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帶你認識增壓發動機(4)中冷器的作用

12.jpg5.jpg我們分別介紹了增壓原理和2種增壓器。從這篇開始,我們要介紹增壓發動機其他重要的部件,因為只有一個增壓器是遠遠不能完成工作的。那么我們首先要介紹的是和增壓器“對著干”的中冷器

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  之所以說中冷器和增壓器是“對著干”,是因為中冷器會增加空氣阻力,使增壓空氣的壓力下降,導致增壓效果減少,發動機響應變慢,不過這種效應相比起中冷器對發動機提升功率的作用來說,就顯得無足輕重了。

  為什么要中冷器

  首先接著之前的話題,當空氣經過增壓器被壓縮后,溫度會升高,這是一個基本的物理原理。增壓后的氣體溫度大概會升高多少呢?這個要視乎增壓器的工作情況而定,轉速越高,增壓壓力越大,溫度上升就越大,一般而言能夠上升40-60度左右,加上空氣本來的溫度,增壓后的氣體已經很燙了。

  高溫氣體對發動機的影響主要在兩點:一是空氣體積大了,相當于發動機吸進的空氣又變少了;而第二點更為重要,高溫空氣對于發動機燃燒特別不利,功率會減少、排放會變壞。在相同的燃燒條件下,增壓空氣的溫度每上升10 ℃,發動機功率就會下降大約3%~5%。這個問題就非常嚴重了,好不容易增加的功率會被空氣溫度過高而抵消,為了解決這些問題,我們需要把增壓后的空氣再度冷卻再送進發動機。而承擔這一重任的部件就是中冷器。中冷器聽上去很酷,其實原理和結構跟我們家用冰箱和空調的散熱器沒什么區別。

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中冷器形狀各異 但基本原理和結構與我們的冰箱空調散熱器沒什么區別

  空冷還是水冷?

  要將空氣冷卻,無非就是兩種方法。一種是通過車輛行駛的時候迎面撞進的冷風進行降溫,另一種就是使用水冷。前者的原理和我們家用的冰箱、空調的散熱器是一樣的,就是讓空氣通過一根根管道,增加管道和周圍空氣的接觸面積,然后通過周圍的空氣將其降溫。

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放在發動機上方的空氣冷卻的中冷器

  水冷則是剛好和風冷相反。就是將一個冷卻器(形狀和原理和風冷的中冷器基本一致)放進進氣管道里,讓增壓后的熱空氣流過。而冷卻器里則有冷卻水不斷地流動,從而帶走增壓空氣的熱量。

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實線表示空氣的流動 虛線表示冷卻水的流動

  副作用:發動機響應速度變慢 渦輪遲滯變得嚴重

  一般來說,中冷器越大,其內部的氣流損失越小而且冷卻效率也越高,而氣流停留在中冷器內部的時間越長,冷卻效果就越好。不過中冷器就好比增加了進氣管道的容積,增壓器產生的壓縮空氣首先要把這個容積填滿,然后才能產生增壓效果。如果用在渦輪增壓上,直接的表現效果就是渦輪遲滯變得嚴重;即使是機械增壓的機器,也會引起發動機響應變慢。

  另一方面,由于增壓空氣必須流過各種管道,因此阻力增加了,其增壓壓力肯定會被削弱一部分。不過這種削弱只是在踏下油門后一段很短的時間內產生,因為增壓空氣被削弱壓力后會在中冷器到進氣門這段密封的空間內重新建立足夠的壓力,直至泄壓閥打開(關于泄壓閥我們以后再介紹)。因此,最終的表現依然是發動機響應變慢,渦輪增壓的遲滯現象會變得嚴重。

  中冷器會使渦輪遲滯更加明顯,可是又不能不裝,因此如何兼顧冷卻效率及壓力維持,是工程師最為頭疼的問題。其中最根本的方法是減少整個進氣管道的容積,降低管道阻力,縮短進氣管路,因此我們看到的中冷器往往都是緊貼發動機,而不像散熱水箱那樣遠離發動機。這樣的話,發動機整體也會更加緊湊。

 中冷器在哪?

  不同機器的中冷器放置地方是不一樣的,中冷器放在哪是一個很復雜的問題,但總體原則就是盡量縮短整個進氣管道的容積,提高發動機的響應。

  高增壓、大排量的發動機由于進氣量大,溫度高,往往需要一個大中冷器。大型的中冷器我們比較容易見到的是放在發動機頂上,這樣可以通過在發動機艙蓋上開一個進氣口,使用迎面撞入的冷空氣降溫,這種方式在很多車上都能見到,例如翼豹STI、MINI COOPER S。放在發動機上方的好處是結構緊湊,管道短,非常適合于小車和改裝車使用。但這種布置方式由于太過貼近發動機,會受到發動機熱量的影響。

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典型的上置式中冷器

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MINI COOPER S和翼豹STI都在發動機蓋上開口進行中冷器散熱

  還有一種布置形式是把中冷器放在汽車中網前部下方。這種方式充分利用了迎面而來的冷風進行散熱,但管道過長,布置更為復雜。由于更接近地面,受到地面沙石破壞的可能性也更大。

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  對于這兩種冷卻方式而言,都屬于外置式的風冷,適用于大型中冷器。而現在的趨勢都是低增壓的發動機,并不需要太大的中冷器,同時也為了讓發動機更加緊湊,目前很多發動機都采用水冷的方式,將一個冷卻器放入進氣管道,當空氣經過的時候就被冷卻了,結構非常緊湊。

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奧迪3.0 FSI的增壓器和中冷器整合為一個整體 結構非常緊湊

  我們熟悉的大眾1.4T渦輪增壓發動機就是采用這種方式,而奧迪的機械增壓也是采用這種形式進行冷卻,結構相當緊湊。由于這種中冷器完全安裝在內部,因此受到灰塵和沙石損傷也更少。

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大眾1.4TSI使用的中冷器

  中冷器是增壓發動機里非常重要的部件,它能有效降低空氣溫度,提高發動機功率。除了要降低空氣的溫度,我們還要對渦輪增壓器降溫、對增壓壓力進行控制。


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