涡轮增压的发动机为何会比普通发动机拥有更大的动力,其中原因之一就是其换气的效率比一般发动机的自然进气更高。当空气进入涡轮增压后其温度会大幅升高,密度也相应变高,而中冷器正是起到冷却空气的作用,高温空气经过中冷器的冷却,再进入发动机中。如果缺少中冷器而让增压后的高温空气直接进入发动机,则会因空气温度过高导致发动机损坏甚至死火的现象。
中冷器的作用是降低发动机的进气温度。那么为什么要降低进气温度呢?
(1)发动机排出的废气的温度非常高,通过增压器的热传导会提高进气的温度。而且,空气在被压缩的过程中密度会升高,这必然也会导致空气温度的升高,从而影响发动机的充气效率。如果想要进一步提高充气效率,就要降低进气温度。有数据表明,在相同的空燃比条件下,增压空气的温度每下降10 ℃,发动机功率就能提高3%~5%。
(2)如果未经冷却的增压空气进入燃烧室,除了会影响发动机的充气效率外,还很容易导致发动机燃烧温度过高,造成爆震等故障,而且会增加发动机废气中的NOx的含量,造成空气污染。
为了解决增压后的空气升温造成的不利影响,因此需要加装中冷器来降低进气温度。
中冷器一般由铝合金材料制成。按照冷却介质的不同,常见的中冷器可以分为风冷式和水冷式2种。
使用设计良好的中冷器可以额外多获得5%-10%的动力。
也有一些车子使用顶置中冷器,通过发动机盖上的开孔来获得冷却空气,所以在车子起步之前,中冷器只会受到一些从发动机舱吹来的热风的吹拂,虽然散热效率受到了影响,不过因为进气温度在这样的情况下会升高,所以发动机的油耗会下降不少,这样也间接降低了发动机的工作效率,但是对于功率强劲的增压车来说,过大的动力导致的起步不稳反而会在这种情况下缓解,Subaru斯巴鲁的Impreza车系就是顶置中冷器的典型。除此之外,顶置中冷器布局最大的优势还在于可以有效的缩短压缩气体到达发动机的行程。
对于许多车迷而言,前保杆内的中冷器是心中梦寐以求的改装部品,也是不可或缺的性能象征,就如同泄压阀的声音一般。然而外表看似相同的各式中冷器,其中有何学问在呢?若想升级或安装又有哪些事项需注意呢?上述这些问题将在本单元中一一位各位解答,有兴趣的读者不妨继续看下去!为何需加装中冷器
在正式进入本单元前,笔者还是先说明一下安装中冷器的原理为何。中冷器的安装目的,主要是为降低进气温度,或许读者会问:为何需要降低进气温度?这就得提到涡轮增压的原理。涡轮增压的工作原理,简单说是利用引擎排废气来冲击排气叶片,然后带动另一侧进气叶片,强制压缩空气并送往燃烧室中,由于排废气的温度通常都高达8、9百度,连带使涡轮本体同样处于极高温的状态,如此便会提高流过进气涡轮端空气的温度,加上压缩过的空气同样也会产生热度(因为压缩过的空气分子距离变小,会相互挤压、磨擦产生热能现象),如果这股高温气体未经冷却就进入汽缸中,很容易导致引擎燃烧温度过高,接着就会使汽油预燃发生爆震,让引擎温度更加上升,同时压缩空气的体积也会因热膨胀而大幅降低含氧量,如此一来便会降低增压效益,自然无法产生该有的动力输出。另外,高温也是引擎的隐形杀手,若不设法降低运转温度,一旦遇到天气较热的环境,或是长时间操驾的情况下,很容易增加引擎故障机率,因此才需加装中冷器来降低进气温度。知道中冷器的功能后,接着我们来探讨它的构造及散热原理为何。
请读者们先看图一,这张类似千层糕的东西,就是中冷器的剖面图,由此图中我们可看出中冷器主要是由两个部分所组成。第一部分名称为Tube,也就是图中第一层,其功能在于提供一个信道,容纳压缩空气使之流过,因此Tube必须是密闭空间,如此压缩空气才不至于发生泄漏压力的问题,且Tube的外形还分成四方形、椭圆形与长锥形三种,其差别在于风阻与冷却效率间的取舍。第二部分名称为Fin,也就是俗称的鳍片,通常位于上下两层Tube间,并紧密的与Tube相黏在一起,其功能在于散热,因为当压缩热空气流经Tube时,会将热量经由Tube的外壁传达到鳍片上,此时若有外界温度较低的空气流经鳍片时,就能顺便将热量带走,达到冷却进气温度的目的。经由上述两部分不断重叠一起,直到10~20层的结构物,则称为Core,这部分就是所谓的中冷器主体。另外,为了使来自涡轮的压缩气体在进入Core前,能有缓冲及蓄压的空间,及出Core后能提升空气流速,通常都会在Core两侧,再装上名为Tank的零件,其外型像漏斗状一般,其上还会设置圆形进出口,以方便连接硅胶管,而中冷器就是经由上述四个部分所组成。至于中冷器散热的原理就如同刚才提到的一般,是利用众多的横向Tube分割压缩空气,然后来自车头的外界直向冷风,再经过与Tube相连的散热鳍片,就可达到冷却压缩空气的目的,使进气温度较为接近外界温度,因此若要增加中冷器的散热效率,只要加大其面积及厚度,以增加Tube数量、长度和散热鳍片等,就可达到此目的。但有这么容易吗?其实不然,因为愈长、面积愈大中冷器,就愈容易产生进气压力耗损的问题,而这也是本单元主要探讨的问题之一。为何会产生压力损失
虽然大容量中冷器,因热交换时间延长有更好的冷却效能,但却会发生空气流速变慢及压力损失的问题,且进一步使涡轮迟滞现象更为严重,为什么?这要从两个方面谈起。相信曾经自己洗过车的读者都知道,要让水管里的水柱喷的较远、较快,只需挤压水管头就可达成,为什么会这样?那是因为在水压不变的情况下,单位时间的流量不会因管径大小而改变,因此为达到这目的,只要缩小管径,流速自然变快,相反的一增加管径、流速就会变慢,而这情况也发生在整个进气管路里。因为当空气由原先容纳空间较小的进气管路中,流经空间较大的中冷器时,就会产生流速变慢的现象,且此问题对于小出风量涡轮搭配大型中冷器时尤其严重,如此一来将使涡轮迟滞现象更为严重。
另外,当空气由进气管路进入中冷器的Tube时,会因管径粗变细的分流转换,产生流速阻力,造成一定程度的压力损失,再加上许多中冷器为增加冷却效率,都会在Tube里设置鳍片(Tube不一定是中空的),这样也会产生气流阻力,两者相加,涡轮迟滞问题相对会更加明显。值得一提的,上述提到的压力损失,指的并非是增压值的减少,因为进气管路是密闭的,所以排气泄压阀的泄压动作,一定需达到车主设定的增压值才会进行,因此恒压值是不会降低,只不过会延长到达的时间(因为部分压力被消耗掉)及影响增压反应,而这也是压力损失造成的最大影响。既然加装中冷器会使涡轮迟滞更加明显,可是又不能不装,因此如何兼顾冷却效率及压力维持,则成了改装中冷器的首要课题。改装中冷器的两难
一个强调性能化的中冷器,除要有良好的散热能力外,压力损失的减低亦必须考量进去,不过抑制压损与提升冷却效率,在技巧上是完全相反的,譬如一个体积大小相同的中冷器,倘若完全以散热为出发点来设计,里面的Tube就需做得更细且增加鳍片数量,如此就会增加空气阻力;但如果就维持压力层面来着手,又得加粗Tube及减少鳍片,相形之下热交换的效能便较差,所以中冷器的改装绝不如我们想象中的简单。因此要兼顾冷却效率与维持压力的方法,大部分会从Tube与鳍片两部分来着手。首先是Tube部分,其中又分成两种方式,第一:使用管径较粗但管壁极薄的式样,以粗管径来增加空气流通的顺畅度,并利用管壁薄的特点提高散热性。第二:在管径较粗的Tube里,额外设置鳍片在里头的方式,来增加热空气接触金属片面积,以提高热传达量,自然散热效率也就能增加,不过此种设计大多使用在竞技车或是高增压车辆的中冷器里,如此才不至于产生太大的迟滞现象。
接下来是鳍片部分,一般型中冷器的鳍片,就如同图二一般,其形状通常为直条状无任何开口,且中冷器的宽度多长,鳍片就有多长,不过既然鳍片在整个中冷器里,扮演散热功能的主要角色,因此只要增加其接触冷空气的面积,就能提高热交换功率,因此许多中冷器的鳍片,后来都改用图三中,各种形式的设计,其中又以波浪状或是俗称百叶窗设计的鳍片最为流行。不过就散热效率来说,还是以图四中所谓交迭散热鳍片为最佳,但产生的风阻力量也最为明显,因此较常见于日本D1参赛车上,因为这些比赛车辆的速度都不快,可是却需良好的散热效果,来保护游走于高转速的引擎。进行中冷器改装