引擎冷卻系統:氣冷、水冷、油冷

引擎冷卻方式-熱的產生與傳遞

  • 引擎是透過燃料燃燒,藉由氣體膨脹產生壓力推動活塞來產生動力
  • 現在的內燃機架構,大約只有不到30%的燃料用來產生動力,其他70%以上的燃料都是轉變成「熱」
  • 如何將大量的「熱」散發掉,以免燒毀引擎,就是一門很大的學問。
「熱」的產生
  • 絕大部分的熱都是在汽缸的燃燒室產生,油氣進入燃燒室經由火星塞點火後,藉由汽缸壁、活塞、氣門、火星塞、機油、廢氣等等介質,往四周傳遞出去,最終傳到引擎四周相對很冷的空氣裡
  • 機件運轉摩擦所產生的熱
「熱」的傳遞
引擎裡熱的傳遞,都是由燃燒室(汽缸)向四周傳遞,最後由周圍的空氣帶走。
  • 因為這些熱最終都要由空氣帶走,這時空氣的熱對流係數就很重要,畢竟這是能將熱帶離引擎的最大值
  • 唯有增加散熱面積才是引擎冷卻設計最重要的課題。
熱的傳導,因為介質的不同,帶走熱的大小也不同
  • 帶走最多熱的當屬排放的廢氣(熱的來源)
  • 其次是導熱良好的鋁、鐵、銅等金屬零件,這些金屬零件直接接觸爆炸,能帶走數量可觀的熱
  • 再來就是機油,雖然導熱性與比熱都不怎麼優,但機油直接在這些高熱金屬零件中穿梭,因此也帶走不少的廢熱
「氣冷、油冷、水冷」,就是在探討這些傳遞物質的不同

引擎冷卻原理

  • 活塞主要是藉由噴射、或由曲軸甩至活塞底部的機油進行冷卻,這就是規格表上常見的「噴射與飛濺並用」的意思。
  • 無論氣冷、油冷、水冷引擎,都是這樣的設計。
  • 機車的引擎都是氣冷的,只有水上摩托車的引擎才是正港「水冷」
氣冷、油冷雨水冷示意圖

氣冷引擎

  • 氣冷(又稱作金屬冷)引擎的汽缸是直接透過引擎的金屬零件將大部分的熱傳遞到空氣裡,直接接觸空氣來冷卻
  • 汽缸本體上設計許多散熱片,藉此增加引擎本體與空氣接觸的表面積,讓引擎的熱量導出後再隨氣流經散熱片的空氣帶離
  • 強制氣冷的設計:散熱片旁另外加裝風扇,強制增加空氣流動以帶走熱
  • 大家常看到的速克達,就是強制氣冷的設計

氣冷引擎優點

  • 零件少,構造簡單不複雜,重量相對較輕。
  • 冷卻系統不會故障。
  • 沒有冷卻用的Pump所以不會吃掉馬力,是最簡單有效的設計。
  • 成本低、日後維修保養方便

氣冷引擎缺點

  • 不易控制理想的引擎工作溫度:等紅燈時溫度高,而行進間降溫快,導致引擎工作溫差大,因此零件的間隙要比較大,以預留熱漲冷縮的空間。
  • 散熱不均勻:這種狀況在多缸的引擎中最為明顯
  • 氣冷引擎受限於散熱面積(散熱片)較小,以致無法做出更高性能的引擎
  • 當引擎持續以較高的溫度運轉,就比較容易出現機油劣化速度加快、引擎機件易磨損等狀況,也因為氣冷式必須外露的關係,引擎噪音也比有水套包覆的水冷式要大聲

油冷引擎

  • 氣冷之外,利用原本就有的機油,來加強氣冷不足的散熱效果(氣冷引擎強化散熱版)
  • 大排氣量的氣冷引擎與油冷引擎,外觀看起來好像只有油冷排的大小不一樣的差別而已
  • 油冷引擎有兩套油路
  • 潤滑油路:構造就跟一般引擎一樣;
  • 冷卻油路:專門冷卻「火星塞四周」,汽缸頭多了兩塊棕色物體,那就是冷卻油路冷卻火星塞四周(燃燒室頂端)的地方。
  • 因為有冷卻油路,所以稱之為「油冷」引擎,本質上還是一顆氣冷引擎。

油冷引擎缺點

  • 利用原本就有的機油與機油幫浦,並沒有增加太多重量,就能得到比氣冷引擎好一點的散熱效果
  • 散熱效果明顯、故障率低,機油溫度低可以減少機油高溫粘稠度降低

油冷引擎缺點

對發動機機油量有限制,機油散熱器不能過大,過大機油會湧入機油散熱器導致發動機底部潤滑不足。
  • 一般油冷要使用較多的機油,成本太過高昂
  • 以XJR1300與GSX1400來比較:
XJR的機油容量是4.2公升,換機油時的交換量是2.8公升,加換由蕊要3.15公升;GSX的機油容量是5.7公升,換機油時的交換量是4.2公升,加換由蕊要4.8公升。

水冷引擎

  • 水的比熱大、熱傳導性質、黏滯度、穩定性、成本等,在流體中都很適合拿來當作冷卻的媒介。
  • 水冷引擎在燃燒室的四周與上方都增加了冷卻水道的設計,利用為傳遞媒介,將熱帶到散熱水箱,最後再傳遞到空氣裡面去。
  • 增加散熱面積的重點在於「散熱水箱」(熱交換器),散熱水箱上密佈著散熱片,高級水箱甚至會用上銅(導熱效果更好),將熱傳導與熱對流的效率極大化。
  • 無論引擎的形式為何,只要散熱水箱設計得當,擺在最理想的撞風位置,就可以發揮平均且效率高的散熱效果。
  • 水冷系統多設計有節溫器(水龜)、輔助風扇等設備來維持較為平均的水溫,可將引擎工作溫度保持在最適當範圍內。

水冷引擎優點

  • 散熱效果好。
  • 冷卻水箱的形狀設計的自由度高,對於車型設計上也給予了較多的彈性。
  • 維持引擎工作溫度保持在最適當範圍,適合高性能引擎

水冷引擎缺點

  • 成本高,結構複雜,故障率高,因為有外置水箱占用空間也大
  • 水幫浦、冷卻水箱、管路、冷卻水等增加了機件的複雜度與重量,讓水冷系統有許多失效的可能。
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一位在因緣際會之下,動了想去紐西蘭的念頭,卻陰錯陽差跑到澳洲打工度假的背包客。 脫離台灣世俗的期待,踏上打工度假的不歸路,第二人生正式在澳洲啟航。 如果人生很短,那青春就是短暫一瞬間,屬於你的第二人生,下一站在哪呢?還沒開始的理由,又是什麼呢? 歡迎來到我的澳洲故事館,分享我在澳洲的旅程故事。
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