航空エンジンの空冷と液冷の違い｜「空冷＝丸い、液冷＝細長い」は半分まちがい──冷却方式とシリンダー配置を分けて考えると、零戦・飛燕・五式戦の謎が解ける

第二次世界大戦の戦闘機を見分けるとき、よく言われるのが「機首が丸くて太いのは空冷、細くとがっているのは液冷」という見分け方だ。零戦や隼は丸い機首、飛燕やスピットファイアはとがった機首。たしかに、だいたいはこれで当たる。

でも、ドイツのFw190Dを見ると、この見分け方は崩れる。機首は丸くて太いのに、エンジンは液冷なのだ。逆に、空冷なのに細長いエンジンもある。

なぜこんなことが起きるのか。答えは、「空冷か液冷か」という冷却の方式と、「星形かV型か」というシリンダーの並べ方が、本来は別々の話だからだ。この二つがよく組み合わさるので、ひとまとめに語られがちなだけなのである。

この記事では、冷却方式とシリンダーの配置を切り分けて整理したうえで、日本がなぜ空冷エンジンを主力にしたのか、そして飛燕から五式戦への「エンジンの載せ替え」が何を意味したのかを考えていく。個々の機体の紹介ではなく、機体を横断して見えてくるエンジンの話だ。

結論｜二つの軸を分けて考える

まず、冷却方式とシリンダーの配置を、縦と横の二つの軸に分けて表にしてみる。

よく見かけるのは「空冷×星形」と「液冷×V型・直列」の二つの組み合わせだ。でも、ほかの組み合わせもちゃんと存在する。冷却方式と配置は、別々に選べるものなのだ。

図で見る｜冷却方式とシリンダー配置

冷却方式とは｜熱をどう逃がすか

空冷｜ひれに空気を当てる

空冷エンジンは、シリンダーの外側に薄い板のひれ（冷却フィン）をたくさんつけ、そこに走行中の風を当てて冷やす。熱をひれから直接空気に逃がす、いちばん単純な方法だ。

空冷の強みは、仕組みが単純で軽いことだ。冷却液もポンプもラジエーターもいらない。被弾にも強く、シリンダーの一つが撃ち抜かれても、ほかのシリンダーで飛び続けられることがある。整備もしやすい。

弱みは、すべてのシリンダーにまんべんなく風を当てる必要があることだ。そのため、シリンダーを風の当たる場所に並べなければならず、エンジンの前から見た面積が大きくなりやすい。面積が大きければ、空気抵抗も大きい。また、出力を上げるほど熱も増えるので、冷やしきれなくなるという限界もある。

液冷｜冷却液で熱を運ぶ

液冷エンジンは、シリンダーのまわりを冷却液で包み、その液をポンプで循環させて熱を運び出す。熱くなった液は、機体のどこかにあるラジエーターで空気に熱を渡して冷やされ、またエンジンに戻る。冷却液には、水にエチレングリコールを混ぜたものなどが使われた。

液冷の強みは、シリンダーを風の当たり方を気にせず並べられることだ。シリンダーを前後一列や、V字に並べて、エンジンを細長くまとめられる。前から見た面積が小さくなり、空気抵抗を減らせる。熱を確実に運び出せるので、高い出力を出しやすい。

弱みは、重く複雑なことだ。冷却液、ポンプ、配管、ラジエーターが必要になる。そして戦闘機にとって致命的なのが、被弾への弱さだ。ラジエーターや配管に一発でも弾が当たって冷却液が漏れれば、エンジンは数分で焼きついてしまう。

比べてみると

項目	空冷	液冷
重さ	軽い	冷却系の分だけ重い
前から見た面積	大きくなりやすい	小さくしやすい
被弾への強さ	強い	冷却系を撃たれると弱い
整備	比較的やさしい	手間がかかる
高出力化	冷却が限界になりやすい	有利
製造の難しさ	比較的やさしい	精密な加工と材料が要る

シリンダー配置とは｜シリンダーをどう並べるか

次に、もう一つの軸であるシリンダーの並べ方を見ていこう。

星形

シリンダーを、中心の軸から放射状に、星のように並べる形だ。1列に並べた単列と、2列に重ねた複列がある。すべてのシリンダーが前を向いて風を受けられるので、空冷と相性がいい。そのかわり、エンジンの正面が大きな円になり、機首が太くなる。零戦の栄、P-47のR-2800などが代表だ。

直列

シリンダーを前後に一列に並べる形。前から見た面積が小さいが、エンジンが長くなる。後ろのシリンダーには風が当たりにくいので、液冷と組み合わせることが多い。

V型と倒立V型

直列のシリンダーを2列に分けて、V字に並べる形。直列より短くまとめられ、高い出力を出しやすい。スピットファイアやP-51のマーリンがこの形だ。

V字を逆さまにして、シリンダーが下に向くようにしたのが倒立V型だ。ドイツのDB601や、そのライセンス生産品である日本のハ40（飛燕）や熱田（彗星）がこの形で、プロペラ軸が上に来るので、パイロットの前の視界が良くなり、機首の上に機関銃を置きやすいという利点があった。

水平対向

シリンダーを左右に寝かせて向かい合わせに並べる形。エンジンの高さを低く抑えられる。今の小型のプロペラ機の多くが、この水平対向で、しかも空冷のエンジンを積んでいる。

なぜ「空冷は星形、液冷はV型」になりやすいのか

ここまで来ると、よく見る組み合わせの理由が分かる。

空冷では、すべてのシリンダーに風を当てたい。星形なら、シリンダーが全部前を向くので、自然に風が当たる。だから空冷と星形は相性がいい。

一方、直列やV型では、シリンダーが前後に並ぶので、後ろのシリンダーに風が届きにくい。だから冷却液で熱を運ぶ液冷と組み合わせるのが自然になる。

ただし、これは「相性がいい」というだけで、決まりではない。

ドイツの連絡機フィーゼラー・シュトルヒが積んだアルグスAs10は、空冷なのに倒立V型だった。小型のエンジンなら、工夫すれば後ろのシリンダーまで風を当てられる。第一次世界大戦のフランスには、水冷の星形エンジンを作ったサルムソンという会社もあった。

そして冒頭のFw190Dだ。Fw190のA型は空冷の星形エンジンを積んでいたが、D型は液冷の倒立V型エンジンに換えた。そのとき、ラジエーターを機首の先端に輪の形に置いたため、外から見ると星形エンジンのように丸い機首になった。見た目の形だけでは、冷却方式は分からないのだ。

日本はなぜ空冷を主力にしたのか

一つは、海軍が空母での運用を重く見たことだ。海の上では、被弾に強く、整備しやすい空冷の利点が大きい。もう一つは、産業の事情だ。液冷エンジンは、精密な加工と、良い材料、熟練した整備の人手を必要とする。当時の日本の工業力には、これが重い負担だった。

太平洋戦争の時代に、日本が新しい液冷エンジンとして本格的に量産したのは、ドイツのDB601をライセンス生産した二つのエンジンだった。陸軍の川崎がハ40を作って飛燕に積み、海軍の愛知が熱田を作って彗星に積んだ。

もっとも、日本に液冷の経験がまったくなかったわけではない。戦前の陸軍は、川崎の液冷エンジンを積んだ九五式戦闘機などの複葉戦闘機を使っていた。ただ、DB601のような高出力で精密な液冷エンジンを大量に作るとなると、話はまったく別だったのだ。

しかし、どちらも生産と整備に苦しんだ。部品の精度が出ない、材料が手に入らない、整備に手間がかかる。前線の飛行場では、液冷エンジンの扱いに慣れた整備員が足りず、稼働する機体が少なくなりがちだった。

飛燕から五式戦へ｜エンジンの載せ替えが示したもの

液冷と空冷の違いを、これほどはっきり示した出来事はないだろう。

飛燕の性能向上型のために作られた液冷のハ140は、生産が大幅に遅れた。その結果、機体はできているのにエンジンがない、いわゆる「首なし飛燕」が工場にずらりと並ぶことになった。

そこで陸軍は、この機体に、空冷の星形エンジンであるハ112-II（海軍名・金星）を積むことにした。細い液冷エンジン用に作られた機首に、太い星形エンジンを取りつけるのは、簡単な工事ではない。それでも完成した五式戦闘機は、扱いやすく、稼働率も高く、パイロットたちから高い評価を受けた。

同じことは海軍でも起きた。彗星も、液冷の熱田に苦しんだ末、三三型で空冷の金星に載せ替えている。

この二つの載せ替えは、「液冷が劣っていた」ことを意味するわけではない。液冷エンジンそのものは、スピットファイアやP-51が示したように、とても優れた選択肢だった。問題は、日本がそれを十分な数と品質で作り、整備し続けられなかったことだ。エンジンの優劣は、性能表の数字だけでなく、作れるか、直せるかで決まる。五式戦は、そのことを教えてくれる機体だと私は思う。

冷却の工夫｜それぞれの弱点を補う

空冷も液冷も、それぞれの弱点を補うための工夫を重ねてきた。

空冷の工夫

• カウルフラップ：エンジンを覆うカバーの後ろの縁を開け閉めして、冷却の風の量を調節する
• 強制冷却ファン：プロペラの後ろにファンを置いて、風を強制的に送り込む。雷電やFw190A型が使った
• 複列化の工夫：2列目のシリンダーにも風が当たるよう、1列目と互い違いに配置する

雷電は、空気抵抗を減らすために機首を細く絞った結果、エンジンを冷やす風が足りなくなり、強制冷却ファンを必要とした。空冷の機体でも、空気抵抗と冷却のせめぎ合いは避けられなかったのだ。

液冷の工夫

• ラジエーターの配置：機体の下や主翼の付け根など、空気抵抗の少ない場所に置く
• ラジエーターで推力を得る：アメリカのP-51は、ラジエーターで温められた空気を後ろに吹き出すことで、ラジエーターの空気抵抗の一部を推力で打ち消す設計にしたと言われる

P-51ムスタングが長い航続距離と高い速度を両立できた理由の一つが、この液冷エンジンとラジエーターの設計の巧みさだった。

空冷と液冷、どちらが優れていたのか

結局、どちらが優れていたのか。私の答えは、これまでの記事と同じく「条件による」だ。

高い高度での速さを追求するなら、細くまとめられる液冷が有利な場面が多かった。スピットファイアやP-51、Bf109がその代表だ。一方で、アメリカのR-2800のような大出力の空冷エンジンは、P-47やF6F、F4Uを第一線の戦闘機に押し上げた。空冷でも、十分な出力と工夫があれば、液冷に負けない戦闘機は作れたのだ。

そして日本のように、精密な加工や材料、整備の人手が限られた国にとっては、空冷を主力にするのが現実的な選択だった。空冷か液冷かは、技術の優劣ではなく、その国の産業と戦い方に合わせた選択だったと言える。

今に残る空冷と液冷

戦後、戦闘機の主役はジェットエンジンに移り、ピストンエンジンの空冷・液冷の争いは表舞台から消えた。それでも、この違いは今もあちこちに残っている。

小型のプロペラ機の多くは、今も空冷の水平対向エンジンを積んでいる。軽く、整備しやすいという空冷の長所が、今も生きているのだ。

陸上自衛隊の戦車にも、空冷と液冷の違いがある。74式戦車は三菱の空冷の2サイクルV型10気筒ディーゼルエンジンを積み、90式戦車は同じく三菱の水冷の2サイクルV型10気筒ディーゼルエンジンを積む。どちらもV型でありながら、冷却方式が違う。ここでも、冷却方式と配置は別の話なのだ。

ちなみに、零戦や隼の栄、疾風や紫電改の誉を作った中島飛行機の流れをくむSUBARUは、今も自動車で水平対向エンジンを作り続けている。こちらは水冷だが、シリンダーの並べ方にこだわる伝統は、戦前から続いているとも言える。

模型で「首なし」の謎を確かめる

液冷と空冷の違いをいちばん実感できるのは、飛燕と五式戦を並べることだ。同じ機体に、細い液冷エンジンと太い星形エンジン。機首の形がまったく違うのに、胴体から後ろはほとんど同じ。この2機を並べると、エンジンの載せ替えがどれほど大きな工事だったかがよく分かる。

よくある質問

まとめ｜冷却と配置を分けると、エンジンが読める

空冷と液冷は、エンジンの熱をどう逃がすかの違いだ。星形、V型、直列、水平対向は、シリンダーをどう並べるかの違いだ。この二つは別々の軸で、たまたま「空冷×星形」「液冷×V型」の組み合わせが多いだけなのである。

日本が空冷を主力にしたのは、技術の遅れというより、産業の事情と戦い方に合わせた選択だった。そして、液冷の飛燕が空冷の五式戦に生まれ変わった出来事は、エンジンの価値が性能だけでなく、作れるか、直せるかで決まることを教えてくれる。次に戦闘機の機首を見たら、「冷やし方は？並べ方は？」と二つに分けて考えてみてほしい。日本の軍用エンジンの今の担い手については日本の軍用航空エンジンメーカーでまとめている。

最後まで読んでくれてありがとう。長い記事を書くときのお供は、だいたいこれだ。

出典・参考資料

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