エンジンの冷却 Cooling とはシリンダ内のガスから冷却剤への熱移動であって，エンジン工学のなかでひとつの分野を形成する．往復ピストン式エンジンでは燃焼室を構成する壁があり，その力学強度を維持し，壁表面温度を潤滑油が機能する範囲内に保つために，冷却は不可欠である．潤滑油が機能する温度範囲に保てば壁材料の強度も維持され，導入新気の熱膨張もほどほどに収まるから，冷却の主旨は後者であるとも言える．

　扱う熱量は燃料が持っていた化学エネルギーの 20-50 % にも達するのであるが，たいていはそのほとんどをそのまま外気へ捨てる．熱機関である以上，低熱源に捨てるべき熱量 Q₂ が存在することは必須であり，これを避けることは原理上できないが，低熱源に捨てるべき熱量 Q₂ は基本的には排気で持ち去られるものであって，冷却 Cooling とは直接には関係しない．そのような意味で，エンジン冷却 Cooling は "エンジンのサイクルとしては無くて差し支えない" ものであり，ここのところを間違ってはいけない．

シリンダ内チャージの持つ熱エネルギーはまず壁のガス側に対流熱伝達 Convective Heat Transfer で伝えられ，固体壁内部を熱伝導 Heat Conduction で移動して壁の冷却剤側に達し，そこから再び対流熱伝達で冷却剤へ伝えられる．この様子を右図に示す．ガス側の熱伝達率を h [W/(m2⋅K)]，壁の厚さを δwall [m]，壁材質の熱伝導度を λw [W/(m⋅K)]，冷却剤側の熱伝達率を hcoolant [W/(m2⋅K)] とすると，シリンダ内チャージから冷却剤への熱流束 [W/m2] は伝熱面積を AW [m2] として， ここに K は熱通過率，熱貫流率 Overall Heat Transmission Coefficient [W/(m2⋅K)] と呼ばれる熱伝達の指標である．Overall を付けない場合もしばしばであるが，それだと，熱伝達率 Heat Transfer Coefficient h [W/(m2⋅K)] と紛らわしい．

　温度勾配が小さいところは熱が移動し易いことを表している．熱伝達を評価するというのは温度勾配を知ることである．上の 1/K の式は熱移動のし難さの和という表現である．ガス側熱伝達率 h は通常，冷却剤側熱伝達率 h_coolant より一桁小さく，ここが熱移動抵抗として最も大きく，シリンダ内チャージから冷却剤への熱移動はガス側熱伝達率 h がほぼ律速する．それゆえ，燃焼室壁からの熱損失 というページを別に置いた．

　シリンダ内チャージから冷却剤への熱移動は "少ない方が良い"，つまり，ガス側熱伝達率 h は小さい方がありがたい．すなわち，温度境界層が維持されていて，シリンダ内チャージが冷えない方が良い．冷却 Cooling は "エンジンのサイクルとしては無くて差し支えない" のであって，捨てるべき熱量 Q₂ を排気が担うのが良い．これに対して，金属壁外面から冷却剤への熱伝達では充分な熱伝達能力を持っている必要があって，そこは冷えた方が良いのである．冷却剤側熱伝達率 h_coolant は大きくなくてはならない．金属壁に持ち込まれた熱が排除されなければ，温度が上がり，金属部材や，潤滑油に障害となるからである．

熱通過速度はどの断面を採っても同じであるから，断面積が変わらなければ熱流束も等しい．それらを並べると右のようになる． 　このようにエンジンの冷却 Cooling では チャージと燃焼室内側壁とのあいだの熱伝達が最も重要 であり，冷却剤側の熱伝達がそれに次ぐ．もっとも，冷却剤側熱伝達が先に問題になる場合も時に無くはなく，特に空冷ではしばしばそこが熱移動抵抗として最も大きくなる．水冷の場合にはノッキングが起こった場合などを除き，ほとんど問題になることはない．水冷では，ラディエータ Radiator を介して，冷却液に移された熱は大気に放出される．もちろん，ラディエータの能力は冷却液温度をその沸点以下に確保するものでなくてはいけない．

ここに，レイノルズ数 R_{e g}，熱通過率 K に基づくヌッセルト数 N_{u K} は次のように定義されている．特性流速 w_chr はエンジンに供給される空気の容積流量をシリンダ断面積で除した値として定義されている．D はシリンダ径，N は回転速度，s はピストン行程，S_p は平均ピストン速度，η_v は容積効率，a は 2-ストローク，4-ストロークを切り分ける定数で，前者で 1，後者で 1/2 である．

　各種エンジンの広い範囲で，ひとつの実験式が成り立つのであるが，この関係式の取り扱いでは，チャージの温度 T_g をどう評価するかが問題である．そこでは T_g は平均有効ガス温度と呼ばれるものであって，燃焼室壁面温度の上昇で熱流束が零となるであろう等価燃焼室壁面温度として与えられていて，チャージの混合比に依存する．この関係式を出す過程で得られた値であるから，熱伝達速度を知るにはその値を入れる必要があり，おそらくは他の手法で概算することはできない．それゆえ，

なる関係式の意味は，レイノルズ数 R_{e g} にかかる指数が 1 ではなく 0.75 なので，同じ形式ならエンジンのサイズが大きい方が冷えにくいというようなことが解ることにある．C. F. Taylor という人は相似則を記述することに情熱を傾けた人である．

　* Taylor, C. F., Internal Combustion Engine in Theory and Practice, Vol. 1, (1960), MIT Press

水冷エンジンの冷却

　上述したように，金属壁に流入した熱量を金属壁外面から早急に冷却剤へ逃がさなくてはならず，金属壁はよく冷えるのが良い．冷却剤側熱伝達率 h_coolant の値が大きく，熱伝達が速やかになされるのが良い．

　液冷システムを扱うとき，冷却液側金属壁面と冷却液との温度差によって熱伝達の形態が変わる．下図はそれの説明であり，縦軸，横軸共に対数目盛りである．温度差が小さいときは通常の対流熱伝達であるが，温度差が大きくなると核沸騰熱伝達になる．冷却液側金属壁面に気泡が発生すると，熱伝達率は沸騰を伴わない場合に較べて著しく大きくなる．極大に達したところがバーンアウト点 Burn-out Point である．水冷ピストンエンジンの場合にはバーンアウトに近づくことはないが，通常の運転状態では気泡発生を伴う熱伝達である．

・冷却液側の金属壁の温度が冷却液沸点を越えない場合 　シリンダ外壁を円筒で近似できるなら，円管内乱流熱伝達についての実験式を適用すればよい．よく知られたものにジッタスとベルター Dittus and Boelter の式1) がある． ここに，De は冷却液流路相当直径，wcoolant は冷却液流速である．プラントル数 Pr は水の場合 80-90o C でおよそ 2.0 である． 　1) Dittus, E. W. and Boelter, L. M. K., "Heat Transfer in Automobile Radiators of the Tubular Type", University of California, Publications in Engineering, Vol. 2, No. 13, (1930), 443-461; reprinted in International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 12, (1985), 3-22, Elsevier ・冷却液側の金属壁の温度が冷却液沸点を越える場合 　シリンダ内壁温度を 150o C とすると，冷却液側の金属壁の温度は 135o C くらいになり，たいていは冷却液の沸点よりやや高めである．一方，流れている冷却液の温度は 100o C 以下である．冷却液側金属壁表面では冷却液が沸騰して泡が出る (バブリング) が，流れている冷却液のところにその泡が到達すると液に戻る．バブリングによって冷却液側金属壁表面がかき乱されるこういう状態は サブクール沸騰 と呼ばれる．サブクール沸騰での熱伝達は強制対流熱伝達の数倍の熱移動能力がある．バブリングによって冷却液側金属壁表面がかき乱されるためである．

サブクール沸騰領域に入ると熱流束が上昇する様子を，強制対流熱伝達と繋いだ実験値4) で右図に示す． 　サブクール沸騰熱伝達の表現にはジェンスとロテス Jens and Lottes の式2)がある． この関係式は無次元でない．温度差 ΔTs,c [K]，熱流束 [MW/m2]，冷却液圧力 pcoolant [bar] なる単位で値を入れる． 　2) Jens, W. H. and Lottes, P. A., "Analysis of Heat Transfer, Burnout, Pressure Drop, and Density Data for High Pressure Water", USAEC Report ANL-4627, Argonne National Laboratory, (1951) 　このようなことで，エンジンの冷却液中のエチレングリコール/ジエチレングリコール/プロピレングリコールの濃度を上げすぎて，冷却液の沸点が金属壁表面温度より高いと，サブクール沸騰ではなく，強制対流熱伝達となって，エンジンとしては却って冷却不足になりやすくなる．冬の北海道でもオーヴァヒートが起こるとされているのは，ラディエータ への通風閉塞でない場合には，これが理由であると考えられる．ほどほどのエチレングリコールの濃度にしておくことが必要であろう．

上記のような機構から，サブクール沸騰領域においては，冷却液側壁温は，冷却液の温度や流速に対して極めて鈍感になる．この様子を右図4) に示す．流路構造が複雑であって，壁表面から見た冷却液流速に，部位によって大きな違いがあっても，冷却液側壁温には大きな差は生じない．シリンダヘッド周りなどの複雑かつ高負荷熱伝達になりやすい箇所にとってはありがたい機構であり，これが水冷方式の冷却能力が安定である一番の理由である． 　逆に，冷却液側壁温を下げたいというときには，冷却液流速をしっかり上げないとそれは実現されないことを右図は示している．すなわち，冷却液流速に依存して冷却液側壁温が下がるという領域は，もはやサブクール沸騰領域ではなく，通常の強制対流熱伝達領域になっている． 　このように，水冷エンジンの冷却は強制対流熱伝達とサブクール沸騰熱伝達とが共存し，高負荷熱伝達にはサブクール沸騰の効果が効いて，金属壁の温度を安定に保つという機構になっているはずであるが，教科書などにはまだあまり書かれていない．下記の書籍3), 4), 5) には出ている．賛同してフォロゥする人がさらに出てくるであろう．

　水冷の冷却能力は空冷に較べて極めて安定である理由を工学的に説明するにはまずこれしかないと思われる．水冷ではオーヴァヒートしにくい機構が意図せず組み込まれていると言える．ただし，それはエンジン単体でのオーヴァヒート発生難易のことであって，別途述べる ラディエータ のオーヴァヒートのこととは別のことである．それらは互いに独立の事象である．

　3) 高橋・太田：ディーゼルエンジンの設計，(1977), 84-87, パワー社，ISBN 4-8277-1032-5
　4) Fenton, J. (Edited): Gasoline Engine Analysis for Computer Aided Design, (1986), 151-155, 261, Mechanical Engineering Publications, London, ISBN 0 85298 634 3
　5) Hoag, K. L.: Vehicular Engine Design, (2006), 155-156, Springer, Wien, New York, ISBN 3 211 21130 6

　水冷エンジンの冷却がこのように水冷液側で高い熱流束を確保できる機構を有するとはいえ，燃焼室のチャージから燃焼室壁への瞬時熱流束の最大値はそれより一桁大きく，数 MW/m² から数十 MW/m² に達することに留意しておかねばならない．上で，熱通過速度はどの断面を採っても同じであるから，断面積が変わらなければ熱流束も等しい，と述べたが，ピストンエンジンの冷却系ではそうした定常状態は必ずしも実現されているとは言えず，最大瞬時熱流束で金属壁に流入した熱量は一時的に金属壁内部に蓄えられる．繰り返しであろうとも，サイクル中の瞬時というところが重要であり，もし常時連続的であれば話は別のことになる．

　このページで扱っているのは，燃焼室から冷却液への熱伝達経緯のみである．水冷エンジンの冷却では，こうして冷却液に移された熱をさらに ラディエータ Radiator を経由して大気に放出する．ラディエータにおける熱交換は，冷却液側，外気側ともに，金属壁との強制対流乱流熱伝達である．そこでは冷却液が沸騰してはならない．エンジンの燃焼室冷却液側壁でサブクール沸騰冷却となる領域においても，それはあくまでもサブクール沸騰であり，膜沸騰ではあり得ず，冷却液主流温度は冷却液の沸点以下であって，壁から離れた気泡は冷却液主流ながれに取り込まれたとき気泡は消滅する，そういう冷却液主流温度が維持されるようにラディエータの熱交換器としての能力が設定される．燃焼室壁の冷却にはサブクール沸騰による気泡発生が，燃焼室壁温度の安定化に有効であるが，ラジエータにおいては，液からまず金属へ熱を渡さなければならないので，液の沸騰はタブーである．ラディエータの機能は燃焼室壁で発生した気泡が消える温度まで水温を下げることであると言い換えてもよい．

　水冷冷却液を純水からエチレングリコール系水溶液にしたときの沸点上昇はおよそ 5 K (氷結温度: -25^o C)，逃し弁による冷却液圧力制御で冷却液圧力が 200 kPa くらいになるときの沸点上昇はおよそ 20 K であって，そうした沸点上昇が合わさっても燃焼室壁外側・冷却液側温度は冷却液沸点より高く，燃焼室壁冷却はサブクール沸騰であり続ける．サブクール沸騰領域における熱伝達率の勾配は充分大きく，冷却液の沸点上昇による影響は比較的小さい．

　温度 80^o C でのエチレングリコール単体の比熱は水のそれ 4.20 kJ/(kg⋅K) の 2/3くらい，2.65 kJ/(kg⋅K) なので，同一受熱量に対して温度上昇が大きいけれども，熱伝導度は水のそれ 0.672 W/(m⋅K) の 2/5 くらい，0.262 W/(m⋅K) しかないので，水が冷却媒体である場合に較べて，エチレングリコール水溶液を冷却媒体としたとき，シリンダ外壁：冷却水側壁温度が上がり，その結果としてシリンダ内壁温度が上がる．沸点は上昇するが，同時に壁温も上がる．エンジンの液壁側ではサブクール沸騰伝熱であることに変化はないので，冷却剤が軟水かエチレングリコール水溶液かで熱伝達に大きな差は生じない．

　* エチレングリコール/ジエチレングリコール/プロピレングリコールを主成分にした Long-Life Coolant, LLC 原液の沸点は通常 160^o C くらいであって，それは明らかに燃焼室壁外側・冷却液側温度より高い．純物質としてのエチレングリコール/ジエチレングリコール/プロピレングリコールの沸点はそれぞれ 198/244/187^o C である．温度が上がると冷却水は膨張し，20^o C のときと比較して，純水で 100^o C のとき 4.2 %，120^o C のとき 6.0 % 大きくなる．水の圧縮性はわずかに 5×10^-5 程度であるから，容積一定のもとでは温度上昇は系の圧力上昇をもたらす．その圧力上昇が冷却水の沸点上昇をもたらすという相互関係にある．通常，冷却系統には逃し弁が設けられ，系の圧力が所定の値を越えないよう，その分だけ液を系外に出す．燃焼室壁外側・冷却液側温度が冷却液沸点より高いという条件を満たす限りにおいて，サブクール沸騰伝熱現象における温度・圧力依存性は小さい．それは，すぐ上の図で，壁温が水平線になり，条件が変わっても水平線の高さが大きく変わることがないという意味でもある．

　Still not fixed.