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有冷才會久 冷卻系統強化概論


刊登時間: 2013/07/09

要想讓引擎隨時保有最佳的戰鬥力,關鍵即是在於冷卻系統的散熱能力是否充足,而隨著炎炎夏日高溫不墜,大家也有必要強化愛車的這一方面性能,為即將到來的酷暑挑戰做準備,這一次我們便就此部份的改裝做說明,告訴讀者們相關的專業知識。

車上冷卻系統負責將引擎產生的高熱帶走,又需考量工作溫度不可太低,盡 量維持恆溫狀態,因此早已發展出諸多設計,來達成此目地,其中又以節溫器與風扇作動時機 的控制最常見。

散熱性強化基礎
從水冷系統做起
引擎動力的產生,可說是壓縮爆炸後的熱能轉化成機械能而來,通常在這個轉換的過程中,最好狀態也只有1/3能量變為有效的動力輸出,其餘2/3則是剩餘熱量等待排除。如果這時不馬上有效率的散發此熱量,待其累積至相當程度之後,勢必會造成汽油預燃爆震、破壞機油油膜喪失潤滑性、活塞等機件過度膨脹阻礙運轉的不良現象,這樣一來輕則減損馬力,嚴重時還有可能損傷到汽缸週圍零件,因此高溫乃是引擎的最大敵人。

渦輪引擎由於工作溫度較自然進氣引擎高出許多,因此對於冷卻系統的強化 需求性相對高出許多,要維持引擎輸出穩定,從冷卻系統來著手準沒錯。

就一般車用的水冷引擎設計來看,其散熱過程首先是由和機件相接觸的機油吸收熱量,然後再藉著水循環帶出達成冷卻與安定油溫的目的,所以進行整體溫度的降低,基本面就是要從水冷部分下手。水冷系統的作動,大致是從正時皮帶或外加皮帶驅動水泵浦,使冷卻水能在汽缸的水套內流動帶走高溫(小循環);接著當水溫高到一定程度時,位在引擎進水口、俗稱水龜的「節溫器」即會打開,從下水管引入經水箱散熱後的冷卻水行大循環動作;此刻假使溫度仍然高居不下,水箱風扇同時將隨之運轉以強制散熱。

筆者手上拿的這顆便是俗稱水龜的「節溫器」,其功能就像一個溫控水龍頭 ,低溫時關閉讓冷卻水只在引擎內部小循環,以加快昇溫速度,高溫時則逐步開啟,讓冷卻水 開始大循環到水箱,以達到散熱作用。

通常來說,原廠的冷卻系統在正常範圍內,都能夠達到有效的降溫要求,不過若因外在氣候酷熱、交通環境擁擠、持續爬陡坡、激烈操駕或者是引擎出力經過大幅提昇,使得總和熱量超過其負擔時,便一定會有過熱的問題出現。因此改裝車、性能狂、非亞熱帶規格的車型,均有必要在這方面做強化,藉此獲得應有的耐久性和動力輸出。

想要準確掌控水溫,唯有加裝水溫賽車錶才能達成,原廠的水溫錶一旦超過 2/3的刻度,水溫通常都已經破百度,不太具有參考價值。

水冷升級第一步
提高冷卻水沸點
由前述的水冷運作型態觀之,要強化其能力也不外乎是自水泵浦、水龜、水箱、風扇等處著手,但這還是要視過熱的程度來決定改裝項目,不然加強過度導致水溫過低,亦容易因熱效率不足而發生積碳、耗油、磨損、發揮不出原有馬力的負面影響。引擎有沒有過熱的狀況,最簡單的判定法就是觀察水溫錶,原車水溫錶的感知器儘管是裝在最靠近水龜的地方,以利於讀出接近引擎的正確溫度,但很可惜的是其多半沒有刻度且非常不靈敏,因此若指針超過一半的位置,實際溫度就真的很高,有必要做適當的水溫管理了(追加水溫計的正常溫度是80~90℃)。接下來我們就針對不同的狀況,告訴大家改裝上的對應方法。

看似沒什麼的水箱精,卻有許多重要的功能,例如:提高沸點、防鏽、潤滑 水泵浦、抑制氣泡與抑制水垢產生等,都是確保冷卻系統長治久安的要點,因此一定要加水箱 精,買比例已經調配好的來使用最方便。

水能夠做為冷卻的介質,主因便是它為容易大量取得的液體中,屬於比熱最高的一種(純水1.03)。比熱高的優點是吸熱快、放熱也快,很快將熱能吸收並很快的降溫,可是相對於引擎發出的高熱,其先天的100℃沸點則很容易到達,進而因汽化沸騰失去原有能力,故水箱頂部必有一加壓蓋存在,利用密閉空間內溫度與壓力成正比的關係提高沸點,且水箱精中亦會加入提昇沸點的物質。所以加強散熱性的第一步,便是更換附硬式彈簧的「高壓水箱蓋」、使用性能佳的「水箱精」,藉此讓冷卻水有更恆定的表現。

因為一旦水開始沸騰,就不具有帶走高熱的功能,因此透過高壓水箱蓋,提 昇密閉空間內壓力,來提高冷卻水的沸點,將能使冷卻水工作溫度極限更高,不過購買時要確 認大小頭問題。

提到水箱精的配方上,它除了含有提高沸點的成分以外,還具備防鏽、抗凍、潤滑水泵浦、抑制氣泡、改變升降溫性質(升溫慢降溫快)等添加劑,因此水箱精的自身特性可說非常重要,需好好加以選擇。水箱蓋的部分,原廠製的壓力多為0.9~1.1kg/c㎡,街道強化用的在1.3-1.5kg/c㎡之間,競技專用品則會到達1.7kg/c㎡ Over,建議讀者最好是選擇1.3kg/c㎡左右的型式,以免因壓力過大發生水箱龜裂、爆水管的情形(特別是上水櫃/上水管處)。

 

低溫水龜/風扇開關
小小零件效果絕佳
在整個散熱系統中,負責冷卻水大小循環控制的節溫器,自然是改善水溫的另一大關鍵點,能夠有效將其作動溫度提前,必定對引擎散熱有不小的助益,所以透過低溫水龜的換裝,也能提昇冷卻效率。談到水龜的構造原理面,其乃是先靠柱芯的銅鐵兩種金屬熱耦感溫,然後因兩種金屬的感熱度不一,當水溫變高時互相牽扯帶動頂部的頂針,使彈簧上拉打開主閥門,並下推尾部旁通閥門關閉小循環(按溫度高低漸進)。通常原廠水龜的開啟溫度多在80℃附近,改裝品則為60至70℃之間,特別是這種水龜的主閥門內徑和開度皆會增加,也很容易就達到全開的程度,可想而知水循環的效能比原廠好上太多。

原廠節溫器開啟的溫度大約在84度左右,而改裝品大約在72度就會打開,對 於工作溫度高的渦輪車或重度改裝車非常適合,不過如果是原廠車的話,不推薦使用,因為會 讓引擎常時間處於冷車提速狀態,容易產生積碳、耗油的問題。

同樣是位在水龜附近的風扇開關(此點最接近引擎實際溫度),假使可提早啟動配合低溫水龜一起運作,必然更能發揮整體散熱效果。風扇Sensor的類型依車種可區分為直接開關的斷路式,以及傳回電腦由ECU控制的開路式;前者的修改很簡單,僅要更換內部電阻值變更的改裝對應品,或是流用轉接其他車款的溫控開關,即可將風扇作動點從原廠的93度變為較低的85-78度。而以往幾乎是不能變動、只能靠外加手動開關另行控制的後者,現在也有應用增減水溫信號來設定風扇動作溫度的電裝品,這種追加電子控制器的產品,好的會有很大範圍且明顯的調整點,壞的則是不管怎麼調設,從頭到尾風扇幾乎都一直運轉,建議大家在選購時要多聽多問,才不致出現改裝後風扇馬達損壞的弊病。高壓水箱蓋、低溫水龜、低溫風扇開關這三項看似微不足道的小零件,結合後對提昇散熱性可說有相當大的幫助,比原廠略低一點的溫度,可獲得較佳的扭力及油耗表現,飆山路亦不致後繼無力,所以我們極力推薦大家改裝此三種產品。

大幅強化冷卻系統的最佳方法就是更換加大水箱,透過增加冷卻水量與散熱 面積的方式,來提高冷卻水的交換效率,對於水溫的恆定有絕佳幫助。

大容量水箱增加恆溫性
加大迎風面優先於增厚

由精密金屬機件所組成的引擎,基本上並不容許熱漲冷縮造成間隙忽大忽小,因此對冷卻系統的要求除散熱以外,更要能夠保持恆溫的特性,而真正維持水溫恆定的零件,主要還是在於儲水的水箱。冷卻水恆溫性的提高,大方向即是建立在增加水箱容量,水箱容量一旦加大,相形熱容積便得以提昇,也就不易讓溫度瞬間升高或降低,因此大馬力改裝車幾乎都會裝置大容量水箱。加大水箱的實施不外乎是從增加面積與厚度著手,不過礙於空間不允許的關係(會犧牲掉冷排),道路用車多半僅加厚水箱,但事實上加大迎風面應優先於增厚,以提高散熱排的總面積,畢竟水冷熱交換的對象還是來自於空氣。至於增加水箱的厚度上,三排水箱的厚度便是單排的三倍,也就是三排水箱是疊上三層的散熱排,故自加水口看進去會有三個冷卻水扁排相疊,容量自然亦為單排水箱的兩倍多。

有些水箱安裝在水箱架後方的車輛,因為撞風氣流會從水箱與車體架子間的 空隙竄出,導致通過水箱鰭片的氣流量有所減少,因此有些細心的車主會另外使用集風罩來補 強此缺點。

再過來相關於水箱的製作素材,不論原廠還是改裝品,都只採用傳熱速率佳的鋁跟銅兩大類。鋁質和銅質水箱的整體特性比較是:鋁製品堅固耐久且輕量、美觀;而銅製品則正好相反,有著重量偏高、不耐壓易變形、容易鏽蝕等缺點,雖然銅的導熱性比鋁還要好,在散熱面上勢必較有利,不過在散熱排迎風面積一樣的狀態下,其實兩者和空氣熱交換的效率並沒有多少差距。

雖然目前加大水箱多為鋁合金材質,有著重量輕、美觀的優點,不過筆者卻 比較偏好銅製水箱,不只價格實惠許多,且日後破損還能修補,至於散熱效果則以厚度來補強 。

很多玩車的朋友都知道,想便宜買到加大水箱就是至坊間的水箱店訂製純銅品,銅水箱能夠價廉不單單是材質本身的緣故,製作上也因乙炔錫焊簡單不少,不似氬焊鋁水箱需要頗困難的技術(這是其昂貴的主因,價格要高出銅製品數倍);而由於銅質本身即較軟,加上焊接方式又不夠緊密,在使用超高壓水箱蓋的場合時,很有可能就會讓結構扭曲,並且其易衍生的銅鏽對水循環亦不太好,所以銅水箱應二至三年左右便該更新一次。

使用加大水箱當以加大撞風面積為主,在不得以狀況下才以加厚來取代,有 些車輛Honda K8車款,還可留用同廠牌16V車款的同製加大水箱,效果可不輸進口貨,缺點是冷 排的安裝位置可能要修改一下。

而冷卻水最後的散熱,無論如何都是要透過水箱散熱鰭片接觸空氣,因此有效利用風扇強制散熱,也是加強冷卻的不錯辦法,除了能以低溫風扇開關,提早其作動點外,也可以使用更強力的馬達、改變風扇葉片型式、增加葉片直徑(須配合水箱)、追加風扇等方法做提昇。不過因為現在的原廠風扇設計都十分優秀,如恆溫多段風扇、並列兩顆風扇、直置前吸後抽雙風扇種種的設置,所以不太需要在此特別提高風扇性能,除非萬不得已、馬力改的很大時。

市面上還有一個名為「消泡桶」的產品,可減少水道內的氣泡,讓冷卻水的 循環速度更快些,對於冷卻效率提昇相當明顯,在日本則有些店家自己製作,安裝重點在於固 定位置需在整個冷卻水道的最上方,才能使氣泡向上集中於此。

降低機油溫度
確保油膜潤滑性
前面說過水循環的目的是針對冷卻機油而來,不難想見水溫變低則機油溫度亦可隨之下降,話雖如此可是實際上油溫的表現比水溫更加重要,因為它還牽涉到潤滑性、油壓、氣密性等的確保,所以提昇水冷效率的同時,經常拉轉速的人或是馬力改較大的車輛,都有必要在機油冷卻降溫這方面加以強化。就跟水溫的要求相同,油溫也是儘可能的維持住恆溫性較好,因此提昇上亦好像加大水箱一般,要以容量的增多來抑制溫度上升,接著再藉由散熱排大量放熱,進而獲得穩定的油溫,所以機油冷卻器便為必要加裝的零件。機油冷卻器尺寸的大小,通常是以排數多寡做為區分,這個排數便是計算其正面橫散熱排的數目,規格自最小的7排到最大的50排不等。一般7排、10排的型式是給K-Car派的迷你車或自排油Cooler所用,2.0升以下的車種大約是適合13排到19排,再大的車款或高性能大馬力車至多也只要用到30排左右,超過則是專門對應機油泵浦強化過的賽車。

 

一樣是要藉空氣帶走熱量的Oil-cooler,安裝在撞風處自然為最佳狀態,但遇到前置大型Inter-cooler而沒有保桿空間的狀況時,亦可以裝設在內輪弧(須開孔)等空氣流通的地方,方法就在於自己的巧思了。裝置機油冷卻器的油溫降低程度,高速公路平順行駛約可平均下降15到20度左右,山路全力操駕時也能有效防止油溫上升(油溫升高後就很難再掉下來),這樣一來機油的性能便易於維持在顛峰,油壓同時因溫度安定不會低落,對引擎的耐久性、Turbine軸承、可變氣門之油壓電磁閥都有好處,馬力也因此能完全發揮出來。

有些使用加壓水箱蓋的車主,會另外將水管換成矽膠材質的強化品,目地在 減少爆水管機會,同時也可增加引擎室內的美觀性,不過購買時要慎選品牌。

提早風扇啟動時機也能增加冷卻系統的散熱效率,最簡單的作法就是透過市 面上販售的風扇控制器來達成,該電裝品還可顯示水溫、油溫與電壓值,售價大約在2千多元, 是相當值得推薦的改裝品。

大約2年更換一次冷卻水,是確保水道內不易產生水垢的最佳方法,水垢一旦 過多,將會影響冷卻水的熱交換速度,導致冷卻系統無法發揮效果。

有些日系渦輪車,原廠還會額外加裝中冷器灑水裝置,以進一步降低進氣溫 度,對於降低引擎工作溫度也有正面的幫助。

想要明顯降低機油溫度,最直接的方式就是加裝機油冷卻器,排數大約13/16 排,不過要慎選廠牌,且油管的配置與接頭的設計,也要盡量使用大口徑與鋁合金彎管接頭, 才能減少油壓的衰減。

如果車頭前方沒有安裝機油冷卻器的位置,也可以考慮裝在輪弧內,最好在 加上導風板,如此機油溫度將可大幅降低下來。

有些機油冷卻器的轉接座會採用機油濾芯外移式設計,可方便日後保養,且 有助油溫散熱,不過安裝時要注意機油流動方向不可裝錯。

對於比賽速度不高,卻經常高轉速運轉的甩尾車,可透過加大油底殼增加機 油量的方式,來維持機油溫度的恆定,並且避免高速橫移時,吸不到機油。

自排車可考慮加裝自排油冷卻器,可有效降低自排油溫,對於傳輸效率的維 持,有著非常大的幫助,不過安裝時要注意油壓降低造成的換檔頓挫情況,建議不要使用排數 太多的冷卻器。

對於重度改裝的後輪驅動車,國外也有廠商開發後差速器專用的齒輪油散熱 套件,可減少LSD差速片因油溫過高而失去差速效果,不過這已算是相當競技的改裝品。