜほとんどの車に空冷エンジンが搭載されなくなったのか - Capital One
• 型破りなコンパクト: シボレー・コルベアの栄光と死 - Ate Up With Motor