风冷发动机为何消亡?液冷系统的胜利

风冷之所以消亡,是因为它太简单了:简单的代价就是冷启动困难、排放不受控制以及热点温度无法管理.
风冷之所以消亡,是因为它太简单了:简单的代价就是冷启动困难、排放不受控制以及热点温度无法管理.

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风冷汽车发动机是一种通过直接向气缸上的金属散热片吹送空气来散热的结构,没有散热器和水泵,如今在批量生产汽车中几乎已完全消失.它的消亡并非因为缺乏简单性,恰恰相反,是为简单性付出了代价:冷启动后缸体长时间保持低温、无法控制的排放、难以管理的热点以及无法达标的噪音标准.

亮点

  • 首台成功的风冷汽车发动机 诞生于19世纪末 出自卡尔·本茨之手.
  • 大众 水平对置四缸发动机随甲壳虫从1938年一直生产到2013年;是历史上产量最大的风冷发动机.
  • 保时捷911从1964年到1998年 35年间 一直采用风冷生产;最后一辆车于 1998年3月30日交付.
  • 风冷发动机的热量中只有约 12% 通过散热片排出.
  • 太特拉可能是最后一家生产符合欧5标准的风冷V8卡车发动机的制造商;T815至今仍在生产.

风冷是如何工作的?为什么它如此简单?

风冷发动机中所谓的冷却系统,实际上只由气缸表面的散热片和一个风扇组成.液冷发动机所需的散热器、膨胀水箱、软管和水泵在这里都不存在.热量通过散热片扩大的表面直接传递到空气中.从工程角度看,这意味着零件更少、重量更轻、维护更少:冷却液不会泄漏,水泵不会损坏,也没有结冰风险.

但从能量平衡来看,情况就清楚了.燃油所携带的能量中约有 44%已经从排气中 排出,8%流失到机油中.风冷发动机中剩余的热量只有约 12%能通过金属散热片 向外散发.也就是说,系统的散热能力在结构上是有限的,发动机不得不在比液冷设计宽得多的温度范围内工作.这种宽范围意味着公差变大、爆震(爆燃前点火)阈值降低,尤其在炎热气候下热管理更加困难.

它也有优势,而且很重要:维护便利.在狭小的发动机舱内接触或更换冷却系统部件,风冷设计通常更便宜、更简单.航空业因此从未放弃它;通用航空飞机上的莱康明和大陆发动机至今仍采用这种结构.

从本茨到富兰克林:风冷发动机的第一个百年

风冷的历史几乎与汽车的历史一样悠久.首台成功的风冷发动机由德国工程师 卡尔·本茨 于19世纪末研制,这一构想在上世纪20至30年代走向成熟.而在美国,这段历史则由富兰克林书写.该项目始于约翰·威尔金森1901年的无散热器、无水泵实验车,1902年在纽约州锡拉丘兹投产,富兰克林由此成为美国最成功的风冷汽车制造商.

Franklin不仅生产,还证明了实力.1904年,一辆Franklin以32天23小时20分钟 32天23小时20分钟 完成了旧金山至纽约的路线;此前的纪录是61天.1905年,它推出了最早的六缸汽车之一,并以 15天 完成了同一条路线.该品牌还是自动火花塞调节(1907)、铝制活塞和压力润滑等创新技术的先驱.需要指出的是:这些早期纪录的叙述并非来自一手档案,而是来自博物馆和记忆资料,因此历史精确度有限.

并非每次尝试都成功.Chevrolet在1921至1923年间尝试通过 Series M Copper-Cooled 将风冷技术推向量产,但在工程难题面前退缩了;实际产量极少,该项目被视为失败.

航空与Beetle:风冷的黄金时代

天空中的胜利,天空中最早的阴影

风冷真正赢得声望的领域是航空.1921年,美国海军出于简单性的考虑,支持在Pratt & Whitney和Wright Aeronautical开发风冷发动机.1929年推出的NACA整流罩(包裹汽缸周围的空气动力学罩壳)在很大程度上解决了风冷发动机控制气流的问题.但同一年代,对立阵营也在进步:加压水以及自1929年起使用的乙二醇——一种将散热器尺寸 缩小50% 的方案——为Rolls-Royce Merlin和Daimler-Benz DB601等高性能液冷巨头铺平了道路.

国民车的心脏

而在汽车领域,风冷最大的成功来自战后紧凑型经济车时代.Ferdinand Porsche为其"国民车"设计的 flat-4 发动机,自1938年起成为 VW Beetle以及Type 2、Karmann Ghia和Type 3的心脏;各种排量版本一直生产到2013年.战后的欧洲,Tatra、Fiat和Citroën也走上了同样的道路.Citroën 2CV(1948-1990)将风扇直接连接到曲轴上,使系统进一步简化.Trabant(1957-1991)、ZAZ Zaporozhets(1958-1994)、Fiat 126(1972-1987)和Citroën GS/GSA是这一代车型的其他代表.

Chevrolet Corvair:美国的风冷实验

在战后美国大型制造商中,Chevrolet是唯一尝试量产风冷发动机的品牌.1960至1969年间生产的 Corvair的 flat-6 发动机在工程上被认为是成功的;它甚至是Chevrolet开发成本最高的发动机之一.但安置在车尾的发动机却成为消费者安全运动和针对后置发动机布局批评的目标.结果是:Corvair之后,General Motors的所有发动机都改为液冷.这一分道扬镳,是风冷在主流市场落幕的最早信号.

Porsche 911:风冷35年的坚守

1998'de son havalı soğutmalı Porsche 911 teslim edildiğinde, otomobil tarihinin en dirençli mühendislik geleneği de sessizce sona erdi.

风冷最忠实的幸存者,无疑是Porsche.由Hans Mezger和Paul Hensler设计的 flat-6发动机于1964年首次搭载于 Porsche 911并 35年间 依靠大型风扇和气缸散热片进行冷却.这段时期或许是一辆跑车基础架构中延续最久的.

但到了1990年代,平衡被打破了.排放和噪音法规日益收紧;由于后置发动机布局将两个主要的噪音源集中在同一位置,法规实际上使风冷变得不可能.1997年,保时捷将911转向水冷;993世代成为最后一款风冷911.最后一台风冷车型于 1998年3月30日 交付.

这一转变在品牌的忠实拥趸中引发了至今仍在持续的争论.爱好者们将993之前的发动机视为经典,认为风冷发动机升温更快、机械感更强,并将风冷996之后的车型视为另一个时代.而在技术层面上,显而易见的是,真正的优势在于简单性和零部件数量少,但这种架构已不再与现代排放和性能目标相契合.

终结风冷发动机的三个技术原因

排放与冷启动问题

这是最具决定性的原因.水冷发动机通过节温器将散热器排除在循环之外,使发动机迅速达到工作温度.而风冷发动机的冷却系统始终处于开启状态;发动机在冷启动时长时间保持低温,并排放出更多因不完全燃烧产生的废气.然而,剩余的尾气排放大部分恰恰发生在冷启动时刻.这一机制正是保时捷以及较小程度上大众转向水冷的主要工程依据.排放标准所要求的高燃烧温度是风冷无法实现的.

热点与爆震极限

第二个问题是局部性的:排气门和排气歧管区域会积聚散热片表面无法散去的浓密热量.而水冷通过将冷却液直接引导至这些热点,提供了效率高得多的设计.其自然结果就是压缩极限:水冷设计对燃油品质的敏感度更低,对高压缩比和涡轮增压的容忍度更高.这就是涡轮增压革命对风冷发动机关上门的物理原因.

噪音法规

第三个原因是无形的:水套本身就是一个声音阻尼器.因此水冷发动机天生更安静,能够轻松符合许多国家涵盖发动机噪音在内的标准.风冷发动机凭借风扇噪音和散热片的金属共振,在这一门槛上已再无机会.

车型生产时期冷却架构历史地位
大众甲壳虫 (水平对置四缸)1938-2013风冷产量最大的风冷发动机
保时捷911 (水平对置六缸)1964-1998风冷风冷延续35年;993为末代
雪佛兰Corvair (水平对置六缸)1960-1969风冷美国大规模生产中唯一的大品牌尝试
雪铁龙2CV1948-1990风冷连接曲轴的风扇带来的简化系统
太脱拉T815至今仍在生产风冷符合欧5标准的风冷V8 (320 kW, 2100 N·m)

风冷真的死了吗?

在汽车领域是肯定的;在工程领域则是否定的.由于在活塞式航空发动机中,轻量化与简单性优先于性能和排放目标,Continental 和 Lycoming 发动机仍然采用风冷;而 Rotax 则提供一种将风冷气缸与液冷气缸盖相结合的混合方案.在陆地上最后的坚守者 Tatra,至今仍在生产风冷的 T815 卡车.也就是说,风冷架构并没有消亡;只是随着那些使其变得多余的需求——精确的温度控制、低排放、静音——开始在公路汽车领域占据主导地位,它才从那里退场.风冷,作为简单性最纯粹的体现,只在这些需求较为宽松的领域继续存活着.

参考资料