冷却系统

第六章
冷卻系統
第一節 冷卻系統概述 6-1-1 冷卻系統的功能： 一、冷卻系統的功用： 引擎燃料燃燒產生的熱量高達4,500℉(2,500℃)，有約20％轉變成機械 能，40％由廢氣帶走，40％要靠冷卻系統發散冷卻，若熱能轉為機械能愈多 時，則可以愈省油，一般需保持引擎的正常工作溫度，約 70℃～110℃，為 使維護引擎的潤滑及燃料系的正常功能，則可延長引擎各機件的壽命。 二、若引擎太熱時產生的不良影響有： 1.機件容易軟化加速磨損、尤其汽門最易燒壞。 2.進氣的體積膨脹，進氣量變少而降低容積效率，馬力亦隨之降低。 3.混合汽在汽缸內，容易產生預燃、自燃的現象而爆震，引擎無力。 4.機油易被燒掉，消耗量大，且粘度降低而造成潤滑不良。 5.燃料系統易生汽阻，而造成供應不良，混合汽太稀，馬力降低。 三、若引擎太冷時產生的不良影響有： 1.汽缸內的混合汽汽化不良，易燃燒不完全，且易浪費燃料。 2.混合汽燃燒不完全及凝結，易沖淡曲軸箱內的機油。 3.機油因低溫的影響，使流動性降低，易造成機件潤滑不足而磨損。 6-1-2 冷卻系統的分類與構造 目前引擎的冷卻方式可分為： 一、氣冷式引擎(air cooling type) 1.利用汽缸蓋及汽缸體之散熱片，可以增加散熱面積，空氣流通後帶走較多熱 量，如圖6-1。 2.許多氣冷式引擎裝有圍板及鼓風機，可以促進引擎四周及汽缸蓋上部之空氣 循環。 3.冷卻方法分為自然冷卻式及強制冷卻式。 4.優點： (1)構造簡單，成本低，同排氣量之引擎，重量較輕。 (2)保養容易，且機件不易損壞，故障少。 (3)溫熱時間短，故燃燒的生成物凝結於汽缸壁上的時間短，故產生的腐蝕 較少。 (4)熱能受冷卻較小損失，故熱效率較高，。 5.缺點： (1)冷卻的效果較差。 (2)容易造成過熱，故負荷的耐久性差。 (3)空氣流動的噪音大，無冷卻水的吸音效果。 (4)因冷卻效果差，汽缸內的溫度較高，故活塞與汽缸壁的間隙設計需較大， 易造成機油的消耗量大。 (5)壓縮比較低，燃料消耗量大。 (6)汽缸內的溫度高，容積效率差，故較同排氣量的引擎輸出力小。
圖6-15
附副水箱之散熱器
七、水泵(water pump) 1.功用： 使水不斷地在系統中循環。 2.構造： 軸以密封式的雙排滾珠軸承(可防水)支撐於泵殼上，而軸另一端連接於 輪轂，與皮帶盤(pulley)及風扇(fan)固定為一體，再由引擎的皮帶盤上的皮 帶所帶動，現在的水泵種類以離心式水泵居多，如圖6-16。 3.離心式水泵(centrifugal type pump) (1)構造： .小型車水泵用的水泵軸承是採封閉軸承，故一般無須潤滑，但大型車仍須 定期潤滑。 .泵上葉輪葉片作成彎曲形狀，增加水之離心流速。
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(4)熱能受冷卻損失較多，熱效率較低。 6-1-3 各部機件的構造與功能 水冷卻系通常包括風扇及皮帶盤，水泵、水套、節溫器、水管、水箱(散 熱器)、溫度錶、冷卻水及防凍劑等組成，故在以下一一介紹。 一、風扇(fan)：如圖6-3 1.功用： 將冷空氣吸入水箱散熱片，使水箱水管中的熱水溫度降低，下降至水箱 底部。 2.特點： (1)引擎的風扇通常裝於水泵軸上，由水泵及發電機上同一皮帶驅動。 (2)風扇葉片之間隔及曲折角度不同的目的在為減少噪音與提高風扇的轉速 (約為引擎的0.8～1.4倍)。 (3)引擎帶動的風扇會消耗動力約引擎輸出動力之5％，亦隨轉速而增加。 (4)有些風扇裝有風扇護罩(radiator shroud)，可增加風扇的性能，防止熱 空氣的滯流循環。
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圖6-4 風扇液體接合器
圖6-5 自動離合風扇 (2)自動離合器風扇(fluid clutch fan) .構造： 一組風扇接合器總成及一片離合器摩擦面所組成，如圖6-5。 .功用： 可使剛起動、冷天及輕負荷行車時，使引擎能很快到達工作溫度，並 可減輕消耗之動力。 .作用情形： (A)測得通過水箱後的空氣溫度，當空氣溫度高於150℉(65℃)，利用裝在風扇 接合器總成內的矽油受溫度膨脹而將壓板推出壓緊風扇之離合器一起回轉， 產生散熱作用，如圖6-5。 (B)當空氣溫度低於150℉(65℃) 時矽油收縮，離合器面鬆離；使風扇轉速降 低，皮帶盤空轉。 4.電動風扇(electric fan) (1)構造：
圖6-18 小循環及大循環情形
圖6-19 摺盒式節溫器的作用 3.摺盒式節溫器(bellows thermostat)： (1)構造： 摺盒用薄銅片製成，裏面填充沸點較低的液體(通常為乙醚)，摺盒與活 門相連接，如圖6-19。 (2)作用： 利用乙醚(ether)低溫時液體、高溫時汽化的體積變化，於控制開關在60 ℃(140℉)以上時活門作用打開，於75℃(180℉)為最大開度，但此式節溫器對
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圖6-1 氣冷式引擎的外觀
圖6-2 水冷式引擎 二、水冷式引擎(liquid cooling type) 1.構造組成： 由風扇及皮帶盤，水泵、水套、節溫器、水管、水箱(或稱散熱器)、溫度 錶等組成，如圖6-2。 2.冷卻水循環路線： 下水箱→進水管→水泵→引擎本體水套→汽缸蓋水套→節溫器→出水管→上 水箱→水箱水管→下水箱。 3.優點： (1)冷卻作用穩定有效率。 (2)引擎噪音小。 (3)可適用多缸引擎。 (4)壓縮比可較大，同單位排氣量的動力輸出大。 4.缺點： (1)構造複雜，成本高。 (2)機件多且消耗引擎的動力，故障率較高。 (3)溫熱時間長，故溫車時燃燒的生成物易凝結，產生的腐蝕較多。
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由風扇馬達及一組控制電路所組成，控制電路中有一溫度開關及繼電 器，溫度開關(thermostatic switch)通常裝於水箱下方測得下水箱 內的水溫狀況，繼電器屬於常閉型的接點(即接點平時閉合)，如圖6-6。 (2)作用： .主要為利用溫度開關控制電動風扇作用。 .當測得水箱水溫高於200℉(92℃)以上時，則溫度開關接點打開，使繼電器 的線圈不通電，則繼電器接點閉合，馬達通電而轉動。 .當測得水箱水溫低於188℉(87℃)以下時，則溫度開關接點閉合，使繼電器 的線圈通電，則繼電器接點被吸打開，使馬達不通電而不轉動。 .若控制電路中的溫度開關斷路時，則繼電器因為為常閉接點，則馬達仍可轉動， 而不致造成無法冷卻，如圖6-7。 .電路流程： 電瓶⊕→點火開關→引擎主繼電器5、內線圈、3→Θ，使主繼電器1、2接通。 ＼ ↘→風扇繼電器1、內線圈、2→溫度開關→Θ，由溫度開關控制。 ＼ (若溫度超過設定值時，溫度開關開，風扇繼電器3、4接通) ↘→引擎主繼電器1、接點、2→風扇繼電器3、接點、4→風扇馬達→Θ (3)優點： .可節省引擎的動力。 .可降低噪音。 .可省去風扇皮帶的傳動故障及檢查、調整。 .水溫於低溫時，風扇可不轉動，溫車時間短。
圖6-8 皮帶
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三、水管(hose) 引擎水套與水泵、水箱之間是利用橡皮撓性軟管所連接，通常外層以編織的 尼龍線包覆或內層襯以鋼絲，所使用的軟管直徑也隨引擎大小而不同，再用夾子 給與固定，一般型式有二種：螺絲上緊式(screw tightened type)與扣緊式 (snap type)，如圖6-9。
圖6-13
壓力式水箱蓋構造
(3)附減壓式散熱器蓋： 可防止溫度過高，事先將壓力蓋打開蒸氣溢流貯存箱，防止散熱器水噴出 造成危險，如圖6-14。
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圖6-14 槓桿減壓式散熱器蓋之作用 六、副水箱(expansion tank，又稱膨脹水箱)： 1.功用： 防止冷卻水流失，作為主水箱冷卻水收縮膨脹之用。 2.作用：如圖6-15 (1)當引擎水溫提高時，水箱冷卻水膨脹推開水箱壓力蓋中的壓力閥，而經輸送 管流入膨脹水箱中。 (2)當引擎熄火水溫降低時，水箱冷卻水收縮吸開水箱壓力蓋中的真空閥，而經 輸送管吸入膨脹水箱的水至水箱中。 (3)通常蓋上有一ψ20mm的小孔，以保持大氣壓力。
圖6-17 水套及分水管 2.分水管： 分水管裝於水套內，因各汽缸與排汽門離水泵不等，故在水套中設有分水 管，通常出水孔對準較難冷卻的區域，保持各缸溫度避免局部過熱，如圖6-17 。 有些另加有噴水孔(water nozzle)，可使汽門座周圍的水流速加快。
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九、節溫器(thermostat)又稱調溫器 1.功用： 可縮短溫車時間，在低溫時節溫器關閉，冷卻水只在引擎內水套與水泵 間循環(小循環)使引擎快速達正常工作溫度，於高溫時節溫器打開，冷卻水經 水箱、水泵、水套循環(大循環)使能正常的冷卻作用，如圖6-18。 2.調溫器種類分為摺盒式(內含有乙醚)、蠟丸式、雙金屬熱偶式。
圖6-6 電動風扇配線圖
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圖6-7
電動風扇電路配線簡圖
二、皮帶(belt)及水管(Hose) 1.風扇皮帶有下列三種：如圖6-8 (1)V型皮帶(V belt) 皮帶之截面成V型，以合成橡膠及抗張力極高之尼龍繩製成，外面以帆布 被覆為過去一直使用之風扇皮帶形式，以皮帶與皮帶輪溝槽側邊之間的摩擦而 傳輸動力。 (2)加肋皮帶(Ribbed belt) 具有一系列數條的V型凸邊，其作用似一系列的小V型皮帶，用肋條或凸 邊楔入皮帶輪中之配合溝槽內，利用小凸邊與溝槽側邊之間的摩擦來傳遞動 力，一般可用一條蛇型皮帶即可傳遞更多的動力，為現在使用形式。 (3)帶齒皮帶(Toothed Belt) 以帶齒的正時皮帶驅動，不用皮帶輪而用鏈輪傳動。
圖6-10 板翼式、波翼式、帶狀蜂巢式水箱蕊子 3.散熱器中冷卻水流動分上下流動式(down flow)、橫流式(cross flow)，如圖 6-11、圖6-12。 4.冷卻水由上水箱流至下水箱，經散熱器芯子散熱後，溫度約可下降7～10℃。
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圖6-11 橫流式散熱器
圖6-12
上下流動式散熱器
五、水箱壓力蓋(radiator pressure cap) 1.功用： 為提高冷卻水沸點，減少冷卻水流失，一般使水箱內壓力較錶壓力大0.5 ～0.9kg/cm2，沸點可提高至110°～125°C (水表面每增加1kg/cm2 或1psi，沸 點約提高25 ℃或1.8℉)，故可使熱效率提高，冷卻量大，可用較小水箱，並 可使汽缸內的混合比分佈均勻，減少冷卻水的流失。 2.構造： 內有一壓力釋放閥(pressure-relief vale)及真空釋放閥(vacuum relief valve)，如圖6-13。 3.作用：圖6-14 (1)當水箱散熱器內部壓力大於設定值時，壓力釋放閥打開，高壓蒸汽及冷卻水由 溢流管(overflow hose)流出，若無法正常排壓時，則易造成水箱爆破而破裂。 (2)當引擎熄火停止時，冷卻水溫度漸降低，體積收縮後，散熱器內之壓力會低於 大氣壓力，若低於大氣壓力約0.03kg/cm2(0.5psi)時，則真空釋放閥打開，使 空氣或貯存箱中之冷卻水流入散熱器內，以防止散熱器或水管塌陷，並保持冷 卻水量。
圖6-9 水管及水管夾 四、水箱(radiator)又稱散熱器 1.構造： 上水箱、中央散熱器蕊子、下水箱、水箱蓋、冷卻水出入口、排放塞等 組成，散熱器蕊子通常由鋁或黃銅(brass)、銅(copper)製成。 2.散熱器蕊子(radiator core)構造種類：板翼式、波翼式、帶狀蜂巢式，如圖 6-10。
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.排水量與引擎轉速成正比，進水管接於水箱下水管直徑較大，而出水管接 於引擎的水套直徑較小，以防止高速時可能供給斷絕產生氣泡。 (2)作用： 當離心葉輪轉動時，則水受離心力的作用而拋出，排水量隨驅動轉速而 增大。
圖6-16 水泵 八、水套(water jacket)與分水管(distribution tube) 1.水套： 水冷式引擎需在汽缸體與汽缸蓋內留有水通道，以幫助冷卻，通常已先於 鑄汽缸體及汽缸蓋時即留有冷卻通道，不需特別的加工，如圖6-17。
圖6-3 鋼片風扇及塑膠風扇 3.引擎動力驅動風扇的傳動控制裝置分： (1)液體接合器(fluid fan) .構造： 由一組主、被動的傳動板組成，在主、被動板之間內充填有矽油 (silicone oil)，如圖6-4。 .作用： (A)由引擎皮帶盤驅動，引擎一發動風扇後開始轉動。 (B)皮帶盤轉動時，液體接合器中主動板隨之轉動，利用矽油之黏性使被動 板也跟著轉動，驅動風扇使隨著轉動。 (C)風扇之阻力與風扇速度成正比，矽油有一定黏性，故風扇到達一定轉速 後，速度即無法再隨皮帶盤升高。