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 1
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 2
(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 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 3
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 : 4
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 6-6 電動風扇配線圖 5
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 6-8 皮帶 6
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 6-9 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 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 7
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/cm 2, 沸點可提高至 110 ~125 C ( 水表面每增加 1kg/cm 2 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/cm 2 (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 6-13 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 8
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 6-15 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 9
. 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 6-17 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 10
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 6-18 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 11
壓力敏感, 不適用壓力式冷卻系統, 故較少使用 圖 6-20 蠟丸式 4. 蠟丸式節溫器 :(wax pellet thermostat) (1) 構造 : 中央為一個銅質的缸筒, 內含充滿石蠟 (wax), 而缸筒與活門相接, 如圖 6-20 (2) 作用 : 當低溫時蠟丸為固體, 高溫時為液體, 體積變化而膨脹, 使缸筒移動而克服彈簧力量打開活門, 冷卻系統能正常的循環 ( 大循環 ) 圖 6-21 雙金屬彈簧式節溫器構造 3. 雙金屬熱偶彈簧式節溫器 (bimetallic thermocouple thermostat) (1) 構造 : 節溫器活門上彈簧, 由兩種不同的金屬片組成, 內層為青銅片, 外層為鋼片, 如圖 6-21 (2) 作用 : 當冷卻水低溫時, 彈簧捲緊使活門保持關閉 ; 當水溫高時, 由於內層青 12
銅片的熱膨脹係數較大, 彈簧彈力逐漸放鬆, 使活門也逐漸打開, 達正常工作溫度時, 則活門打開至最大位置 十 節溫器鉤閥 (thermostat jigger valve) 1. 構造 : 裝於節溫器之上, 安裝時鉤閥氣孔朝上, 如圖 6-22 2. 作用 : 若水套中有空氣時, 則鉤閥產生傾斜而將呼吸孔打開, 以利排出空氣 ; 若無此孔時, 則在溫車期間時, 水套內的空氣易受熱膨脹, 使節溫器上活門提早打開, 冷卻水循環提早變為大循環, 溫車時間會加長, 也會造成散熱不良 圖 6-22 鉤閥之位置及作用 圖 6-23 旁通道 十一 旁通道 (bypass) 引擎內的冷卻水在未達工作溫度時, 節溫器必須仍閉合著, 這時候引擎水套內的冷卻水也仍須保持循環, 但只可在引擎的水套中而循環, 而不經水箱 ( 小循環 ), 可加速引擎的溫車時間, 如圖 6-23 其控制方法有 : 1. 永久旁通式 : 在汽缸蓋與汽缸體的水泵間, 開有一個固定的旁通道, 可使小部份的冷卻水保持於引擎水套中循環, 而不論溫度與否均暢通作循環 2. 控制旁通式 : 可利用冷卻水的溫度, 而使隨節溫器關閉時打開旁通道 節溫器打開時而關閉旁通道 ; 或利用彈簧壓力旁通活門 (spring loaded bypass 13
valve), 其彈力較節溫器活門彈簧的彈力小, 因此在節溫器未打開前, 水套內的水壓便使壓力旁通活門先行打開而作小循環 十二 冷卻水 (coolants) 及防凍劑 antifreeze) 1. 冷卻水 : 汽車水冷式的冷卻水通常使用不含礦物質的軟水為佳 ( 如 : 蒸餾水 雨水等 ), 以防止有積垢而阻礙通道, 但水在 32 (0 ) 以下時會產生結凍, 形成固體後體積約膨脹大約百分之九, 可能造成汽缸體與汽缸蓋的裂開, 故通常需加入防凍劑以降低結冰的溫度 2. 防凍劑 : 防凍劑, 可使用甲醇 酒精 ( 易蒸發 便宜 ), 但最常使用是以乙二醇 (ethylene glycol) 為主, 此防陳劑不易蒸發而喪失, 故又稱為永久防凍劑, 一般以防凍劑 50%, 水 50% 時為混合 (1) 乙二醇防凍劑具有下列的功能 : 可使冷卻水的冰點 ( 凝固點 ) 降至最低約 -34 (-37 ) 使冷卻水的沸點提高為 226 (108 ), 故較不易產生沸騰而蒸發 可避免系統上金屬上累積沉積物及產生腐蝕 (2) 乙二醇防凍劑的種類 : 高矽酸鹽 (high silicate): 現大部份鋁製汽缸蓋的引擎使用, 以防止鋁從水套上剝落 低矽酸鹽 (low silicate): 鑄鐵製汽缸蓋的柴油引擎或汽油引擎使用 (3) 防凍劑的添加物 :. 冷卻系保護劑 (cooling system protect, 簡稱 C.S.P): (A) 可防止產生水垢及鏽 (B) 具有密封性, 能防止滲漏 (C) 濾過性良好, 可以防止散熱器及加熱器之蕊子堵塞, 具有潤滑性, 能防止水泵產生噪音. 冷卻系密封劑 (cooling system sealer, 又稱 C.S.S): (A) 能防止漏水 漏氣 (B) 可防水中之鏽及水垢附著 (C) 可減少水泵水封之磨損 (D) 可防止冷卻系統過熱. 腐蝕抑制劑 (corrosion inhibitor): 腐蝕及生銹易造成金屬與冷卻水的熱傳遞, 故需防止腐蝕及生銹, 且可延長壽命. 泡沫抑制劑 (foam inhibitor): 可降低冷卻水經水泵的水泡沫, 防止造成冷卻不良. 顏料 (dye): 通常為綠色或藍綠色, 用以作為洩漏診測劑用, 以利識別 1. 請說明冷卻系統的功用? 2. 簡述水冷式引擎的優缺點? 3. 請簡述說明使用電動風扇的優點? 習題 6-1 14
4. 說明水箱壓力蓋的功用為何? 5. 請說明節溫器的功用為何? 6. 說明現常使用的冷卻水防涷劑是那種, 有何功能? 學後評量 01. 行駛中之車輛水箱熱水的冷卻方法主要是靠 (A) 空氣之相對運動 (B) 水泵 (C) 風扇 (D) 機油 02. 水箱周圍的風扇罩的功用為 (A) 增大水箱的散熱面積 (B) 保護風扇 (C) 減少風扇旋轉的阻力 (D) 消除風扇周圍的空氣渦流 03. 節溫器的功用是 (A) 控制水套中冷卻水循環的流量 (B) 防止水箱中的水過熱 (C) 使進氣歧管加熱, 促進燃料汽化 (D) 防止水套中的冷卻水過熱 04. 一般汽車的冷卻系統通常使用加壓式冷卻系統, 其節溫器以 (A) 電動式 (B) 雙金屬熱偶式 (C) 摺盒式 (D) 蠟丸式 使用最多 05. 壓力式水箱蓋可以控制冷卻系統中的 (A) 壓力 (B) 壓力與真空 (C) 真空 (D) 溫度 06. 壓力式水箱蓋之壓力閥所保持的壓力為 (A)1 (B)2 (C)3 (D)4 Kg/cm 2 左右 07. 汽車上的溫度錶是指示什麼地方的溫度 (A) 汽缸燃燒室 (B) 引擎水套出水口 (C) 水箱內 (D) 引擎本體的溫度 08. 下列正確者為? (A) 冷卻液使用硬水 (B) 乙烯乙二醇與水混合, 前者比例低於 40 % 時會減低防蝕性及熱交換功能 (C)80 % 乙烯乙二醇與 20 % 水之比例混合, 其凝結點最低 (D) 冷卻液中不可加入添加劑 09. 水冷式引擎比氣冷式 (A) 保養容易 (B) 引擎溫熱時間短 (C) 冷卻效果佳 (D) 過負荷耐久性較差 10. 汽油引擎燃燒後熱能之分配, 所佔比例最高者為 (A) 排汽損失 (B) 冷卻損失 (C) 轉換為機械功 (D) 摩擦損失 11. 電動冷卻風扇之感溫開關是裝置在 (A) 調溫器上 (B) 水泵殼上 (C) 水箱下方 (D) 水箱至引擎出水管上 12. 現代汽車所使用引擎, 其冷卻水標準溫度大約為 (A)60 士 5 (B)60 土 5 (C)85 士 5 (D)85 士 5 13. 冷卻系摺盒式節溫器的摺盒內部為 (A) 酒精 (B) 乙醚 (C) 蠟丸 (D) 甲醇 (E) 乙烯乙二醇 14. 空氣冷卻的缺點為何 (A) 故障多 (B) 構造複雜 (C) 噪音大冷卻效果較不穩定 (D) 溫熱時間較長 (E) 熱效率高 15. 風扇葉片的角度, 故意製成不相等的主要目的是 (A) 增加風扇轉速 (B) 減少風扇轉速 (C) 減少重量 16. 風扇轉速約為引擎轉速的 (A)0.3~0.5 (B)0.6~0.8 (C)0.8~1.4 (D)1.6~2.0 17. 有關電動風扇的控制, 下列何者有誤 (A) 可節省動力的損耗 (B) 省去風扇皮帶的傳動 (C) 引擎低溫時不轉動風扇 (D) 大電流經點火開關流至電動風扇而轉動 18. 自動離合器是 (A) 當水溫低於 150 時, 風扇轉速降低, 皮帶盤空轉 (B) 當水溫低於 150 時, 風扇轉速升高, 皮帶盤空轉 (C) 當空氣溫度高於 150 時, 風扇轉速降低, 皮帶盤空轉 (D) 當空氣溫度低於 150, 風扇轉速降低皮帶空轉 15
19. 水箱散熱器芯子的種類無 (A) 板翼式 (B) 波翼式 (C) 筋巢式 (D) 蜂巢式 20. 冷卻水中, 可為永久防凍劑的是 (A) 甘油 (B) 酒精 (C) 甲醇 (D) 乙烯乙二醇 答案 : 01.(A) 02.(D) 03.(A) 04.(D) 05.(B) 06.(A) 07.(B) 08.(B) 09.(C) 10.(A) 11.(C) 12.(D) 13.(B) 14.(C) 15.(A) 16.(C) 17.(D) 18.(D) 19.(C) 20.(D) 16