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内燃機関超基礎講座 | インタークーラー:冷却は当然、燃費のために抵抗も下げる構造とは

  • 2021/01/04
  • Motor Fan illustrated編集部
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過給によって温度の上がった吸気を適正な温度まで冷やすのがインタークーラーの役割。過給エンジンは必須のデバイス。燃費を稼ぐには冷やすだけは不十分なのだ。
TEXT&PHOTO:髙橋一平(TAKAHASHI Ippey)

ターボなどの過給機で断熱圧縮されたことで温度が上昇した吸入空気を冷却し、密度を高めると同時に、空気の行き先となる燃焼室の温度を下げるという役目を持つインタークーラー。海外、特に欧州ではチャージエアクーラー(ChargeAirCooler=CAC)と呼ばれているものだ。その名が広く知られるようになったのが、かつての高出力ターボ全盛時代だったということもあり、パワーデバイス的なイメージが強く残っているが、そのターボがその立ち位置を大きく変えた今、インタークーラーにも変化の波が訪れている。燃費と効率を追求するべく、熱交換の効率よりも、まずは抵抗を抑えることが優先される傾向にあるのだという。

NISSAN GT-Rのインタークーラー:400kW以上のパワーを発揮するVR38DETT型エンジンに組み合わされるインタークーラー。高速走行時の性能に優れる空冷式を採用。クーラーコアの上下に配置されるタンク部分には、高ブーストに対応する強度を確保するためアルミ鋳造による部材が用いられている。その目的はあくまで耐熱と強度だが、鋳造ゆえの肉厚構造により熱容量が大きいことから、走行風の流れがほとんどないゼロ発進時でもタンク部分の畜冷効果によりある程度の冷却性を発揮する。

しかし、そもそもインタークーラーは抵抗による損失を覚悟で冷却することのメリットを取りに行くためのデバイスだったはず。抵抗という要素には熱交換の効率がトレードオフの関係でついてまわる。あちらを立てれば、こちらが立たずで、抵抗を減らせば熱交換の効率が落ち、逆に効率を高めようとすると抵抗が増す。

「昔のものはチューブが細く、内部のフィンも間隔を詰めた配置となっていて、抵抗よりも熱交換の効率を重視したものでした。最近のものは、チューブを厚くして内部に配置するフィンの密度も小さくしています」(エンジニア氏)

空冷インタークーラー:空冷式としては最新世代にあたるもの。燃費低減の要求に応えるべくガス抵抗の低減を目的にさまざまな工夫が盛り込まれている。ガスが通るチューブ部分の厚みが大きめに設定されていることから、走行風が抜ける部分の幅が制限されるというトレードオフが生じるために、そこに収まるアウターフィンのルーバー形状を最適化することで空気抵抗を抑えているという。
タンク内側に造り込まれた形状がガイドとなり、流れを導くことで流速分布を最適化。ガス抵抗を低減させると同時に、高効率化にも寄与している。左の写真では左側が、下の図では右側が従来のタンクを示している。
ガスの通路となるチューブ部分の厚みを従来の6mmから8mmへと広げ断面積を拡大。内部のフィンの密度を小さく、その配置もチューブ入口からセットバックして圧力勾配を緩やかに設定するなどの工夫を加え、ガス抵抗を大幅に減らすことに成功している。

聞けばそれほどうまい手はないようで、やはり基本的に抵抗を小さくすると、熱交換の効率は落ちてしまうのだという。そこで、横長のインタークーラーにチューブを横方向に這わせ、効率を距離で補うという手法が用いられる。

もちろん、距離で補うということは大型化を意味するわけで、それがすんなりと許されるほど今の状況は甘くないし、日本のエンジニアが甘んじて、なるがままに任せている訳がない。そこにはやはり工夫があった。

「チューブ内部のフィンを入口からオフセットさせるかたちで奥に置いています。チューブに入った空気をいきなりフィンのある狭いところに通すのではなく、その前にフィンの入っていないチューブ部分を通過させることで、圧力の上昇を段階的にしているのです。これは抵抗の低減に効きます」(エンジニア氏)

水冷インタークーラー:吸気系の配管レイアウトをストレートかつ最短距離で結ぶ構成が可能で、停車からの加速時でも温度をほぼ一定に保てるという特徴を持つ、水冷式のインタークーラー。こちらは同社で開発が進められている試作品。小型軽量化 (ともに1割減)を目標に水路側のフィンを省略。本来フィンは熱交換の効率において重要な役目を果たすものだが、ガスを通すチューブの間隔を詰めて配置、水路を扁平化(薄く)することで、効率を確保している。

他にも抵抗低減のために厚くなったチューブに追いやられて狭くなったチューブ間を流れる走行風の抵抗低減など、数多くの工夫が盛り込まれているとのこと。カルソニックカンセイ(現マレリ)では近年のトレンドに応えるかたちで水冷式インタークーラーも開発中だが、こちらも独自技術によって軽量小型化に成功。さらには開発研究中の新技術もまだ数多く控えているという。今回伺った技術は重箱の隅をつつくような細かいものばかり。その先に開発の余地を見出すとは、ただただ感心するばかりだ。

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