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带你认识增压发动机(4)中冷器的作用

12.jpg5.jpg我们分别介绍了增压原理和2种增压器。从这篇开始,我们要介绍增压发动机其他重要的部件,因为只有一个增压器是远远不能完成工作的。那么我们首先要介绍的是和增压器“对着干”的中冷器。

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  之所以说中冷器和增压器是“对着干”,是因为中冷器会增加空气阻力,使增压空气的压力下降,导致增压效果减少,发动机响应变慢,不过这种效应相比起中冷器对发动机提升功率的作用来说,就显得无足轻重了。

  为什么要中冷器

  首先接着之前的话题,当空气经过增压器被压缩后,温度会升高,这是一个基本的物理原理。增压后的气体温度大概会升高多少呢?这个要视乎增压器的工作情况而定,转速越高,增压压力越大,温度上升就越大,一般而言能够上升40-60度左右,加上空气本来的温度,增压后的气体已经很烫了。

  高温气体对发动机的影响主要在两点:一是空气体积大了,相当于发动机吸进的空气又变少了;而第二点更为重要,高温空气对于发动机燃烧特别不利,功率会减少、排放会变坏。在相同的燃烧条件下,增压空气的温度每上升10 ℃,发动机功率就会下降大约3%~5%。这个问题就非常严重了,好不容易增加的功率会被空气温度过高而抵消,为了解决这些问题,我们需要把增压后的空气再度冷却再送进发动机。而承担这一重任的部件就是中冷器。中冷器听上去很酷,其实原理和结构跟我们家用冰箱和空调的散热器没什么区别。

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中冷器形状各异 但基本原理和结构与我们的冰箱空调散热器没什么区别

  空冷还是水冷?

  要将空气冷却,无非就是两种方法。一种是通过车辆行驶的时候迎面撞进的冷风进行降温,另一种就是使用水冷。前者的原理和我们家用的冰箱、空调的散热器是一样的,就是让空气通过一根根管道,增加管道和周围空气的接触面积,然后通过周围的空气将其降温。

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放在发动机上方的空气冷却的中冷器

  水冷则是刚好和风冷相反。就是将一个冷却器(形状和原理和风冷的中冷器基本一致)放进进气管道里,让增压后的热空气流过。而冷却器里则有冷却水不断地流动,从而带走增压空气的热量。

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实线表示空气的流动 虚线表示冷却水的流动

  副作用:发动机响应速度变慢 涡轮迟滞变得严重

  一般来说,中冷器越大,其内部的气流损失越小而且冷却效率也越高,而气流停留在中冷器内部的时间越长,冷却效果就越好。不过中冷器就好比增加了进气管道的容积,增压器产生的压缩空气首先要把这个容积填满,然后才能产生增压效果。如果用在涡轮增压上,直接的表现效果就是涡轮迟滞变得严重;即使是机械增压的机器,也会引起发动机响应变慢。

  另一方面,由于增压空气必须流过各种管道,因此阻力增加了,其增压压力肯定会被削弱一部分。不过这种削弱只是在踏下油门后一段很短的时间内产生,因为增压空气被削弱压力后会在中冷器到进气门这段密封的空间内重新建立足够的压力,直至泄压阀打开(关于泄压阀我们以后再介绍)。因此,最终的表现依然是发动机响应变慢,涡轮增压的迟滞现象会变得严重。

  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,是工程师最为头疼的问题。其中最根本的方法是减少整个进气管道的容积,降低管道阻力,缩短进气管路,因此我们看到的中冷器往往都是紧贴发动机,而不像散热水箱那样远离发动机。这样的话,发动机整体也会更加紧凑。

 中冷器在哪?

  不同机器的中冷器放置地方是不一样的,中冷器放在哪是一个很复杂的问题,但总体原则就是尽量缩短整个进气管道的容积,提高发动机的响应。

  高增压、大排量的发动机由于进气量大,温度高,往往需要一个大中冷器。大型的中冷器我们比较容易见到的是放在发动机顶上,这样可以通过在发动机舱盖上开一个进气口,使用迎面撞入的冷空气降温,这种方式在很多车上都能见到,例如翼豹STI、MINI COOPER S。放在发动机上方的好处是结构紧凑,管道短,非常适合于小车和改装车使用。但这种布置方式由于太过贴近发动机,会受到发动机热量的影响。

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典型的上置式中冷器

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MINI COOPER S和翼豹STI都在发动机盖上开口进行中冷器散热

  还有一种布置形式是把中冷器放在汽车中网前部下方。这种方式充分利用了迎面而来的冷风进行散热,但管道过长,布置更为复杂。由于更接近地面,受到地面沙石破坏的可能性也更大。

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  对于这两种冷却方式而言,都属于外置式的风冷,适用于大型中冷器。而现在的趋势都是低增压的发动机,并不需要太大的中冷器,同时也为了让发动机更加紧凑,目前很多发动机都采用水冷的方式,将一个冷却器放入进气管道,当空气经过的时候就被冷却了,结构非常紧凑。

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奥迪3.0 FSI的增压器和中冷器整合为一个整体 结构非常紧凑

  我们熟悉的大众1.4T涡轮增压发动机就是采用这种方式,而奥迪的机械增压也是采用这种形式进行冷却,结构相当紧凑。由于这种中冷器完全安装在内部,因此受到灰尘和沙石损伤也更少。

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大众1.4TSI使用的中冷器

  中冷器是增压发动机里非常重要的部件,它能有效降低空气温度,提高发动机功率。除了要降低空气的温度,我们还要对涡轮增压器降温、对增压压力进行控制。


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