渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)為何會(huì)比普通發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更大的動(dòng)力,其中原因之一就是其換氣的效率比一般發(fā)動(dòng)機(jī)的自然進(jìn)氣更高。當(dāng)空氣進(jìn)入渦輪增壓后其溫度會(huì)大幅升高,密度也相應(yīng)變高,而中冷器正是起到冷卻空氣的作用,高溫空氣經(jīng)過(guò)中冷器的冷卻,再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)中。如果缺少中冷器而讓增壓后的高溫空氣直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī),則會(huì)因空氣溫度過(guò)高導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞甚至死火的現(xiàn)象。
中冷器的作用是降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度。那么為什么要降低進(jìn)氣溫度呢?
?。?/font>1)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣的溫度非常高,通過(guò)增壓器的熱傳導(dǎo)會(huì)提高進(jìn)氣的溫度。而且,空氣在被壓縮的過(guò)程中密度會(huì)升高,這必然也會(huì)導(dǎo)致空氣溫度的升高,從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。如果想要進(jìn)一步提高充氣效率,就要降低進(jìn)氣溫度。有數(shù)據(jù)表明,在相同的空燃比條件下,增壓空氣的溫度每下降10 ℃,發(fā)動(dòng)機(jī)功率就能提高3%~5%。
?。?/font>2)如果未經(jīng)冷卻的增壓空氣進(jìn)入燃燒室,除了會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率外,還很容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度過(guò)高,造成爆震等故障,而且會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的NOx的含量,造成空氣污染。
為了解決增壓后的空氣升溫造成的不利影響,因此需要加裝中冷器來(lái)降低進(jìn)氣溫度。
中冷器一般由鋁合金材料制成。按照冷卻介質(zhì)的不同,常見(jiàn)的中冷器可以分為風(fēng)冷式和水冷式2種。
使用設(shè)計(jì)良好的中冷器可以額外多獲得5%-10%的動(dòng)力。
也有一些車子使用頂置中冷器,通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上的開(kāi)孔來(lái)獲得冷卻空氣,所以在車子起步之前,中冷器只會(huì)受到一些從發(fā)動(dòng)機(jī)艙吹來(lái)的熱風(fēng)的吹拂,雖然散熱效率受到了影響,不過(guò)因?yàn)檫M(jìn)氣溫度在這樣的情況下會(huì)升高,所以發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗會(huì)下降不少,這樣也間接降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率,但是對(duì)于功率強(qiáng)勁的增壓車來(lái)說(shuō),過(guò)大的動(dòng)力導(dǎo)致的起步不穩(wěn)反而會(huì)在這種情況下緩解,Subaru斯巴魯?shù)腎mpreza車系就是頂置中冷器的典型。除此之外,頂置中冷器布局最大的優(yōu)勢(shì)還在于可以有效的縮短壓縮氣體到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的行程。
對(duì)于許多車迷而言,前保桿內(nèi)的中冷器是心中夢(mèng)寐以求的改裝部品,也是不可或缺的性能象征,就如同泄壓閥的聲音一般。然而外表看似相同的各式中冷器,其中有何學(xué)問(wèn)在呢?若想升級(jí)或安裝又有哪些事項(xiàng)需注意呢?上述這些問(wèn)題將在本單元中一一位各位解答,有興趣的讀者不妨繼續(xù)看下去!為何需加裝中冷器
在正式進(jìn)入本單元前,筆者還是先說(shuō)明一下安裝中冷器的原理為何。中冷器的安裝目的,主要是為降低進(jìn)氣溫度,或許讀者會(huì)問(wèn):為何需要降低進(jìn)氣溫度?這就得提到渦輪增壓的原理。渦輪增壓的工作原理,簡(jiǎn)單說(shuō)是利用引擎排廢氣來(lái)沖擊排氣葉片,然后帶動(dòng)另一側(cè)進(jìn)氣葉片,強(qiáng)制壓縮空氣并送往燃燒室中,由于排廢氣的溫度通常都高達(dá)8、9百度,連帶使渦輪本體同樣處于極高溫的狀態(tài),如此便會(huì)提高流過(guò)進(jìn)氣渦輪端空氣的溫度,加上壓縮過(guò)的空氣同樣也會(huì)產(chǎn)生熱度(因?yàn)閴嚎s過(guò)的空氣分子距離變小,會(huì)相互擠壓、磨擦產(chǎn)生熱能現(xiàn)象),如果這股高溫氣體未經(jīng)冷卻就進(jìn)入汽缸中,很容易導(dǎo)致引擎燃燒溫度過(guò)高,接著就會(huì)使汽油預(yù)燃發(fā)生爆震,讓引擎溫度更加上升,同時(shí)壓縮空氣的體積也會(huì)因熱膨脹而大幅降低含氧量,如此一來(lái)便會(huì)降低增壓效益,自然無(wú)法產(chǎn)生該有的動(dòng)力輸出。另外,高溫也是引擎的隱形殺手,若不設(shè)法降低運(yùn)轉(zhuǎn)溫度,一旦遇到天氣較熱的環(huán)境,或是長(zhǎng)時(shí)間操駕的情況下,很容易增加引擎故障機(jī)率,因此才需加裝中冷器來(lái)降低進(jìn)氣溫度。知道中冷器的功能后,接著我們來(lái)探討它的構(gòu)造及散熱原理為何。
請(qǐng)讀者們先看圖一,這張類似千層糕的東西,就是中冷器的剖面圖,由此圖中我們可看出中冷器主要是由兩個(gè)部分所組成。第一部分名稱為Tube,也就是圖中第一層,其功能在于提供一個(gè)信道,容納壓縮空氣使之流過(guò),因此Tube必須是密閉空間,如此壓縮空氣才不至于發(fā)生泄漏壓力的問(wèn)題,且Tube的外形還分成四方形、橢圓形與長(zhǎng)錐形三種,其差別在于風(fēng)阻與冷卻效率間的取舍。第二部分名稱為Fin,也就是俗稱的鰭片,通常位于上下兩層Tube間,并緊密的與Tube相黏在一起,其功能在于散熱,因?yàn)楫?dāng)壓縮熱空氣流經(jīng)Tube時(shí),會(huì)將熱量經(jīng)由Tube的外壁傳達(dá)到鰭片上,此時(shí)若有外界溫度較低的空氣流經(jīng)鰭片時(shí),就能順便將熱量帶走,達(dá)到冷卻進(jìn)氣溫度的目的。經(jīng)由上述兩部分不斷重疊一起,直到10~20層的結(jié)構(gòu)物,則稱為Core,這部分就是所謂的中冷器主體。另外,為了使來(lái)自渦輪的壓縮氣體在進(jìn)入Core前,能有緩沖及蓄壓的空間,及出Core后能提升空氣流速,通常都會(huì)在Core兩側(cè),再裝上名為Tank的零件,其外型像漏斗狀一般,其上還會(huì)設(shè)置圓形進(jìn)出口,以方便連接硅膠管,而中冷器就是經(jīng)由上述四個(gè)部分所組成。至于中冷器散熱的原理就如同剛才提到的一般,是利用眾多的橫向Tube分割壓縮空氣,然后來(lái)自車頭的外界直向冷風(fēng),再經(jīng)過(guò)與Tube相連的散熱鰭片,就可達(dá)到冷卻壓縮空氣的目的,使進(jìn)氣溫度較為接近外界溫度,因此若要增加中冷器的散熱效率,只要加大其面積及厚度,以增加Tube數(shù)量、長(zhǎng)度和散熱鰭片等,就可達(dá)到此目的。但有這么容易嗎?其實(shí)不然,因?yàn)橛L(zhǎng)、面積愈大中冷器,就愈容易產(chǎn)生進(jìn)氣壓力耗損的問(wèn)題,而這也是本單元主要探討的問(wèn)題之一。為何會(huì)產(chǎn)生壓力損失
雖然大容量中冷器,因熱交換時(shí)間延長(zhǎng)有更好的冷卻效能,但卻會(huì)發(fā)生空氣流速變慢及壓力損失的問(wèn)題,且進(jìn)一步使渦輪遲滯現(xiàn)象更為嚴(yán)重,為什么?這要從兩個(gè)方面談起。相信曾經(jīng)自己洗過(guò)車的讀者都知道,要讓水管里的水柱噴的較遠(yuǎn)、較快,只需擠壓水管頭就可達(dá)成,為什么會(huì)這樣?那是因?yàn)樵谒畨翰蛔兊那闆r下,單位時(shí)間的流量不會(huì)因管徑大小而改變,因此為達(dá)到這目的,只要縮小管徑,流速自然變快,相反的一增加管徑、流速就會(huì)變慢,而這情況也發(fā)生在整個(gè)進(jìn)氣管路里。因?yàn)楫?dāng)空氣由原先容納空間較小的進(jìn)氣管路中,流經(jīng)空間較大的中冷器時(shí),就會(huì)產(chǎn)生流速變慢的現(xiàn)象,且此問(wèn)題對(duì)于小出風(fēng)量渦輪搭配大型中冷器時(shí)尤其嚴(yán)重,如此一來(lái)將使渦輪遲滯現(xiàn)象更為嚴(yán)重。
另外,當(dāng)空氣由進(jìn)氣管路進(jìn)入中冷器的Tube時(shí),會(huì)因管徑粗變細(xì)的分流轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生流速阻力,造成一定程度的壓力損失,再加上許多中冷器為增加冷卻效率,都會(huì)在Tube里設(shè)置鰭片(Tube不一定是中空的),這樣也會(huì)產(chǎn)生氣流阻力,兩者相加,渦輪遲滯問(wèn)題相對(duì)會(huì)更加明顯。值得一提的,上述提到的壓力損失,指的并非是增壓值的減少,因?yàn)檫M(jìn)氣管路是密閉的,所以排氣泄壓閥的泄壓動(dòng)作,一定需達(dá)到車主設(shè)定的增壓值才會(huì)進(jìn)行,因此恒壓值是不會(huì)降低,只不過(guò)會(huì)延長(zhǎng)到達(dá)的時(shí)間(因?yàn)椴糠謮毫Ρ幌牡?及影響增壓反應(yīng),而這也是壓力損失造成的最大影響。既然加裝中冷器會(huì)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,則成了改裝中冷器的首要課題。改裝中冷器的兩難
一個(gè)強(qiáng)調(diào)性能化的中冷器,除要有良好的散熱能力外,壓力損失的減低亦必須考量進(jìn)去,不過(guò)抑制壓損與提升冷卻效率,在技巧上是完全相反的,譬如一個(gè)體積大小相同的中冷器,倘若完全以散熱為出發(fā)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì),里面的Tube就需做得更細(xì)且增加鰭片數(shù)量,如此就會(huì)增加空氣阻力;但如果就維持壓力層面來(lái)著手,又得加粗Tube及減少鰭片,相形之下熱交換的效能便較差,所以中冷器的改裝絕不如我們想象中的簡(jiǎn)單。因此要兼顧冷卻效率與維持壓力的方法,大部分會(huì)從Tube與鰭片兩部分來(lái)著手。首先是Tube部分,其中又分成兩種方式,第一:使用管徑較粗但管壁極薄的式樣,以粗管徑來(lái)增加空氣流通的順暢度,并利用管壁薄的特點(diǎn)提高散熱性。第二:在管徑較粗的Tube里,額外設(shè)置鰭片在里頭的方式,來(lái)增加熱空氣接觸金屬片面積,以提高熱傳達(dá)量,自然散熱效率也就能增加,不過(guò)此種設(shè)計(jì)大多使用在競(jìng)技車或是高增壓車輛的中冷器里,如此才不至于產(chǎn)生太大的遲滯現(xiàn)象。
接下來(lái)是鰭片部分,一般型中冷器的鰭片,就如同圖二一般,其形狀通常為直條狀無(wú)任何開(kāi)口,且中冷器的寬度多長(zhǎng),鰭片就有多長(zhǎng),不過(guò)既然鰭片在整個(gè)中冷器里,扮演散熱功能的主要角色,因此只要增加其接觸冷空氣的面積,就能提高熱交換功率,因此許多中冷器的鰭片,后來(lái)都改用圖三中,各種形式的設(shè)計(jì),其中又以波浪狀或是俗稱百葉窗設(shè)計(jì)的鰭片最為流行。不過(guò)就散熱效率來(lái)說(shuō),還是以圖四中所謂交迭散熱鰭片為最佳,但產(chǎn)生的風(fēng)阻力量也最為明顯,因此較常見(jiàn)于日本D1參賽車上,因?yàn)檫@些比賽車輛的速度都不快,可是卻需良好的散熱效果,來(lái)保護(hù)游走于高轉(zhuǎn)速的引擎。進(jìn)行中冷器改裝