机械冷却风扇(为什么顶级越野车要用硅油风扇？)

Posted 2023-05-29

篇首语：勿以恶小而为之，勿以善小而不为。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了机械冷却风扇(为什么顶级越野车要用硅油风扇？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

机械冷却风扇(为什么顶级越野车要用硅油风扇？)

聊起丰田普拉多、陆巡等硬派越野车，很多人都会为其启动、加速时“轰轰”的、如同狂风咆哮般的雄厚声浪拍手叫绝。甚至一些不知情的路人闻声侧目后，更是会对这台车的性能产生远超实际的幻想。而这种听觉震撼的来源，其实都离不开一个叫做“硅油风扇”的东西，它独特的运转轰鸣声，也诱惑了无数越野玩家进行了后期改装。像是震哥购买坦克500时，也特意选装了硅油风扇。那么问题就来了，这玩意除了听着唬人外，与普通的散热风扇都有哪些区别呢？凭啥一些硬派越野车会对它情有独钟呢？请往下看！

为了便于大家理解，在正式讲解什么是硅油风扇之前，我们先来简单回顾一下发动机的散热系统。众所周知，发动机运转时会产生大量的热量，如果热量得不到及时排出，发动机气缸盖、缸体、气门、活塞就会因为温度过高而产生膨胀变形，进而导致活塞与气缸壁这种金属之间产生异常磨损。假如再不加以散热，那等发动机热量堆积到超过金属材料的极限耐热性能后，就会出现活塞直接烧融的情况了。所以，为了避免高温损坏发动机、并确保发动机时刻都能运转在合理的温度区间内，于是散热系统便成为了每个发动机不可或缺的关键组成部分。

发动机散热共分为风冷和水冷两种类型，其中由于水的吸热能力要明显强于空气，并且水的导热性也要比空气高20多倍，所以对于发动机这个发热大户来说，水冷肯定是更为合适的散热方式。而在水冷的循环线路布置上，由于发动机的热量主要都聚集在气缸和缸体位置（上图橙红色区域），所以为了有效散热，水冷系统的冷却液循环便会围绕着缸体和缸盖进行布置。

在循环冷却过程中，低温冷却液在吸收了发动机的高温热量后会产生升温现象，而升温后的冷却液对于后续的发动机散热又必然会产生不利影响。不仅如此，由于液体达到一定温度后还会沸腾并产生蒸汽，而液态到气态的转化过程又会伴随着体积的膨大，所以如果冷却液得不到降温，那完全封闭的散热系统就会因为冷却液气化的体积膨大、出现内部压力陡然增加，直至水箱“开锅”。所以为了避免这种现象，冷却液就必须得到充足的散热降温，而为冷却液进行降温的部件，就叫做散热器。

由于散热器是由导热性很好的铝材制成的充满中空结构的部件，所以它可以很好地充当高温冷却液与外界低温空气之间进行热交换的角色。不过需要注意的是，由于空气的比热容小于水，所以同等质量空气所吸收的热量，要小于同等质量的水。这也就意味着只有用大量空气与冷却液进行热交换，最终才能达到降温的效果。

大家都知道，散热器会安装在引擎舱内部最靠前的位置，所以车速越快，穿过散热器的空气流量就越大，因此我们并不需要担心车辆高速行驶时的散热问题。可一旦车辆遇到堵车频繁起步、上坡等负载较大的低速行驶工况，那问题就来了。因为大负载会让发动机的发热量大增，而较低的车速又会导致穿过散热器、用于将热量带走的空气流量不足以完成散热。所以为了解决低速行驶的散热问题，工程师便在设计之初为冷却系统增加了一个能主动为散热器吹风的冷却风扇。

硅油风扇

敲黑板！冷却系统讲到这里，今天的主角--硅油风扇就要闪亮登场了！作为为冷却液在低速主动吹风降温的部件，冷却风扇共分为两种：一种是家用车都在用、占绝对主流的电机驱动风扇，它靠电力进行驱动，并且可以根据散热需求对风扇转速进行精准调整；而另一种就是硬派越野车会使用的硅油风扇了，其工作原理与变速箱的液力变矩器十分相似。首先，硅油风扇的动力来源和液力变矩器一样，都是通过发动机曲轴旋转带动的，因此硅油风扇的转速也会随着发动机转速的起伏而起伏。

其次，如上图所示，硅油风扇分为内、外两个部分，内部名为“主动板”、外部名为“从动板”。其中，与内部主动板同轴、上图最左侧的横向柱状结构，就是与发动机曲轴相连、用于获取驱动力的部分。通过图中不难看出，主动板和从动板之间存在着一定的缝隙，如果这个缝隙被注入硅油的话，从动板就会因为硅油的高剪切粘力作用，而被主动板带着一起转动，那此时套在从动板外部的扇叶自然也会和从动板同频旋转并进行散热了。这种通过油液进行力传递，而非使用机械直连的驱动力传导方式，也与液力变矩器是一样的。只是液力变矩器内部用的是ATF油，而硅油风扇用的是硅油。

看到这肯定有朋友要问了，既然是为了控制风扇的开关以及转速，那直接在风扇与发动机曲轴连接处加装一个电控离合器不就行了，为何还要多此一举去通过主、从动板这种内外结构，以及硅油传导来实现呢？原因有二，其一是如果用离合器来结合曲轴和风扇，那必然会伴随较大的冲击感，首先对于舒适性就会造成不利影响。其次，如果是大排量发动机的话，那与其配套进行散热的风扇也会很大，可以想象，当静止的大号风扇与高速旋转的曲轴结合时，静止风扇所产生的较大阻力便会干扰到曲轴、以及与其相连活塞的正常运转频率，甚至还会造成发动机的异常磨损。

而如果采用硅油的话，如上图所示，由于上方储油腔（图中蓝色结构）逐渐将油充满下方工作腔（图中绿色结构）的过程渐进、且硅油的高粘度有缓冲作用，所以带动风扇旋转的过程会十分柔和，不会对舒适性以及发动机运转造成负面影响，这便是不用离合器控制的第一个原因。

而不用离合器控制的第二个原因，则是因为通常离合器只有2-3个挡位，这也就意味着散热风扇只能有三个调速挡。而硅油风扇由于能通过调节硅油的注入量，来改变内部主动板与外部从动板之间的剪切粘力，从而改变二者的滑移率，所以硅油风扇便具有了无极调速的能力。相当于，只要减少硅油的注入量，就可以使风扇的转速低于发动机转速；而如果将硅油注满的话，风扇的转速就会基本等于发动机的转速了。

看到这，估计一些朋友已经开始根据硅油风扇的工作原理，对它的性能产生一定的质疑了。没错，硅油风扇确实存在着很多不足，这个我们后面会进行讲解，不过在此之前，相信大家一定更想了解，为什么它能得到硬派越野车以及改装玩家的追捧，所以下面我们先来看看硅油风扇的优点，然后再讲解使用硅油风扇会丧失些什么！

对于硬核越野来说，可靠性绝对是要保证的第一优先级，毕竟无论是在荒郊野外、无人区穿越，还是进行大角爬坡，一旦车辆发生故障，那就会直接危及到车内人员的生命安全。而硅油风扇的最大优势，也正是它无可比拟的可靠性。

众所周知，汽车上最可靠的结构，就是结构简单的机械结构，而硅油风扇就是一个结构非常简单的机械部件。首先就像上面讲过的，带动风扇转动的主动板和从动板之间是完全依靠硅油这个流体来传递转矩的，所以二者几乎不会存在磨损，保证了零件的耐久性。

其次，以前的老式硅油风扇，其用来控制硅油注入的阀片，也是一个会根据温度高、低发生形变，从而控制硅油是否注入、以决定风扇是否旋转的单纯机械结构。这个机械结构由金属感温材料制成，当机舱内温度升高到一定程度后，这个温感结构就会打开、使硅油注入，于是主动板的转矩就会传递给从动板，进而带动风扇转动。反之，随着机舱温度下降到一定程度，这个感温结构就会闭合，终止硅油注入，使主动板和从动板分离、风扇停转。由此不难看出，硅油风扇在诞生初期是一个完全不依赖任何电子元件的纯粹机械结构，根本就没什么可坏的地方。

而现如今，工程师为了赋予硅油风扇无级调速的能力，于是便为现在的硅油风扇增加了一个电控阀片（上图红框），它会根据散热器上的温度传感器，来精细控制硅油的流量大小，从而实现对风扇转速的调节。虽然电控阀片的加入，增加了硅油风扇的复杂程度，但由于它依旧保留了以往的机械式阀片功能，所以即使新增的电子部件失效，这套电控硅油风扇也能和机械硅油风扇一样进行工作，依然是可靠性拉满的状态。

事实上，相比硬派越野车而言，卡车更是硅油风扇的忠实拥趸。这其中的缘由，除了硅油风扇皮实耐用的特性外，更是因为卡车的发动机排量高达十几升，如果采用电驱风扇的话，其风扇功率会大的惊人。要知道，汽车的发电量是随速度增加而增加的，可对于卡车这种经常低速高负载行驶的车型而言，发动机低速的发电量根本不足以供超大功率的电驱风扇运转，所以风扇就只能被迫从电瓶取电。但问题是，汽油车的车载电池容量根本不够长时间满足大功率风扇的电量需求，所以电瓶不仅会有亏电的风险，而且这种长期以最大放电倍率的放电行为，还会导致铅酸电瓶的循环寿命快速耗尽，所以卡车才成为了硅油风扇的忠实拥趸。

而硬派越野车的风扇功率虽然不如卡车大，但要知道陆巡这种越野车的电瓶也不过70Ah左右，如果在低速高负载越野时长期带动一个大几百瓦的电风扇运转，那同样会面临电瓶亏电以及提前报废的风险。如果不巧车辆刚好因为没电趴窝在荒郊野岭，那后果更是不堪设想，所以电驱风扇耗电量大也是一些越野车选择硅油风扇的原因。

不仅如此，对于越野车常见的涉水工况而言，硅油风扇更是无敌般的存在。毕竟硅油风扇是一个外部完全密闭的机械结构，只要发动机能转、它就能跟着转。可对于电驱风扇而言，要想应对野外的涉水路段，就必须得针对散热系统的电机、电路进行防水性的升级，会增加零件的复杂度以及成本。更重要的是，不怕一万、就怕万一，万一哪天电驱风扇真因为涉水短路等问题坏在无人区了，那车辆因为得不到有效散热，很有可能就把驾驶员一起留在那里了。

综上所述不难发现，硅油风扇的绝对优势就是可靠、耐用，而这种特质也完美契合了硬派越野车的使用用途以及使用场景。那为了获得可靠、耐用的优点，硅油风扇又要付出怎样的代价呢？咱们继续往下看。

事实上，除了可靠性方面的优势外，硅油风扇几乎就处于一无是处的境地了。我知道在很多人的幻想中，硅油风扇有着极强的散热性能。可事实却恰恰相反，硅油风扇在散热性方面根本比不过普通家用车的电驱风扇，原因主要有以下两点：一是因为硅油风扇是靠发动机曲轴驱动的，因此硅油风扇的转速一定会低于发动机的转速。至于上面讲过的、通过电控装置调整硅油流量，从而使风扇具备无级调速的功能，也只能在低于发动机转速的区间里、将转速往低了调整，以避免发动机尚未完成热机，以及车辆行驶速度较快、空气流量较大时，出现散热过度的问题。

所以在风扇转速一定低于发动机转速的前提下，一旦车辆遇到低速、且高负荷的越野或攀爬场景，由于此时的发动机转速可能只有2000转上下，但由于发动机负荷较大，所以会产生很大的热量，于是不能独立于发动机转速、去自己提高转速的硅油风扇就比不过可以随时飙到4000转的电驱风扇了。

风扇叶片与散热器护风圈的间隙

至于硅油风扇散热效率差的第二个原因，则是因为散热器是固定在车身上的，而硅油风扇是固定在发动机上的，由于发动机在运转时会产生一定的摆动，所以如上图所示，为了避免二者产生磕碰，硅油风扇与散热器护风圈之间必须留有20mm以上的间隙。但也正是由于这个间隙的存在，所以会导致一部分已经吹向发动机的气流产生反向回流，引发风扇送风量减少、冷却系统散热效率降低的问题。要知道，在电驱风扇系统中，由于电驱风扇和散热器全部都安装在车身上，二者之间不存在相对的摆动，所以它们之间的配合缝隙可以缩小到3mm，几乎不存在气流的回流问题。

经过计算，在同样规格的散热系统下，仅仅因为风扇与散热器护风圈间隙的气流回流问题，就会造成硅油风扇的风量比电驱风扇低上23%，并且噪音还大了足足3分贝，会对日常行驶时的车厢静谧性产生一定的影响。

众所周知，一个系统的运转阻力越小，其消耗的功率也就越小，也就能越省油。而硅油风扇的阻力主要来源于两个方面，其一是前面提到的，由于硅油风扇是利用硅油的高剪切粘力来传递动力的，不像电驱风扇一样是机械传递，所以它也会像自动变速箱的液力变矩器一样产生滑动损失，并且风扇转的越快、滑动损失就越大，这就意味着发动机的一部分功率会被硅油的滑动损失浪费掉。而电驱风扇由于是纯机械传递，所以完全不存在滑动损失，节油效果自然会更好。

硅油风扇运转阻力大的第二个原因是，由于硅油风扇的驱动力来源是发动机曲轴，那为了保证转动效率，所以工程师并不会将硅油风扇与曲轴之间的连接杆做得很长。而风扇与发动机之间较短的距离，便会导致空气流经风扇后，会直接撞在发动机上，造成气流动阻力变大的问题。所以相较于靠电力驱动，风扇可以跟散热器一同布置在车头尽可能靠前、远离发动机位置的电驱风扇而言，硅油风扇要想达到相同的散热效果，就需要消耗更多燃油来提升自身净功率，从而抵消掉空气阻力大的问题。

尽管硅油风扇凭借超高的可靠性赢得了硬派越野车的青睐，但由于其动力取自于发动机曲轴的工作方式，所以只有发动机曲轴对着车头，且曲轴前方还有足够空间塞进风扇的纵置车型才能使用硅油风扇。而一些低价位横置SUV，由于机舱空间十分紧凑，所以根本无法将风扇塞进去。这也就意味着，硅油风扇的应用范围十分受限。

综上所述不难发现，硅油风扇就是一个除了可靠性以外，在散热效率、噪音分贝、动力燃油消耗等方面一无是处的散热装置，所以它的身份也一直十分小众。不过，对于越野车这种多用于探索未知、且过程充满不确定性的车型来说，可靠性的优先级绝对是最高的。这也是为什么“大G可以带你去任何地方，但只有丰田能带你回家”中的丰田，一贯“固执”地在普拉多、陆巡上坚持使用硅油风扇的原因。