汽車百科冷知識:風水冷內燃式熱機為什麼不採用「風冷」

2020-12-06 汽車科學島

知識點:燃油動力機動車裝備的發動機為「活塞往復循環式_內燃式熱機」,這是一種通過燃燒燃油產生熱能,將熱能通過活塞連杆曲軸結構轉化為機械能的機器。摩託車可以採用風冷散熱系統,汽車卻普遍使用水冷散熱,原因正在於「熱」的程度存在差異。摩託車的排量一般按照「cc/ml」計量,前者為體積單位、後者為容積單位,準備的公制計量方式應該用ml(毫升)。重機車撇開不談,絕大多數代步型與越野型摩託車的排量均為【≤250ml】的標準,如果不好理解的話則可以用0.25L-NA自然吸氣標註。

汽車的發動機似乎再小也要有「0.66L」,這是全球性能等級最低的日系Kcar的排量標準。國產汽車(涵蓋合資)的排量標準目前為「≥1.0L-NA/T」的標準,至此可以找到為什麼汽車不能僅用風冷的原因了。因為最小排量的汽車也是中等摩託車排量的4倍,性能理想的汽車會有8倍以上的排量差;排量指發動機進氣或排氣流體體積的綜合,排量越大進氣量越大,再看空燃比。

圖1:排量概念(氣缸數容積總和)

圖2:理論空燃比(14.7:1)

內燃式熱機的噴油量要按照進氣量的多少由ECU分析計算,因「空氣燃料比」是固定的,所以進氣量越多則噴油量越大,混合油氣的基數自然會更高。更多的燃油在更多氧氣的作用下必然會產生更高的熱能,但是這些熱能並不能全數轉化為動力;因為活塞的運動、機體的低溫以及進排氣壓力與溫度影響都會損耗熱能。正常的內燃機往往只能將35%左右的熱能轉化為動能,這叫做「熱效率」。

綜上所述,汽油燃燒產生的火焰溫度高達1200攝氏度,而機體的溫度遠低於這一標準。參考熱力學第二定律的描述,熱能會無序的傳導至低溫物體(或環境);也就是說機體會持續的吸收氣缸內的溫度,吸熱自然也是機體材料本身溫度的增長。摩託車裝備的內燃機排量非常小,燃燒產生的熱能基數不是很大,所以吸熱後通過外部氣流即可合理的均衡運行溫度,但是汽油產生10倍左右的熱能,僅依靠風冷還能有效散熱嗎?

汽車散熱系統

水冷系統_內部風冷系統_外部汽車裝備的大排量內燃機實際也有風冷系統,注意車頭散熱水箱後方的散熱風扇,這兩組風扇的實際作用並不是往前吹風為水箱散熱,而是往後吹風為機體散熱。

汽車在行駛中的最大行駛阻力為「風阻」,也就是車頭撞開環繞在地表的空氣產生的阻力;高速行駛的汽車會造成空氣(氣流)從格柵中網竄入引擎艙,水箱的散熱依靠的就是這些氣流。此時如果用風扇往前吹風,這是不是在增加行駛阻力呢?狀態實際就像是宇宙飛船的減速,噴調整角度「往前吹」不就是減速嗎?

總結:汽車電子扇的作用是為機體由外至內的降溫,但僅僅依靠風冷已經不足以滿足散熱。所以必須採用沸點很高的防凍冷卻液在缸蓋裡循環,流經缸蓋時吸收燃燒產生的熱能,之後到低溫散熱水箱中降溫後再次流入缸蓋,周而復始配合電子扇才能實現「大排量發動機」的恆溫,這就是汽車採用「風水冷」的原因。不過早期也有些車輛使用風冷,比如八十年代知名度極高的「菲亞特126p」,這臺排量為「0.653L」的直列雙缸發動機就是採用的風冷,其行駛品質回頭去體驗的話……

編輯:天和Auto-汽車科學島

責編:天和MCN

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