汽车中冷器的作用.docx
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汽车中冷器的作用.docx
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汽车中冷器的作用
汽车中冷器的作用
中冷器的作用是降低发动机的进气温度。
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。
〔1〕风冷式利用外界空气对通过中冷器的空气进展冷却。
优点是整个冷却系统的组成部件少,结构比水冷式中冷器相对简单。
缺点是冷却效率比水冷式中冷器低,一般需要较长的连接收路,空气通过阻力较大。
风冷式中冷器因其结构简单和制造本钱低而得到了广泛应用,大局部涡轮增压发动机使用的都是风冷式中冷器,例如华泰特拉卡TCI越野车和一汽-群众宝来1.8T轿车搭载的发动机都使用了风冷式中冷器。
〔2〕水冷式利用循环冷却水对通过中冷器的空气进展冷却。
优点是冷却效率较高,而且安装位置比拟灵活,无需使用很长的连接收路,使得整个进气管路更加顺畅。
缺点是需要1个与发动机冷却系统相对独立的循环水系统与之配合,因此整个系统的组成部件较多,制造本钱较高,而且结构复杂。
水冷式中冷器的应用比拟少,一般用在发动机中置或后置的车辆上,以与大排量发动机上,例如奔驰S400CDI轿车和奥迪A8TDI轿车搭载的发动机都使用了水冷式中冷器。
中冷器是用来冷却经增压器出来的增压空气的,空气在经过增压器后,压力增加,温度升高,通过中冷器冷却可降低增压空气温度,从而提高空气密度,提高充气效率,以到达提升柴油机功率和降低排放的目的。
中冷器:
是增压系统的一局部。
当空气被高比例压缩后会产很高的生热量,从而使空气膨胀密度降低,而同时也会使发动机温度过高造成损坏。
为了得到更高的容积效率,需要在注入汽缸之前对高温空气进展冷却。
这就需要加装一个散热器,原理类似于水箱散热器,将高温高压空气分散到许多细小的管道里,而管道外有常温空气高速流过,从而到达降温目的〔可以将气体温度从150摄氏度降到50摄氏度左右〕。
由于这个散热器位于发动机和涡轮增压器之间,所以又称作中央冷却器,简称中冷器。
发动机直接排出的废气温度通常高达8、9XX,会造成涡轮本体、进气温度升高,加之压缩空气时做功,增压压缩进气缸的气体就有可能过热而造成汽油预燃而发生爆震,影响动力输出;同时,高温也是引擎的隐形杀手。
所以,增压发动机通常会引入中冷器来降低进气温度。
一般来说,使用中冷后能减小50~60度的进气温度〔离开临界值〕,可以适当的提高发动机压缩比,改善低转速时的动力输出;同时由于冷空气的密度大,所以在一样条件下,这种设计可以提高发动机的进气密度,因此发动机工作效率更高。
对于增压发动机来说,中冷器是增压系统的重要组成部件。
无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机,都需要在增压器与发动机进气歧管之间安装中冷器。
下面以涡轮增压发动机为例,对中冷器进展简要介绍。
中冷器的作用
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。
有数据说明,在一样的空燃比条件下,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。
中冷器的分类
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。
图1 风冷式中冷器
〔1〕风冷式〔图1〕 利用外界空气对通过中冷器的空气进展冷却。
优点是整个冷却系统的组成部件少,结构比水冷式中冷器相对简单。
缺点是冷却效率比水冷式中冷器低,一般需要较长的连接收路,空气通过阻力较大。
风冷式中冷器主要由2局部组成,即散热芯体和两端的气室,散热芯体〔图2〕主要由流通管和散热片〔图3〕组成。
图3 流通管和散热片
流通管的功能是分割压缩空气并为压缩空气提供1个流通管路,两端与气室相连,因此压缩空气不会出现泄漏的问题。
流通管的形状常见的有长方形、椭圆形以与长锥形3种。
由于流通管的形状不同,中冷器对压缩空气的阻力和冷却效率也不同。
许多中冷器为了提高冷却效率,会在流通管内壁上设置凸起,以增加压缩空气与流通管内壁的接触面积,但是这样会产生较大的气流阻力。
散热片位于上下两层流通管之间,并严密地与流通管靠在一起,其功能是为流经流通管的压缩空气散热。
当外界较低温度的空气流经散热片时,就能将热量带走,从而到达冷却压缩空气的目的。
多个流通管和散热片组合在一起,并多层重叠,就构成了中冷器的散热芯体。
另外,为了使来自增压器的压缩空气,在进入中冷器的芯体之前有缓冲和蓄压的空间,且在流出芯体之后能提高空气流速,通常在芯体的两侧安装有气室。
气室的外形与漏斗相似,其端部还会设置圆形进出口,以方便连接进气管路.
风冷式中冷器因其结构简单和制造本钱低而得到了广泛应用,大局部涡轮增压发动机使用的都是风冷式中冷器,例如华泰特拉卡TCI越野车和一汽-群众宝来1.8T轿车搭载的发动机都使用了风冷式中冷器。
中冷就是对发动机进气进展冷却,以降低压缩行程终了时的最高温度,从而降低柴油燃烧的最高温度,减少氮氧化物的生成,降低了氮氧化物的排放!
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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、9XX,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,假设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与散热原理为何。
请读者们先看图一,这X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局部所组成。
第一局部名称为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,其差异在于风阻与冷却效率间的取舍。
第二局部名称为Fin,也就是俗称的鳍片,通常位于上下两层Tube间,并严密的与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的外壁传到达鳍片上,此时假设有外界温度较低的空气流经鳍片时,就能顺便将热量带走,到达冷却进气温度的目的。
经由上述两局部不断重迭一起,直到10~20层的结构物,那么称为Core,这局部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,能有缓冲与蓄压的空间,与出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局部所组成。
至于中冷器散热的原理就如同刚刚提到的一般,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,就可到达冷却压缩空气的目的,使进气温度较为接近外界温度,因此假设要增加中冷器的散热效率,只要加大其面积与厚度,以增加Tube数量、长度和散热鳍片等,就可到达此目的。
但有这幺容易吗?
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与压力损失的问题,且进一步使涡轮迟滞现象更为严重,为什幺?
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,为什幺会这样?
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,因此为到达这目的,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,一定需到达车主设定的增压值才会进展,因此恒压值是不会降低,只不过会延长到达的时间(因为局部压力被消耗掉)与影响增压反响,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与压力维持,那么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,譬如一个体积大小一样的中冷器,倘假设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与减少鳍片,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,大局部会从Tube与鳍片两局部来着手。
首先是Tube局部,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。
接下来是鳍片局部,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正确,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。
进展中冷器改装
以涡轮容量而定
谈完中冷器的各项改装理论后,接着我们来了解一下,实际改装时需注意的事项有哪些。
一般来说,改装用的中冷器大多分成原厂交换型式,以与需要大幅改变管路配置的大容量套件。
直接交换式的规格和原厂相差不多,差异仅在于内部Tube与鳍片设计不同与厚度稍微加宽,此套件适合原厂未改的车辆,或改装幅度不大的场合,能将原厂引擎潜力激发出来。
至于大容量的中冷器,那么除了加大迎风面积强化散热性以外,更会提高厚度以确保温度恒定,以澔阳生产的中冷器为例,一般型约在5.5至7.5公分左右(适合1.6~2.0升车辆使用),加强型约在8至105公分左右(适合2.5升以上车辆使用),加上还会运用大漏斗状的蓄气Tank,使气流通过的抵抗能减至最小限度,当然使用加强型中冷器的场合,出现在配置中大型涡轮时才较为适用,例如6号涡轮以下的引擎,就不建议使用,因为这样迟滞的状况会较为严重,不利于低速增压反响,不过在NA改Turbo的车辆里,中冷器还是大一点较好,因为原厂设计的冷却效率可能不够,另外就算是低增压设定亦不可省去中冷器,毕竟较低的进气温度,不但能延长引擎耐用度,对于动力输出的稳定也有助益。
另一方面,中冷器除利用空气散热外,还有利用水冷式样,丰田铭机3S-GTE就是一个例子,它的优点主要就是其Cooler本体刚好位于节气门前,因此进气管路极短有着高反响的特色,加上水本身的恒温性非常高,对进气温度的恒定性也有很大帮助,尤其是车头无撞风效应时更加明显,如塞车。
不过,由于它需要另接专用水泵浦与水箱散热排,而且降温幅度不如直接空气冷却来得大,因此目前还是以空冷式中冷器为主流。
进气管路的配置
至于中冷器的安装位置,大体上分成前置式与上置式两种,就散热性来看当然是位在前保杆内的前置式较为优秀,不过论与反响性的话,那么属上置式较占廉价,这便是其管路短带来的增压直接效果,例如ImprezaWRCar为缩短前置中冷器的管路,便将节气门反置来降低因管路过长带来的压力耗损,由此不难想见进气管路的整体搭配,亦是改装中冷器时不得不注意的重点。
因此在升级或加装中冷器时,除要注意中冷器的大小外,管路的长度尽量减短,并拉成直线化以减少弯角、焊接点等,都是增加空气流速的方法,因为如果有太多焊点与折角的话,气流的顺畅性一定会不佳而发生压损现象。
其次就像前面所谈的中冷器原理,中冷器的Tube过细易增加抵抗影响反响,并且管壁里的温度会较高,同理稍微加粗进气管径也是不错的方法,至于这个管径大小的匹配,主要还是要看涡轮出风口与节气门口径而定。
值得一提的是,中冷器前后的进出口管路直径,应该是出口后的管径比入口前粗10%左右,原因在于较大的出口管径,能让出Core的冷却空气,以较快的速度通过中冷器,对于流速的增加,能产生正面的帮助。
再来关于中冷器的材质局部,通常都是使用铝合金材质制成,不但富质感增加美观程度,还可因铝质的高热传导性增加散热效果,另外轻量化的优点,也是选择铝合金材质的主要原因之一。
至于金属管之间的橡胶连接收,建议大家尽可能采用三或五层包覆的硅橡胶制品,这种硅胶管的延展性极佳、耐高温、高压又不会硬化,所以小至真空管、中至水管、大至整个进气管路都是非常不错的原厂代用品,相当适合运用在高热的涡轮引擎上,再加上宽型对夹不锈钢束环的固定,可防止爆管或漏气的问题产生,且有别于原厂的黑色,对于提升车辆战斗气息,有相当大的帮助,如此才可使车主放心驾驭爱车。
上置还是前置好
相信许多Impreza车主在升级涡轮时,都产生不知沿用原厂上置设计的加大型中冷器好,还是直接改用前置式较佳呢?
要解决此问题就要需以升级的涡轮号数来决定。
由于水平对卧引擎排气头段,相较于直式引擎而言显得较长,连带使得低速增压反响较为缓慢,因此原厂才会设计上置式中冷器来减轻涡轮迟滞问题,倘假设升级的涡轮号数不超过六号、排气量未到2.2升以上时,笔者不建议改用前置式中冷器,因为加长的管路与加大的中冷器会使迟滞问题更加严重,不过当你到达上述条件时,倒是可以考虑改用前置式中冷气,一方面是因为上置式中冷器冷却效率已不敷使用,另一方面那么是因为大型涡轮空气供应量较多、流速较快,对于加长管路带来的影响可减到最小,因此才较适合使用前置式中冷器。
风冷式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上(很多柴油动力商用车前盖上都会多出一个人风口,那一般都是供中冷器使用的).其波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似,热传导效率高。
另一方面,中间冷却技术又需要较复杂的控制机构,空气过热无效果白费工夫,过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙,因此要将中冷器和涡轮增压器进展准确的匹配.使得压缩空气到达要求的冷却温度。
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