活塞引擎 3：散熱與排氣

作為一個在大氣環境下運作的引擎，不論在飛機上還是在汽車摩托車上， 最簡單的冷卻辦法就是讓外面的空氣直接吹佛引擎本體，特別是大力吹佛那些最會發熱的地方，也就是汽缸。 若以散熱方式來對引擎分類，則採用這種散熱方式的引擎我們就稱為「氣冷(風冷)式」發動機； 對比之下，另外一種比較複雜的散熱型態就稱為「液冷式」發動機。

液冷式發動機的引擎本體會稍厚一些，內部會分佈許多縱橫複雜的管道， 這些管道重點會流過整個汽缸和汽缸頭的內壁。 當冷卻液體流經這些管道時就會一路吸收引擎的熱量，在引擎裡面繞過一圈以後變成熱水流出來， 然後再經過其它的外部管路被導流到(可能)距離引擎有一段距離的熱交換器，並在那裡被外界的空氣吹涼。 在熱交換器(或稱「散熱器」)冷卻後的水再經另一條管路回到引擎，繼續重複吸熱並冷卻引擎的循環。 當然，這些冷卻液體不會自己動起來，管路中必定要有一個水泵去推動液體的流動， 而這些泵通常也是由引擎的曲軸來驅動的。

氣冷式引擎為了能夠更快速有效的將汽缸內的積熱傳遞到外界被外部氣流帶走， 汽缸壁一般都較薄，並且汽缸和汽缸頭的外面會造出許多層疊薄片般的散熱片， 而這往往也是分辨氣冷式發動機的最顯著特徵(參考 Figure 2)。 液冷式引擎因為不需要造成像鱗片付身一樣的散熱片，所以外觀上看起來會更加平滑(參考 Figure 4)， 不過液冷式的引擎本體也就是汽缸所在位置會比較厚，這樣才能讓包覆冷卻管路在裡面環繞(參考 Figure 6)。 此外液冷式發動機需要配套一個以上的散熱器，而這也成為液冷發動機的一個重要特徵(參考 Figure 4)； 至於液冷發動機的散熱器會放在哪裡？這個就很不固定了， 因為有冷熱水水管的連結，散熱器的擺放位置很具有彈性。

液冷式發動機往往也被稱作「水冷式」。 這種稱呼法並沒有什麼錯誤，只是因為這些用來傳遞熱量的液體並不一定是水， 所以一般還是稱其為「液冷式」會更加貼合現實。 即便大部份發動機確實是以水作為冷卻液，但也不是純水，而是會添加許多的其他添加物， 例如防凍成份、防鏽成份等。

採用液冷發動機的好處是發動機和散熱這兩部份可以脫開來處理，使得各自的彈性都很大。 發動機的設計和安置無需過度遷就散熱，同樣的散熱器也自成一套系統，與發動機之間的依賴性不大， 各自都可以朝著各自的需求和目的進行最佳優化。 這就是為什麼在二戰時期的歐洲戰場，各型飛機很大比例都偏好使用液冷發動機的原因了！

於是搭配了水冷式散熱系統的 V 型 12 缸發動機在二戰時期就這麼被各家飛機廠寵愛、 瓜分了航空發動機的半壁江山，放眼二戰歐洲上空的各式名機， 不管是德國的 Bf109、歐洲的颶風和噴火，美國的 P-39、P-40、P-51， 還是俄國的米格戰鬥機，用的全是 V 型(或倒 V 型)發動機， 甚至連在不列顛戰役中轟炸英國的主力 He111 轟炸機也採用了液冷 V 型發動機。 因為 V 型佈局整體幾何空間尺寸合適，用在地上的汽車可能被嫌過長，但是用在飛機上卻沒什麼大問題。 機鼻子會稍長一點那就長一點了唄， 可是它長方的形狀更加適合為了減低空氣阻力而打造的、粗略呈圓柱的細長機體， 對於講究高速飛行的航空飛機來說簡直就是再合適不過。

除了引擎本體之外，採用液冷式的發動機通常不會遭遇到來自於散熱效率不足的問題。 因為發動機與散熱器為兩個不同的獨立裝置， 如果在設計階段知道散熱率不足，那麼就換上效果好一點的、或大一點的散熱器； 如果一個散熱器不夠，那就裝上兩個散熱器，只要能夠源源不絕的提供足夠涼的冷卻水，引擎就不會過熱！ 因為散熱器是個完全獨立的裝置，只需要為了最有效的將水管內熱水的熱量傳遞出去給風吹走， 而無需遷就引擎，因此散熱器往往可以被設計的非常高效。 散熱器不只無需遷就發動機的型式，也無需遷就發動機的位置。 只要能透過管路連結傳遞冷熱水，那麼散熱器的安裝位置便非常自由彈性， 幾乎可以依據設計者的通盤考量而被安置在各處角落。 可以被放置在距離發動機或近或遠，對於散熱最有利的位置上。

液冷式發動機這樣看上去非常棒，讓整個動力系統可以各自放開拳腳施展，當然也不是沒有代價的； 否則若非如此，哪能還有其它散熱型式存活的空間呢？ 液冷式發動機最大的問題就來自於多出了這一套冷卻裝置、和連結的管路。 首先它直接增加了整個動力系統的重量，然後設計的複雜度和生產成本也被提高， 在維護保養上也需要為冷卻系統和管路多出一份負擔，同時更複雜的系統也增加了動力系統的故障失效概率。

一旦在天空上發生了冷卻系統故障、或冷卻液洩漏，則用不了多久就能讓發動機過熱損毀！ 對於一般民用航空來說，這增加了保修負擔和故障機率； 但對於軍事用途來說，這讓飛機對於作戰的損傷承受風險更高了； 特別是那連結發動機與散熱器的長長管路被擊中波及損壞的機率也不是太低，一旦損傷卻將導致發動機罷工報銷！ 對於歐陸戰場來說，墜落之後只要還能跳傘逃生多半都會生還，頂多就是被敵人抓走； 但是對於在廣袤太平洋上巡邏戰鬥的飛行員來說，跳傘之後若不能即時被找到救起，那就只能餵鯊魚了！

氣冷式發動機的好處就是比較簡單單純， 沒有額外的散熱器、也沒有亂七八糟的冷卻管路，直接讓外面迎風的冷空氣吹過汽缸帶走熱量。 少了額外的負擔，重量變輕了、結構簡化了、成本下降了、故障率降低了、維護保養更輕鬆了， 並且更能夠經得住在戰場下的破壞和生存。

當然氣冷式發動機的好與壞、優與劣，是互相參雜交織的。 不像液冷式發動機因為將散熱拉出來在別的地方處理，所以發動機本體可以隨便怎麼做都好， 氣冷式發動機因為需要依賴迎風氣流來散熱，所以發動機的設計和佈置就不能不考慮迎風氣流這件事。 像上圖(Figure 18)的例子，既想用直列六缸引擎、同時又想要氣冷，就只好把發動機給橫著放了。 這就是為了妥協迎風氣流散熱的緣故而只能夠採取這樣的佈置法，因為如果不橫著放而是直的放， 那麼靠後面的汽缸就只能吃到已經吹過了前面汽缸的熱氣，愈靠後的汽缸愈容易遇到散熱不良的問題。 所以為了顧及吹風散熱的問題，一排汽缸就只能夠橫著放了； 如果換成液冷型式，那麼這引擎就不管是橫著放、竪著放、或斜著放都沒問題了！

所以在設計氣冷式發動機時，就必須要妥善考量發動機(其實主要是汽缸)與氣流的關係。 一般來說，同一個來源的空氣最多只能吹過一、兩個汽缸； 再多吹幾個汽缸也不是不行，但是積熱問題和散熱的排佈絕對夠引擎設計著傷透腦筋！ 這就是為什麼採用水平對臥氣冷式發動機的小飛機，汽缸數總是 4 缸，而絕少 6 缸以上的原因。 那麼如果需要大馬力發動機，就得多堆汽缸數量， 於是看來看去只有星型排佈能夠符合多汽缸之下還能兼顧氣吹冷卻的條件了， 而這就是為什麼那些採用了氣冷散熱的發動機(低馬力的小引擎除外)總是星型佈局的原因。 反過來也是一樣的，星型發動機總是採用氣冷散熱型式，兩者成為互相專屬的最佳搭配。 這時也許有些聰明的讀者會提出反駁： 「為什麼星型佈局只能使用氣冷散熱？難道就不能讓星型發動機用液冷散熱嗎？」 關於這個問題，理論上的確可以，但是通常沒有人會這麼做。 至於為什麼？因為如果都決定要用液冷方案了，汽缸排佈就無需遷就氣流； 既然排佈的自由度有了，為何不採用其它更有利於減少阻力或其它優點的佈局方式呢？ 至此就形成了一個固定的結論： 在大馬力發動機上，氣冷必須採用星型佈局，並且星型佈局也只會搭配氣冷散熱。

如同我在前篇的汽缸佈局解說 ^[12]， 氣冷發動機的另一個缺點就是正面截面積比較大，令飛機機身不得不變得更粗，機頭也會呈扁平而非尖銳的流線型， 這導致採用氣冷發動機的飛機在空氣動力的設計上會稍嫌吃虧。 回顧二戰時期經典戰鬥機的性能數據可以看出此項優劣特性， 即便同時期星型發動機的馬力普遍大於 V 型發動機(因為汽缸多)，即便星型發動機少了散熱管路的負擔和重量， 但是在那些飛行速度最快的戰鬥機列表裡，仍然大部份是液冷 V 型發動機的天下！

發動機採用直接氣冷散熱還有一個缺點：散熱控制較為不易，散熱條件浮動範圍較大。 比如說在飛機飛在天上的時候，低溫的迎風氣流很是充沛， 但是當低速起降時、或是在地上滑行、運轉時，缺乏足夠的冷卻氣流，容易導致過熱的現象。 此外發動機溫度的變化範圍也較難穩定控制， 比方說液冷發動機能夠隨時增減散熱程度，控制發動機的溫度在較穩定的區間， 甚至在冷機剛發動的時候可以完全停止散熱工作，使發動機溫度快速升高， 然而這些卻都是氣冷發動機所難以企及的。

因此氣冷發動機需要承受更大的溫度變化範圍，在零件的膨脹裕度上都要保留比較多的空間， 沒法像液冷發動機那樣「精準」。 此外大馬力的氣冷發動機往往會裝設有引擎專用的風扇，好在飛機沒有空速的時候仍能提供足夠的散熱氣流。 並且，配備了氣冷發動機的飛機，在發動機艙的後面多半會安裝有可以控制開闔的空氣活門， 在起降的低速階段、以及停在地上運作的時候，可以讓更多的空氣通過引擎本體所在區域， 也是為了幫助在低速時的散熱率。

引擎燃燒過後的廢氣該怎麼處理呢？說來也好笑，就是直接排掉就可以了！ 飛機的排氣管沒有連接什麼三元催化器、也沒有什麼消音器，就是一根管子從汽缸頭接出來，就排出去了。 頂多就是把排氣管給折彎一下讓它朝向機體後方，使排氣的反作用力可以給飛機稍微增加一點點助推力！ 不過也正是因為如此，我們在看那些老二戰飛機的時候， 才能透過飛機外面明顯的排氣管看出發動機安裝的位置，甚至可以去數排氣管的數量來判斷發動機的汽缸數量。

說到底，飛機的排氣之所以沒有額外的更多環保處理程序，最主要的原因大約是： 一、早期還沒有對於環保要求的意識；二、現代航空發動機的排氣量實在是太大了，要談過濾並不現實！ 另外在汽車上很看重的還有一部份是噪音，然而這點噪音對飛在天上的飛機來說其實也不是什麼大事， 因為活塞引擎實在是太安靜了，只要在一定的距離之外也根本不容易聽見引擎的聲音； 不過什麼？你說你在地上看飛機在飛的時候明明就有聽見吵雜的轟鳴聲嗎？ 喔不！你聽見的那個噪音其實主要是螺旋槳切過空氣所產生的音爆，真正的引擎聲其實並不大， 往往要在飛機低空略過的時候去仔細聆聽才能夠從螺旋槳製造的噪音中分辨出來。 總而言之，活塞引擎飛機其實並不太注重所謂噪音的問題， 它對於飛機來說是相對安靜的，除了坐在飛機裡面的人之外！ 不過即便是坐在艙內能夠明顯聽見發動機運作的聲音並感受到振動， 艙內噪音的大宗來源仍然是來自於螺旋槳，而非汽缸引擎本身。 (因此我們常能看到小飛機的駕駛員喜歡佩帶大大的主動降噪式耳機在頭上)

看起來有關飛機發動機的排氣話題就是這樣的簡單單純，目前能夠講述的內容實在不多， 這也是為什麼我把這個主題與散熱併在一起的原因。 然而這個看起來簡單的排氣其實隱藏了一個有關於活塞發動機的重要瓶頸， 也是未來在討論活塞發動機的發展天花板時不能不直視的一個重要問題，那就是： 傳統活塞引擎對能量的使用其實是挺低效的！

活塞把空氣壓縮了比方說 10 倍以後，我們一鬆手這壓縮的空氣也就會膨脹回來， 假設沒有漏氣和摩擦問題的話，那麼空氣就會完整膨脹 10 倍回到原來的體積。 然而當我們在把空氣給壓縮 10 倍以後還把它給點火加熱了， 那麼這空氣能膨脹的程度肯定就不只 10 倍了； 至於實際可以膨脹多少倍？這問題我們往後會再細算。 即便空氣可以膨脹超過 10 倍有餘，可是很不幸的，在汽缸內它最多也只能夠膨脹 10 倍， 然後就得被排出去了。 你說空氣它還有壓力，還能再繼續出力，那為什麼不讓它繼續推動活塞使引擎產生更多動力呢？ 因為我們的活塞已經到底了啊！ 活塞跟著連桿和曲軸走，當曲軸曲柄轉到活塞對面的時候，這就是最大的程度了， 接下來汽缸得往回走，這些氣體要再不排出去的話就會變成阻力了！

這就是為什麼我說傳統活塞發動機其實對空氣能量的利用是挺浪費的， 明明是仍然富有相當能量的熱空氣，明明應該還能夠用它來做什麼， 但是我們卻無法利用，只能稱它為廢氣，並且眼睜睜的看著它被排放出去！ 但是畢竟活塞引擎的活塞就是跟著曲軸圓周走的，氣體膨脹和壓縮行程只能對稱連動， 活塞到底了就得往上，即便知道熱空氣它還有力氣，卻再也利用不了。 而這也是為什麼近代會有阿金森循環引擎、和米勒循環引擎興起的原因， 不過這個扯遠了，以後有機會再深入討論。 對於傳統螺旋槳飛機來說，眼看著仍然富有能量的高溫高壓廢氣就這麼被排放出去，卻也是莫可耐何。 頂多只能把排氣管給折彎一下朝向後面，讓排放的廢氣向後噴，產生一點點的反作用力來補貼飛機的推力。 至於這個一點點的推力補貼是多少呢？大約等效於給引擎增加了 50 到 100 馬力的推力吧 (同時期的發動機功率大多在 1200 至 2000 馬力左右)，聊勝於無嘍！