引擎的冷卻方式：氣冷、油冷與水冷

引擎是透過燃燒燃料後產生的壓力來推動活塞，藉此來產生動力。以現在的內燃機架構來看，平常用車狀態下大約只有不到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，這就是一門很大的學問了。



機車的規格書上面可以看到幾種冷卻方式：強制氣冷、氣冷、油冷、水冷，這幾個名詞是網路討論區上常出現的月經文，到底水冷、氣冷、油冷那個好，好在哪？

「熱」的產生
剛開始，先來瞭解引擎的熱是如何產生的。由上面的示意圖可以看到，絕大部分的熱（註1）都是在汽缸中產生，油氣經由火星塞點火引燃後，中心火焰的溫度可以高到攝氏1700～2000度，火焰波前也還有個攝氏700度。這麼龐大的熱，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（註2）。

「熱」的傳遞
簡單來講，引擎裡熱的傳遞，都是由汽缸向四周傳遞，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（註3）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。

要把引擎內產生的熱帶走，主要透過以下幾種物質傳遞。

1.廢氣：帶走最多熱的當屬排放的廢氣了，畢竟這些廢氣是熱的來源；

2.金屬：導熱良好的鋁、鐵、銅等金屬零件（註3），這些金屬零件直接接觸燃燒，也能帶走數量可觀的熱；

3.機油：不管是氣冷、油冷、水冷引擎，都有利用機油來進行冷卻，尤其是溫度最高的活塞與氣門，都是依靠機油來帶走熱。雖然機油導熱性與比熱都不怎麼優，但因機油直接就在這些高熱金屬零件中穿梭，因此也帶走不少的廢熱。

4.汽油：汽油在被點火燃燒之前，也是會吸收一點熱量。有些引擎會利用較濃的供油來進行冷卻，避免汽缸裡面溫度太高。

而這邊討論的「氣冷、油冷、水冷」，就是在探討這些傳遞物質的不同。

這是一輛BMW K1200S上的改裝直通排氣管，從其內部溫度高到呈現火紅的狀態，就可以想像廢氣中帶有多少的熱！

1.氣冷與強制氣冷：

將引擎大約分為汽缸頭、汽缸與曲軸箱三個部分，來討論散熱方式。氣冷引擎的汽缸是單純直接接觸空氣來冷卻。
上圖中橘黃色的部分為機油。無論氣冷、油冷、水冷引擎，都會利用機油來冷卻汽缸頭、氣門、活塞。

活塞主要是藉由油管噴射至活塞底部的機油、或由曲軸甩至活塞底部的機油，來進行冷卻，這就是規格表上常見的「噴射與飛濺並用」的意思。

氣冷，如果依照分類方式，應該叫做「金屬冷」比較正確，它是直接透過引擎的金屬零件將大部分的熱傳遞到空氣裡，這算是大家最熟悉的冷卻方式。

前面有提過，增加散熱面積才是最重要的問題，氣冷引擎的解決方法，是在汽缸本體上設計許多散熱片，藉此增加了大量與空氣接觸的表面積。另外還有強制氣冷的設計，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。

氣冷引擎的優點
1.零件少、重量相對較輕，成本也低的多。
2.冷卻系統不會故障。
3.沒有推動冷卻水用的幫浦，所以不會吃掉馬力，是最簡單有效的設計。

氣冷引擎的缺點
1.不易控制理想的引擎工作溫度。
等紅燈時沒撞風溫度高，而行進間撞風降溫快；但車速、引擎轉速高到一定程度，溫度又會拉上來。如此一來引擎工作溫差大，導致零件的間隙要比較大，來預留熱漲冷縮的空間，這樣就比較難去壓榨出性能，也較難兼顧廢氣污染值，因此國內強調性能的白牌國產車，也在慢慢地將引擎水冷化。

2.散熱不均勻，這種狀況在多缸的引擎中最為明顯。

3.氣冷引擎受限於散熱面積（散熱片）較小，較難做出更高性能的引擎。

直列四缸引擎的正面，明顯地看的出來，兩側的汽缸接觸空氣的面積比較大，中間兩缸的接觸面積小了很多。

引擎散熱效果要好，重點就是要撞風，讓大量空氣來冷卻引擎。以直列四缸引擎為例，其兩側的汽缸與空氣的接觸面積大，散熱效果比中間兩個汽缸要來的好，因此造成散熱不均勻的現象。為此，氣冷直列四缸引擎的中間兩個汽缸，原廠都會設定比較濃的供油，利用這多一點的汽油來吸收熱量，降低中間兩汽缸的溫度。
縱列V形引擎，前面汽缸直接撞風，其散熱效果也優於後面的汽缸。

某些形式引擎，其散熱面積先天上就比較大，如BMW的水平對臥引擎，兩個汽缸的撞風效果差不多，因此冷卻效果平均，讓HP2這輛車通過Le Man 24小時耐久賽的嚴苛考驗。



2.油冷：

上圖的油冷引擎，其與氣冷引擎最大的不同處，在汽缸頭的設計。

氣冷之外，再多利用原本就有的機油，來加強氣冷不足的散熱效果，這就產生了油冷引擎。

大排氣量的氣冷引擎與油冷引擎代表，例如Yamaha XJR1300與Suzuki GSX1400，外觀看起來好像只有機油冷卻器尺寸不同的差別而已，難道機油冷卻器比較大的就算是油冷嗎？

XJR1300的機油冷卻器較小。
GSX1400的機油冷卻器，明顯比XJR1300大上一倍，汽缸頭的設計也明顯異於XJR1300。

油冷的GSX1400，是有兩套機油油路，一套油路負責潤滑，構造就跟一般四行程引擎一樣；還有另外一套就是冷卻油路，專門來冷卻「火星塞」與「氣門」四周，帶走燃燒室頂端的熱。透過上面示意圖可以看到，在汽缸頭多了兩塊橘黃色物體，那裡就是冷卻油路冷卻燃燒室頂端的地方。

GSX1400的冷卻油路，可以看到在火星塞的周圍有用來散熱的小油槽（金色的部分代表機油）。


XJR1300的汽缸頭沒有使用另外的冷卻油路，而是在正中央處火星塞的位置特別凹陷（紅圈處），增加缸頭散熱效果


XJR1300與GSX1400的汽缸，基本上沒有太大的差別，都是標準的氣冷式設計，所以外觀上還是有為數不少的散熱片。

SUZUKI是車界中少數強調「油冷」的車廠，1985年推出的GSX-R750，可以說是油冷世代的開端，直到2008年GSX1400停產，才終結了油冷世代。本以為油冷機車自此退出舞台，沒想到2019年又推出GIXXER 250車系，採用了強化版的油冷系統，這次不只在汽缸頭有加強油冷，連汽缸壁周圍也有「油套」來冷卻，因而也取消了散熱片。這次會讓油冷復活，主因是SUZUKI認為這輛250車款，在性能上使用氣冷不足，用水冷很多餘，用油冷就綽綽有餘了，也避免水冷系統的複雜度、重量與成本，讓250的車價容易讓人親近。

因為有冷卻油路，所以稱之為「油冷」引擎。汽車引擎就沒有分這麼細。像保時捷原廠代號993以前的911車系，她的引擎也是標示「氣冷」而已，但也是用了大量的機油來進行冷卻。

油冷引擎的優缺點基本上跟氣冷引擎差不多，對比氣冷引擎，增加的優點在於，利用原本就有的機油與機油幫浦，所以並沒有增加太多重量，就能得到比氣冷引擎好的散熱效果。

油冷引擎的缺點，則在於要使用較多的機油，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，加換機油濾芯的話要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，加換機油濾芯的話要4.8公升

氣冷保時捷更恐怖，換個機油的話要乾掉10公升！

此外要注意的，是機油的冷卻能力，還是比不上冷卻水！因此SUZUKI才會說明GIXXER 250在引擎冷卻上用氣冷會不夠，用水冷會很多餘。

3.水冷：

顧名思義就是利用水為介質將熱帶走。就上圖可以看到，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，利用水為傳遞媒介，將熱帶到散熱水箱，最後再傳遞到空氣裡面去。

燃燒室四周的冷卻水通道（紅圈處）


YAMAHA FJR的汽缸與汽缸頭。汽缸四周環繞著水道（黑色部分）、汽缸頭上也有為數不少的水道（黑色部分）（補充：左方黑色四方體為正時鍊條的空間、正圓形的小洞為螺絲孔）


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。至於冷卻水中另外一個成分「乙二醇」，主要是拿來「防止冷卻水結凍」，並不是濃度越高冷卻效果越好，詳細說明可以參考本網誌另外一片文章水箱精要怎麼挑選使用（連結）。

再一次重點提示：增加散熱面積才是引擎冷卻設計最重要的課題。

對水冷引擎而言，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，藉此將熱傳導與熱對流的效率極大化。因此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。
要將散熱水箱上的葉片全部裝到汽缸上，引擎應該會變的很大顆吧！而且撞風效果一定沒有散熱水箱來的好。


此外，水冷系統多設計有節溫器（台灣通常叫它：水龜）、輔助風扇等設備來維持一較為平均的水溫，可將引擎工作溫度保持在最適當範圍內，這點對於高性能引擎來說，是很重要的。

為了維持最佳的引擎工作溫度，高性能水冷引擎會設置水冷式的機油冷卻器來冷卻機油。上圖為YAMAHA R6引擎上的水冷式機油冷卻器。

除了散熱效果好之外，因為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，可創造出較為多樣的車型。


Benelli的孿生車系TNT（上）與TRE-K（下），大部分的機械結構皆相同，外觀上最大的改變，莫過於散熱水箱的不同，TNT的水箱位在引擎兩旁，而TRE-K位在引擎前方，造就出兩輛風格迥異的車。

汽缸外有散熱片，不一定是氣冷引擎。車廠有時為了表達「經典」的意涵，而故意在水冷引擎上做散熱片，是一種「懷舊」的設計。

如水冷設計的CB1300，第一代的CB1300與X1（上圖，使用同一顆引擎）為了造型因素，還留有汽缸散熱片的設計。CB小改款之後（下圖）的造型設計改為俐落的現代風格，取消了散熱片，成為標準的水冷引擎外貌。

其他像是Triumph Bonneville 車系，也是留著散熱片的水冷引擎。此外，她的噴射系統還故意做成像是化油器的樣子。畢竟Bonneville 車系可是Triumph的傳統精神指標啊！

水冷引擎也不全然是完美的，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。

所以說，沒有任何一種冷卻系統是完美的，也沒有水冷最好的神話。

水冷引擎有一個重要的液體零件（偷用YAMAHA的廣告詞）：冷卻液，請參考本網誌這一篇文章：水箱精要怎麼挑選使用（連結）。

排放熱空氣

引擎散熱系統還有一個常被忽略的課題，就是這些帶走熱量的熱空氣要如何排放？！

最有名的例子就是Ducati Desmosedici GP3，這輛MotoGP廠車為了減少風阻，在側面整流罩上幾乎沒有散熱孔的設計，造成通過散熱水箱與引擎的大量熱空氣，直接往後排放至駕駛座，讓當時的車手Loris Capirossi苦不堪言。


2004年大改款的R1，外型有著YAMAHA一貫幽雅的傳統，還奪得當年米蘭車展最美車款的殊榮，是第一輛獲得此獎項的日本車。但整流罩美歸美，冷卻通道卻設計不良，造成大量熱空氣直衝車手腳部的問題。




有了這個經驗，YAMAHA在之後所推出的R6與R1，多設計了一道擾流片，將車頭冷空氣導引至車旁的散熱孔，降低熱氣溫度，減輕熱氣對車手的不適影響。而這個設計，後來也被許多車廠「借用」。

2009年式樣的R1，更進一步的在整流罩上設計導流孔，兼顧外型與熱氣排放的需求。

車廠創造出不同形式的車輛，不同的車輛搭配不同的引擎，不同的引擎搭配不同的冷卻系統，如此方能提供不同的駕馭樂趣，滿足不同需求的車手。

以下是本網誌關於引擎介紹的相關文章，歡迎參閱：

汽機車四行程引擎介紹1：基本原理與架構（連結）

汽機車四行程引擎介紹2：進氣系統（連結）

汽機車四行程引擎介紹3：壓縮與燃燒（連結）

汽機車四行程引擎介紹4：排氣系統，瞭解排氣管的改裝原理（連結）

汽機車四行程引擎介紹5：引擎的震動與平衡（連結）

點火提前角～提前點火增加出力、延後點火消弭爆震（連結）

引擎的燃燒與爆震（連結）

到底要加95無鉛還是98無鉛（連結）

水箱精要怎麼挑選使用（連結）

註：
1.除了爆炸燃燒產生的熱之外，還有機件運轉摩擦所產生的熱。

2.機車的引擎都是氣冷的！就只有水上摩托車的引擎才是正港「水冷」。

3.
自然對流（車子靜止、風扇停止運轉）:
氣體的熱對流係數約為1～20 W/m2K、液體的熱對流係數約為100～1000 W/m2K；
強制對流（車子行進、風扇運轉）：
氣體的熱對流係數約為50～250W/m2K、液體的熱對流係數約為100～10,000 W/m2K。
這只是大約的數據，實際數值要考慮相當多的變數。

4.導熱率：
銀429、銅401、金300、鋁237、鋁合金（6061）180、鋁合金（7075）121、鐵60、鋼（SUS304）14.9、鋼（SUS410）25、碳鋼40~60、鈦 21.9、鈦合金（64鈦）5.8；
空氣0.0263（攝氏30度時）、水0.617、機油～0.138。
單位W/(m-K)。

本文初稿於2009/06/13，資料增補於2022