日本機械学会誌2010.4Ｖｏｌｌｌ３ＮｏｊＯＱ７257

蝋面〆謹、Ｌ翅.…｣聖孕み戸ｊ：．．

は空冷か水 冷変．,。、へ1、！．！

WhichWouldyouPrefem ＡｉｒｏｒＷａｔｅｒ Cooling System？〆
品■．‐■i執筆者プロフィール］

本稿では，空冷と水冷の特徴をまず述べ次にHCnda●19万年（株）本田技術研究所入社，可変動弁システム（VTEC）の考案・開発，1995～1996年インデイカー用Ｖ型８気筒エンジンの設計，２００４年ヨーロッパ向け2.2』乗用の四輪車エンゥン開発における空冷から水冷への歴史をエ◎研究・専門テーマは，乗用車用ガソリン‘

紹介してみたいディーゼルの開発等．

ピソードを交えながら記し最後に現在のエンジン技術をディーゼルエンジンの研究・開発。(株）本田技術研究所四輪Ｒ＆Ｄセンター
主席研究員

長弘憲一

（〒351-O193埼玉県和光市中央1-41,.
Ｅ･maiI：kenichi-nagahiの＠､.ｗ,『｡.honda、ｃｏｊＤ）

卿 空冷と水冷の特徴
図１に空冷と水冷エンジンの冷却システムの概要を示

KerliChilXIAGAH1RO

す．空冷はエノシン仁設I）られたフィンを通じ，走行風や冷却ファンにより送らｵlる空気へ直接放熱するしたがって.一般的に構造がシンプ几で軽量かつコンパクトであり，故障が少なく信頼性が高い．しかし空冷では熱伝達率の小さい分．多量の空気を必要とし導風には設計・レイア￣■（麹はじめ'二ウトを行ううえで限界がある

一方，水冷はエンジンに設lナられた水冷ジャケットを通「エンヅンは空冷か水冷か」という命題に対し結論をる冷却水に放熱し,その温ぬられた水はラジエータにて走先に述べてしまうと,両者，一長一短があり「どちらもア行風や冷却フアンにより送られる空気へ放熱するＬたリ」であるたとえば軽量かつシンプルさを求める二輪車

がって．ラジエータのほか水ポンプやサーモスタットなのエンジンなどは空冷方式を用いることがある．また，優どが必要であＩ).一般に空冷と比べシステムが複雑となる．

ｵした排気ガス特性や静粛性．空調などの室内環境を求めＬかし．大量の放熱が必要な小型高出力エンジンには水冷ＬＤｊＬ

る四輪車のエンジンは水冷方式を用いている

本稿を執筆するに当たり正直なところ大変に悩んだな

ぜなら．現在もそれぞれの得意分野で空冷エンジンと水冷エンジ＞が活躍しており，簡単に「どちらか良い」とは言えないからである．苫らに．本田技研工業（株）（以下鳶Honda）においては,.創業者の強い空冷へのこだわり”かラジエータあったために，四輪車エンジン開発における空冷から水冷への転換期では，諸先瀧方の並々ならぬ苦労と努力かあったと聞いている．したがって．この「空冷か水冷か」の議論は．私にとって大変重いのである．

空冷エンジン

水冷エンジン

図１空冷エンジンと水冷エンジンのシステム概要－２９－日本機械学会誌2010.4Ｖo１．１１３Ｎ0.1097

画5Ｆ

まうのである．

エンジン回転数：１５００，１Ｔ･ニンジン回転数：１５０【)Ipm

６４Ｄ』０

圧縮比：ｇ
圧縮〆12：ｇ

以上をまとめると次のようになる．空冷エンジンはヴス

燃料・へブタン
燃料：へブタン

当量流：１
当量比：１
計重：ＣＨＥＭＫ１Ｎ－ＰＲＯ
首算：ＣｌＥＭＫ１ＮＰＲＯ

変化が大きく，音，振動も大きいまた，水冷エンジンは－－／システムが複雑だがエンジンの温度変化が小さく，音，振動も小さい．

（の１三）出硬圃磐篭４ワ』０４っ』０２Ｃｐ

蟻男霧壼菫ｼﾞﾝ開発に鮒欄

初期涌虜７５℃－－Ｚ－－－ノ－－ニノ記－■＝￣ｐ■鈩「水冷エンジンは最後には水を空気で冷やすのだから，初めから空気で冷やせばよいそうすれば水漏れの心配もJ、:Hlii雲111二一なく．メンテナ＞スもしやすいただし，空冷エンジン特へ『有の騒音は水冷なみにしなければならない.」というのがHondaの創業者である本田宗一郎氏の持論であったしたﾄ職竺一

がって，Hondaは数多くの空冷エンジンを開発し市場に投、鍋留鍍度73℃
一〃〆 ’南、翰恥－－－－辞〆Ｐ沼司色腓，－－。。■■p腓Ｐ□

テムかシンプルだが放熱量に限界かあり，エンジンの温度

初岨潟鱈７G℃【■ご祐笘矼缶■■■｡■回F１初期温度天〕て】入している．以下に四輪車エンジン開発における空冷から水冷への転換期に焦点を当て，その歴史を時代背景やエピ｡■初期温度７２℃■好■■＝ソードを交えながら簡単に紹介してみたい（表1)`１１．

､嬬勵fqiiF圖摩了2℃…暉壷戸＝云云＝面司

一ｇｏ－６０－３００３０６Ｃ

３．１四輪事業への新規参入と水冷エンジン

ｑ、「四人乗I，。最高速度IOOImd/hr,価格１５万円」とはクランクアングル（｡）

図２燃焼室の初期温度別燃料自己着火特性

1955年に通産省から発表された国民軍育成要綱（通称：国民軍構想）である．1958年，Hondaは四輪車事業へ参入するに当たり，その国民軍構想に応じた軽四輪車の試作が適しているその理由は，水の定容比熱が室温で約４．２をまず手がけた．そのエ＞ジンはそれまで実績のあったkJ/(k９．Ｋ）と空気の約1ｋJｿ(ｋｇＫ１と比べ大きいため，二輪のレースエンジン技術を活かして強制空冷方式のアル水冷エンジンは温度変化が小さく，燃焼の温度コントロー

ミ合金製Ｖ型４気筒ＯＨＣを採用していた．その開発は｢自ル性に優れているからである．

動車は十二分の検討をし性能においても，設備においてもあらゆる点で絶対の自信と納得を得るまで商品化を急そこで。燃焼が温度に対してどの程度敏感なのかを調べぐべきではない」という信念のもとに進められていた．

るために燃焼5.ミュレーションを行ってみた．燃焼は子混合の圧縮自己着火方式で，燃料はノルマルヘプタ＞，圧

しかし、1,61年に通産省から示された自動車行政の基縮比は，、当量比は１とした．エンジン回転数１５００rpm

本方針（後の特定産業振興臨時措置法案,通称：特振法案．

における初期温度別の自己着火特性を図２に示す．これ後に廃案）によりその状況は変化した特振法案か成立すより．温度が数度違うことで燃料が自己着火したり，しなると四輪事業への新規参入が認められなくなるからであかったりすることがわかるエ＞ジンのノッキング現象なる．これによ')開発は加速され，エンジンはそれまでテス

どは，この燃料の自己着火が深く関`係していると言われてトしていた空冷方式の完成にまだ時間がかかることから，いるしたがって，高出力か求められるエンジンは，より水冷の直列４気筒ＤＯＨＣを進めることになった．そして．

高度な温度コントロールが必要となり、一般的に水冷のほ

翌年ﾄｰはプロトタイプを製作し、1963年にHcnda初の乗うが優位となる．

用車（8500,後の360,）を製造販売するまでに至った'】、

３．２軽自動車と空冷エンジン

さらに.水冷が優れる最も大きな特徴は音と振動である
水冷エンジンは先に述べたように燃焼室が水冷ジャケット

国内の四輪車生産台数が増加し安全や公害問題がクローで覆われているために，それが燃焼音と振動を抑えてくれ

ズアップきれはじめた１，６５年には，小型乗用車なみの性る．しかし，空冷エンジンは冷却フィンが燃焼室と直結し能と大人４人かゆったりと乗れる居住性を狙った軽自動車てお'1さらにフイン自体が振動し大きな音を発生してし（Ｎ360）が発表ざれた．これは四輪車の開発初期に目標と－３０－日本機械学会誌2010,4Ｗ|､１１３Ｎ｡.1097

259

表１時代背景と四輪車エンジン開発の歴史
年代

時代背景

HOnda四輪車エンジン開発の歴史'…|鼈鶉薑繍蕊……轤）

１３５８年

軽四輪鰯試作車開発開始（空冷ｖ型４気筒CHC）'…：霊認の基本方針鰻の縛鑛法詞赫示…
１９６２年

軽四輪鰯スポーツカーとトラックのプロトタイプ製作（水玲

１９６３年

初の乗用車発表（S5QO）（水冷４気筒ＤＯＨＣ）

４気筒ＤＯＨＣ）

トルクアツプされた乗用車発表（SBDO〕（水冷４気筒

１９６４年

DOHC）

１９６６年

軽自動車（N360）発表（空冷２気筒OHC）

１９６８年

小型乗用車発表（HONDA130日）（､DAC空冷４気筒ＤＨＣ）
空冷Ｆ１エンジン開発（RA302〕'…鰯蕊徽議零禦)灘気涛染防…
１９７１年

軽自動車（ライフ）発表（水冷２気筒CHC）
低公害エンヅン。ＣＶＣＣ発表
マスキー法１９７５年規制鰯合格第１号
小型乗用車（C1VIC）発表（水冷４気筒OHC〕

１９７２年

した国民車構想を具現化したものである．エンジンは小さ

３３小型乗用車用空冷エンジンの追求なスペースに入るコンパクトさが強く要求されたことか軽自動車の事業が軌道にのった1968年，
狸曰到學”箏耒か軌追にのった１９６８年，Hondaは小型

ら,ここでも二輪の空冷エンジンを参考に開発が進められ・乗用車（HI30D）を発表した＿エンジンは世界初の一体構強制空冷方式の２気筒ＯＨＣが採用された．その性能は最高出力２３ｋＷ・最高速度115km/hr，燃費２８km/Ｌと当時の軽自動車のイメージを完全に打ち破ったものであった．このことについて創業者は「自動車力剥､型化されても人間は小型にならない．自動車だけ小型にすることは難しい」
また「今までの軽自動車は決して日本の道路に適していな造二重壁空冷方式（DuoDynaAh?CDolingSystem,ＤＤＡｎ）を搭載した画期的なものだった（図３)．その方式とは従来のエンジン外壁にフインを設け空冷することに加え，アルミ合金製のシリンダブロックとヘッドの壁を－体型の二重構造とし，その壁の間をさらにファンにより強制空冷するというものである．その結果，１２９８c㎡の小さな排気量

い．その理由は馬力がないからで，馬力は感`情を支配するながら８５ｋＷの最高出力を実現し，これは当時の1.8～２ものであり，それが葱いと加速やスピードが出ず，走ってリッタ級のエンジン性能に匹敵していた．さらにその二いても追い越しができないため事鹸が多い原因になる」と重壁が空冷の弱点であった騒音を抑えることができたとも語り，居住性と馬力の必要性を強く主張していた．

言われている．

しかしこの空冷エンジンの開発はそう簡単ではなかった．開発者が一番苦労したのはやはり音問題であった．当時の解析技術は優れたものはなく，ほとんどは勘で。エンたたジンを叩いて､みては冷却フィンから音の出る場所を探り当て対策を行っていた.また,エンジンの冷却はオーバーヒー
トよりもオーバークールの方が問題であった．水冷は水温に依存しある程度の温度コントロールができるが空冷はそうはいかないたとえば寒冷地などでアイドリングを行っているとエンジンはどんどん冷えてしまい。いたるところで氷点以下となり部品が凍ってしまうのである（１）(2)．

しかし。空冷エンジンの究極を追求したこの車は思うよ

うに売れなかった．当時の開発者は「空冷にこだわり続けたために空冷エンジンはできたが，結局重い．重量が重いからタイヤが早く摩耗するなど，いろいろなところに無理が出る．排気ガス規制を控えてエンジンのコントロールが非常に難しいものになった．価格も高くなり過ぎた．商品としての自動車というものに対する理解が，必ずしも十分ではなかったのではないかＪという意見を残している(1)(3)【劇１．

３．４空冷から水冷へ
ＤＤＡＣエンジンは空冷のために生じる温度コントロー－３１－日本機械学会誌2010.4Ｖo1.113No.1097

図５１《水冷解禁となったHondaはまず軽自動車の水冷化を進め，量産としての水冷エンジンを軌道に乗せた．次に，マスキー法をクリアすべ<水温でコントロールされた希薄燃焼にチャレンジした．燃料が希薄状態で十分に燃えきるかどうかは,その燃焼室内の温度管理が大変重要なのである．
そして.1,72年に副燃焼室を持った低公害エンジン(CVCCエンジン）を発表した．ＣＶＣＣとはCompQImdVbrtexConptrolledCombustionの略で｡副燃焼室で燃焼した火炎がトーチノズルを通して主燃焼室に噴出し主燃焼室で渦流を起こし燃焼速度を早め，希薄燃焼を実現する，,というもので〔提供：本田技研工業（株）総務部＞

図３－体櫛造二重壁空冷方式（、DAC）エンジンある．その結果，優れた排気ガス特性を実現し。この水冷エンジンはマスキー法の1975年規制の合格第１号を取得
寸為ことがで煮たいﾛ．

ルの問題で，開発者たちを大変苦労させた．彼らは水冷をやりたくても創業者である社長の並々ならぬ空冷へのこだ

露現在のｴﾝｼﾞﾝ技術

わIOのために，それを進めるしかなかった．しかしこの４．１水冷エンジンの進化

ころ．環境に対する気運が高まi〕厳しい排気ガス規制が目さらなる地球環境保護や省エネルギーが要求される現前に迫っていた．彼らはそれらの規制をクリアするために

在,水冷エンジンはマスキー法当時と比べ桁違いに優れたは「何も長くてきつい道を選ぶことはないのではないか」

排気ガス特性を実現しているその最大の立役者となったと考えていた．のが三元触媒（Tree=WtiyCatalyst,ＴＷＣ）であるＴＷＣ

ある曰，副社長に呼ばれた開発者たちがその話を打ち上とは排気ガス中に含まれる有害成分．すなわち炭化水素とげると，社長に同じ話をするように命じられた．翌日，し一酸化炭素と窒素酸化物を，それぞれ二酸化炭素と水およぶしぶ社長に「水冷をやりたい」と話したところ，社長はび窒素に酸化・還元する装置である．この酸化・還元反えらく機嫌が悪かったが｢それならやればいいじゃないか」

応を効率良く行うためには，理論空燃比としなければならと答えたらしいこれにより，HGndaの四輪車エンジン開ない現在の水冷エンジンは冷却水温をもとに排気ガス中発は“水冷解禁”となったその陰に，副社長が社長に対の酸素濃度をセンサにより検出し，燃料と空気中に含まれして「あなたは社長としての道をとるか．あるいは技術者る酸素がそれぞれ過剰とならないように，電子式の燃料噴としているべきだと考えるのか，どちらかを選ぶべきでは射システムを用い，その量を細かく制御し理論空燃比としないですか」と問い詰め，社長としての道を悟らせたといている．

う有名なエピソードがある(Ｉ池)'3)．

最近では．さらに走行燃料消費率（燃費）の向上を狙い

３．５環境規制と水冷エンジンとしたエンジンとモータを併用するハイブリッド車が開発

1963年，アメリカでは大気清浄法が制定され，その後されている．たとえばHondaのインサイトでは優れた燃の1,65年に自動車汚染防止法が追加きれたまた．1967

費を実現するためにエンジンの可変パルプタイミング・年になると日本でも公害対策基本法が，また’968年にはリフト機構を用いた全気筒休止や．エキゾーストバルプタ

大気汚染防止法が次々と施行きれはじめた．吾らに１９７０イミングの遅角による燃焼改善が行われている．また，冷年，アメリカで上院議員のエドモンド.ｓ・マスキー氏が却水主流の循環経路をまずシリンダブロックを取り巻くよ

従来の大気清浄法を大幅に修正した案(通称：マスキー法）

うに一方向に流した後．シリンダヘヅド内を－方向に流すを議会に提出したこの法案は５年後の1975年型車からは，方式とし，燃焼室まわり⑪冷却水流速を上げて熱伝達率を従来に比べ一酸化炭素および炭化水素をとも'二Ｉ/10に．

向上させることによりノッキングの抑制を図っている．ざまた窒素酸化物は1,76年型車からＩｎＯにするという．世らに，エキゾーストマニホールドをシリンダヘッドと－体界中の自動車メーカか“ほとんど達成不可能,。と主張する型とし,直下触媒前と床下触媒前に配置した酸素セ＞汁と，ほど非常に厳しいものであった．

電動スロットル〈DriveByWhcDBW）と,空気流量計（Ａｉｒ－３２－日本機械学会誌2010.4Ｖ０１．１１３Ｎｏ．1097

261

Hig-I

Ｌｏｗ

(a）空冷エンジン(油冷なし）（b）油冷による気筒間温度差の低減

図４強制油冷システムを用いた二輪車用空冷エンジンの熱マ革ジメント

FlowMeter，ＡＩ5Ｍ）の採用により，優れた環境性能（国士

交通省の平成１７年排出ガス基準75％低減レベル）を実現している鯵Ⅲ`.、これらは．より高度な温度コントロールにより成り立つものであり水冷ならではの技術と言える．

蟻…
小排気量エンジンを搭載する二輪車の多くは，軽量かつ４．２空冷エンジンの進化シンプルさを求めるために空冷を用いている．また，四輪二輪車においては，軽量かつシンプルさが求められる小車および大排気量エンジンを搭載する二輪車の多くは。優

排気量エンジンのほか，機能美を追求した趣味的要素の強れた環境性能と動力性能と静粛性を実現するために水冷をい大排気量の空冷エンジンがある．これら空冷エンジンを用いているしかし，それだけでは片づけられないものも搭載する＝輪車においても，世界各地で厳しい排気ガス規ある.その一例として趣味的要素の強い大型二輪車がある．

制が進んでいる．現状，これら規制をクリアするため，従空冷に対する機能美や体感などへの顧客要望が強く，技術来のキャブレタ式から電子制御式燃料噴射システムを用い者としてこれらの要望を満たし．環境性能との両立を図った空燃比制御が必要となってきた''１．しかし空冷の場合，たものもある．技術とは人のためにあり，すべてが一様で前述のように温度コントロールが課題であり，水冷より難ある必要はない．したがって「エンジンは空冷か水冷か」しくなる．という命題の結論は「どちらもアリ」なのである

これまで空冷エンジンの開発は風洞実験室による流れ（原稿受付２０１０年１月１３日）の可視化や，走行テストによる温度測定か頼りであり．設計の初期段階で流れの挙動や放熱量を定量的に把握することは困難であった．そこで精度の高い温度コントロールを●文畝

ンジン本体の熱伝達率分布や温度分布を解析するパーシヤ（１）本田技研工業（株)．５０年史］（1999)，76-105ｺHondaホーム
ページ．httpWWww､honda､ＣＯ､ip/50years-histoM（２）吉田匠・ほか，HONDA360STORM（1992)，123-140,三樹ルセル法（複雑形状の流れ場を計算する時のメッシュ生成（３）碇義郎．燃えるホンダ技術屋集団，（1986)．59-77,ダイヤ手法）を用いたＣＦＤ(CompntationalFIuidDynamics）技術(4)小林彰太郎』HONDA1300設計者との対飴．（1970)，163‐

目指し，冷却フイン１枚１枚の間の風の流れの解析や，エ書房．

モンド社．

１６６，ＣＡＲグラフィンク．

が開発されている'9'(，]．

この解析により．強制抽冷システム（空冷だけでは冷却（５）大窪穀・米ロ宏・藤木有司・中村芳則・岡田拓・黒瀧浩

文･普及を目指したGLOBALハイブリッドカーの開発，Ｈｏｎｄａ

Ｒ&DTbchnlcalReview、２１－１（2009)．”-82.

が不十分となる箇所に，潤滑用のオイルを冷却水の代わり（６）福田俊彦・江ロ高弘。新型インサイト燃費向上技術，Ｈｏｎｄａに適量循環させる,ステム）は,総放熱量の向上とともに，（７）玉木健二・國分志郎・赤松俊二．小型＝輪車用空冷エンジンのＲ&DTbchnicalRevisw121-1（2009)．８３－８９．

気筒間の温度不均衡の改善も可能であることが見出きれた(図４１またノ､ツキング限界の改善も示されている[，】．

電子制御燃料噴射の制御システム，ＨｏｎｄａＲ&DTbchnlcal
Revlew,16-1（20041145-152.

（８）高橋易資・後閑祥次．二輪車用空冷エンジンの冷却風流れのＣＦＤ解析．ＨｏｎｄａＲ&、､nachnicEIIReviewp13-2（2006)，１４ｑ
１４７．

（９）後閑祥次・高摺易資・稲吉真』強制油冷システムを用いた二輪車用空冷エンジンの熱マネジメント，HondaR8LDTUchnical
RevieW1１９－１（2007)．65-72.

－３３－