ทำไมเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศถึงตาย? ชัยชนะของการระบายความร้อนด้วยของเหลว

เครื่องยนต์รถยนต์แบบระบายความร้อนด้วยอากาศคือสถาปัตยกรรมที่ระบายความร้อนโดยเป่าอากาศตรงเข้าไปยังซี่ระบายความร้อนโลหะบนกระบอกสูบโดยตรง ไม่มีหม้อน้ำและปั๊ม และวันนี้เครื่องยนต์แบบนี้แทบหายไปจากรถยนต์สายการผลิตอย่างสมบูรณ์แล้ว สาเหตุแห่งจุดจบของมันไม่ใช่ความล้มเหลวของความเรียบง่าย แต่กลับเป็นราคาที่ต้องจ่ายของความเรียบง่าย: บล็อกเครื่องยนต์ที่ยังเย็นอยู่นานในการสตาร์ทเย็น การปล่อยมลพิษที่ควบคุมไม่ได้ จุดร้อนที่จัดการไม่ได้ และมาตรฐานเสียงรบกวนที่ตามไม่ทัน

ระบายความร้อนด้วยอากาศทำงานอย่างไรและทำไมจึงเรียบง่ายขนาดนั้น?

สิ่งที่เราเรียกว่าระบบระบายความร้อนในเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศนั้น แท้จริงแล้วประกอบด้วยซี่ระบายความร้อนบนพื้นผิวกระบอกสูบและพัดลมเพียงเท่านั้น หม้อน้ำ ถังขยายตัว ท่อยาง และปั๊มน้ำที่เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยของเหลวจำเป็นต้องมีนั้น ที่นี่ไม่มี ความร้อนถ่ายเทสู่อากาศโดยตรงจากพื้นผิวขยายของซี่ระบายความร้อน ในแง่วิศวกรรม หมายความว่าชิ้นส่วนน้อย น้ำหนักน้อย การบำรุงรักษาน้อย: ของเหลวหล่อเย็นไม่รั่ว ปั๊มไม่พัง และไม่มีความเสี่ยงจากการเป็นน้ำแข็ง

แต่เมื่อดูสมดุลพลังงาน ภาพก็ชัดเจนขึ้น ประมาณ 44% ของพลังงานที่เชื้อเพลิงมีนั้นหลุดออกไปทางไอเสียอยู่แล้ว และอีก 8% ไหลไปกับน้ำมัน ในเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศ ความร้อนที่เหลือมีเพียงประมาณ 12% เท่านั้นที่สามารถไหลออกไปภายนอกผ่านซี่ระบายความร้อนโลหะ นั่นหมายความว่าความสามารถในการระบายความร้อนของระบบมีขีดจำกัดเชิงโครงสร้าง และเครื่องยนต์ต้องทำงานในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าการออกแบบแบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมาก ช่วงกว้างนี้หมายถึงค่าความคลาดเคลื่อนที่หลวมขึ้น เกณฑ์การจุดระเบิดก่อนเวลา (knock) ที่ลดลง และโดยเฉพาะในภูมิอากาศร้อน การจัดการความร้อนที่ยากลำบากยิ่งขึ้น

แต่มันก็มีข้อดีและเป็นข้อดีที่สำคัญ: ความง่ายในการบำรุงรักษา การแตะต้องระบบระบายความร้อนหรือเปลี่ยนชิ้นส่วนในห้องเครื่องที่แคบ มักถูกและง่ายกว่าในการออกแบบแบบใช้อากาศ อุตสาหกรรมการบินจึงไม่เคยละทิ้งมันเลย; เครื่องบินทั่วไปยังคงใช้เครื่องยนต์ Lycoming และ Continental ซึ่งเป็นสถาปัตยกรรมแบบนี้

จาก Benz สู่ Franklin: ศตวรรษแรกของเครื่องยนต์อากาศ

ประวัติศาสตร์ของการระบายความร้อนด้วยอากาศมีอายุเกือบเท่ากับประวัติศาสตร์ของรถยนต์ เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศตัวแรกที่ประสบความสำเร็จถูกพัฒนาโดยวิศวกรชาวเยอรมัน Karl Benz ในปลายทศวรรษ 1800 และแนวคิดนี้เติบโตเต็มวัยในช่วงทศวรรษ 1920-1930 ส่วนฝั่งอเมริกา เรื่องราวถูกเขียนขึ้นด้วย Franklin โครงการที่เริ่มต้นจากรถทดลองของ John Wilkinson ในปี 1901 ที่ไม่มีหม้อน้ำและไม่มีปั๊มน้ำ ได้เข้าสู่การผลิตในปี 1902 ที่ Syracuse, New York และ Franklin ก็กลายเป็นผู้ผลิตรถยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศที่ประสบความสำเร็จที่สุดของอเมริกา

Franklin เพียงผลิตเท่านั้น แต่ก็พิสูจน์ให้เห็นแล้ว ในปี 1904 Franklin หนึ่งคันข้ามเส้นทาง San Francisco–New York ใน32 วัน 23 ชั่วโมง 20 นาที สถิติเดิมคือ 61 วัน ในปี 1905 เปิดตัวรถหกสูบยุคแรกคันหนึ่ง และวิ่งเส้นทางเดียวกันจนจบใน15 วัน แบรนด์นี้ยังเป็นผู้บุกเบิกนวัตกรรมอย่างการปรับช่องจุดระเบิดอัตโนมัติ (1907), ลูกสูบอะลูมิเนียม และระบบหล่อลื่นแรงดัน ต้องระบุด้วยว่า: เรื่องราวสถิติยุคแรกเหล่านี้มาจากแหล่งข้อมูลของพิพิธภัณฑ์และความทรงจำ ไม่ใช่จากคลังเอกสารชั้นต้น จึงมีความแม่นยำทางประวัติศาสตร์จำกัด

ไม่ใช่ทุกความพยายามที่จะสำเร็จ ระหว่างปี 1921–1923 Chevrolet พยายามนำระบบระบายความร้อนด้วยอากาศไปสู่การผลิตจำนวนมากด้วยSeries M Copper-Cooled แต่ต้องถอยหลังเมื่อเผชิญกับปัญหาทางวิศวกรรม ผลิตได้เพียงจำนวนน้อยมากและโครงการนี้ถือว่าล้มเหลว

การบินและ Beetle: ยุคทองของการระบายความร้อนด้วยอากาศ

ชัยชนะบนท้องฟ้า เงาแรกบนท้องฟ้า

สาขาที่การระบายความร้อนด้วยอากาศได้รับเกียรติสูงสุดก็คือการบิน ในปี 1921 กองทัพเรือสหรัฐฯ สนับสนุนการพัฒนาเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศเนื่องจากความเรียบง่าย ที่ Pratt & Whitney และ Wright Aeronautical NACA cowl ที่เปิดตัวในปี 1929 (ฝาครอบอากาศพลศาสตร์ที่พันรอบกระบอกสูบ) แก้ปัญหาการควบคุมการไหลของอากาศของเครื่องยนต์ได้เป็นอย่างดี แต่ในทศวรรษเดียวกันนั้น ฝ่ายตรงข้ามก็ก้าวหน้าเช่นกัน: น้ำอัดแรงดัน และเอทิลีนไกลคอลตั้งแต่ปี 1929 - ทางแก้ที่ลดขนาดหม้อน้ำลง50% - เปิดทางให้ยักษ์ใหญ่ระบายความร้อนด้วยของเหลวสมรรถนะสูงอย่าง Rolls-Royce Merlin และ Daimler-Benz DB601

หัวใจของรถประชาชน

ส่วนในฝั่งรถยนต์ ความสำเร็จสูงสุดของการระบายความร้อนด้วยอากาศมาถึงในยุครถประหยัดขนาดกะทัดรัดหลังสงคราม เครื่องยนต์flat-4ที่ Ferdinand Porsche ออกแบบให้กับ "รถประชาชน" กลายเป็นหัวใจของVW Beetleตั้งแต่ปี 1938 ตามด้วย Type 2, Karmann Ghia และ Type 3 ผลิตต่อเนื่องในหลากหลายขนาดจนถึงปี 2013 หลังสงครามในยุโรป Tatra, Fiat และ Citroën ก็เดินตามเส้นทางเดียวกัน Citroën 2CV (1948–1990) ทำให้ระบบเรียบง่ายยิ่งขึ้นไปอีกด้วยการต่อพัดลมเข้ากับเพลาข้อเหวี่ยงโดยตรง Trabant (1957–1991), ZAZ Zaporozhets (1958–1994), Fiat 126 (1972–1987) และ Citroën GS/GSA คือตัวอย่างอื่น ๆ ของรุ่นนี้

Chevrolet Corvair: การทดลองระบายความร้อนด้วยอากาศของอเมริกา

ในบรรดาผู้ผลิตรายใหญ่ของสหรัฐฯ หลังสงคราม Chevrolet เป็นแบรนด์เดียวที่ทดลองใช้เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศในการผลิตจำนวนมาก เครื่องยนต์flat-6ของCorvairที่ผลิตระหว่างปี 1960–1969 ถือว่าประสบความสำเร็จในเชิงวิศวกรรม กระทั่งเป็นหนึ่งในเครื่องยนต์ที่มีต้นทุนการพัฒนาสูงที่สุดของ Chevrolet แต่เครื่องยนต์ที่ติดตั้งอยู่ท้ายรถกลายเป็นเป้าหมายของแคมเปญความปลอดภัยผู้บริโภคและการวิพากษ์วิจารณ์ต่อผังเครื่องยนต์ท้ายรถ ผลลัพธ์คือ: หลังจาก Corvair เครื่องยนต์ทั้งหมดของ General Motors ก็เปลี่ยนไปใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว การแยกทางครั้งนี้คือสัญญาณแรกสุดของการปิดฉากแนวทางระบายความร้อนด้วยอากาศ

Porsche 911: การต่อสู้ 35 ปีของการระบายความร้อนด้วยอากาศ

ผู้รอดชีวิตที่ภักดีที่สุดของการระบายความร้อนด้วยอากาศ ไม่ต้องสงสัยเลยว่าคือ Porsche เครื่องยนต์ fl​​at-6 ที่ออกแบบโดย Hans Mezger และ Paul Hensler เริ่มใช้งานครั้งแรกใน Porsche 911 ปี 1964 และถูกระบายความร้อนด้วยพัดลมขนาดใหญ่และครีบบังคายของกระบอกสูบมาเป็นเวลา 35 ปี ช่วงเวลานี้อาจเป็นความต่อเนื่องที่ยาวนานที่สุดเท่าที่เคยมีมาในสถาปัตยกรรมพื้นฐานของรถสปอร์ตคันหนึ่ง

แต่ในทศวรรษ 1990 สมดุลก็เปลี่ยนไป กฎระเบียบด้านการปล่อยไอเสียและเสียงรบกวนเข้มงวดขึ้น เนื่องจากรูปแบบเครื่องยนต์ท้ายรถรวมแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนขนาดใหญ่สองแหล่งไว้ที่จุดเดียวกัน กฎหมายจึงทำให้การระบายความร้อนด้วยอากาศแทบเป็นไปไม่ได้ ในปี 1997 Porsche เปลี่ยน 911 ไปใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ รุ่น 993 เป็น 911 ระบายความร้อนด้วยอากาศรุ่นสุดท้าย รุ่นสุดท้ายที่ระบายความร้อนด้วยอากาศถูกส่งมอบในวันที่ 30 มีนาคม 1998

การเปลี่ยนผ่านครั้งนี้เปิดประเด็นถกเถียงที่ยังคงดำเนินต่อถึงปัจจุบันในหมู่แฟน ๆ ผู้ภักดีของแบรนด์ ผู้ชื่นชอบมองว่าเครื่องยนต์ก่อนรุ่น 993 เป็นของสุดคลาสสิก โดยโต้แย้งว่าเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศให้ความรู้สึกที่คล่องตัวกว่าและมีความรู้สึกเชิงกลมากกว่า และถือว่ายุคหลัง 996 ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำเป็นยุคที่แตกต่างออกไป ในเชิงเทคนิคแล้ว เห็นได้ชัดเจนว่าข้อดีที่แท้จริงคือความเรียบง่ายและจำนวนชิ้นส่วนที่น้อยกว่า แต่สถาปัตยกรรมนี้ไม่สอดคล้องกับเป้าหมายด้านการปล่อยไอเสียและสมรรถนะสมัยใหม่อีกต่อไป

สามเหตุผลทางเทคนิคที่ทำให้เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศต้องสิ้นสุดลง

การปล่อยไอเสียและปัญหาการสตาร์ทเครื่องเย็น

นี่คือเหตุผลที่สำคัญที่สุด ในเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยของเหลว เทอร์โมสตัทจะตัดหม้อน้ำออกจากระบบ ทำให้เครื่องยนต์ไปถึงอุณหภูมิการทำงานได้อย่างรวดเร็ว ส่วนในเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศ ระบบระบายความร้อนจะเปิดอยู่ตลอดเวลา เครื่องยนต์จึงยังเย็นอยู่นานในการสตาร์ทเครื่องเย็น และปล่อยไอเสียออกมามากขึ้นจากเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ไม่สมบูรณ์ ทั้งที่การปล่อยไอเสียส่วนใหญ่ที่เหลืออยู่เกิดขึ้นในช่วงเวลาการสตาร์ทเครื่องเย็นนั่นเอง กลไกนี้คือเหตุผลทางวิศวกรรมหลักของการเปลี่ยนไปใช้ระบายความร้อนด้วยของเหลวของทั้ง Porsche และในระดับที่น้อยกว่าคือ VW ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศไม่สามารถจัดการอุณหภูมิการเผาไหม้ที่สูงตามที่มาตรฐานการปล่อยไอเสียกำหนดได้

จุดร้อนและขีดจำกัดการน็อก

ปัญหาที่สองเป็นปัญหาเฉพาะจุด: บริเวณวาล์วไอเสียและช่องไอเสียจะสะสมความร้อนจำนวนมากที่ผิวครีบบังคายไม่สามารถระบายออกได้ทัน ส่วนการระบายความร้อนด้วยของเหลวส่งน้ำหล่อเย็นไปยังจุดร้อนเหล่านี้โดยตรง จึงให้การออกแบบที่มีประสิทธิภาพมากกว่ามาก ผลตามมาโดยธรรมชาติก็คือเกณฑ์อัตราส่วนกำลังอัด: การออกแบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมีความอ่อนไหวต่อคุณภาพเชื้อเพลิงน้อยกว่า และรองรับอัตราส่วนกำลังอัดสูงและเทอร์โบชาร์จได้ดีกว่า นี่คือเหตุผลทางฟิสิกส์ที่การปฏิวัติเทอร์โบปิดประตูเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศ

กฎหมายด้านเสียงรบกวน

เหตุผลที่สามเป็นสิ่งที่มองไม่เห็น: เสื้อน้ำรอบกระบอกสูบเป็นตัวลดเสียงในตัวเอง ด้วยเหตุนี้เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยของเหลวจึงเงียบกว่าโดยธรรมชาติ และเป็นไปตามมาตรฐานของหลายประเทศที่ครอบคลุมเสียงรบกวนของเครื่องยนต์ได้อย่างง่ายดาย ส่วนเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศ ด้วยเสียงพัดลมและเสียงสั่นสะเทือนโลหะของครีบบังคาย ไม่มีโอกาสผ่านเกณฑ์นี้อีกต่อไป

การระบายความร้อนด้วยอากาศตายไปจริงหรือ?

ในรถยนต์ ใช่ แต่ในวิชวลวิศวกรรม ไม่ใช่ เนื่องจากในเครื่องยนต์การบินแบบลูกสูบ น้ำหนักเบาและความเรียบง่ายสำคัญกว่าเป้าหมายด้านประสิทธิภาพและการปล่อยมลพิษ เครื่องยนต์ของ Continental และ Lycoming จึงยังคงใช้การระบายความร้อนด้วยอากาศ ส่วน Rotax นำเสนอโซลูชันแบบผสมที่รวมกระบอกสูบระบายความร้อนด้วยอากาศเข้ากับหัวสูบระบายความร้อนด้วยของเหลว Tatra ซึ่งเป็นผู้ต้านทานคนสุดท้ายบนบก ก็ยังคงผลิตรถบรรทุก T815 ระบายความร้อนด้วยอากาศอยู่ นั่นคือสถาปัตยกรรมนี้ไม่ได้ตาย แต่มันถอยออกไปเมื่อความต้องการที่ทำให้มันไร้ความจำเป็น - การควบคุมความร้อนที่แม่นยำ การปล่อยมลพิษต่ำ ความเงียบ - เริ่มครอบงำรถยนต์สำหรับถนน การระบายความร้อนด้วยอากาศ ในฐานะรูปแบบที่บริสุทธิ์ที่สุดของความเรียบง่าย จึงยังคงมีชีวิตอยู่ในพื้นที่ที่ความต้องการเหล่านี้ยังหลวมอยู่เท่านั้น

แหล่งอ้างอิง

• เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศ - Wikipedia
• ทำไม Porsche 911 จึงเปลี่ยนไปใช้เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยน้ำ - Porsche
• สุดเท่สไตล์เก่า: ทุกอย่างเกี่ยวกับเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศ - State of Speed
• ระบายความร้อนด้วยอากาศ: เรียบง่ายไว้ก่อน - Audrain Auto Museum
• รถยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศยุคแรก: ประวัติศาสตร์ของ Franklin และ Holmes Automobiles - Tampa Bay Automobile Museum
• จุดจบของยุคสมัย: เครื่องยนต์รถยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศครั้งสุดท้าย - Auto Universum
• Porsche สร้างรถระบายความร้อนด้วยอากาศคันสุดท้ายเมื่อไร? (30 มีนาคม 1998) - ประวัติศาสตร์ยานยนต์
• เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศทำงานอย่างไร และทำไมจึงไม่สำคัญอีกต่อไป - CNET
• ทำไมเครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศจึงไม่พบในรถยนต์ส่วนใหญ่อีกต่อไป - Capital One
• รถคอมแพคต์ที่ขัดแย้ง: ชีวิตและความตายของ Chevrolet Corvair - Ate Up With Motor