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汽车涡轮增压发动机中冷的基础知识储备

2022-07-27 08:25    艾森ECU升级(北京运营中心)

中冷器的功能就是给压缩空气降温。

通过学习中学的物理,我们知道:空气被压缩后温度会上升,但同时温度高会导致膨胀。然后我们又知道,燃烧要看参与燃烧的氧气数量,一般来说,气缸内一次点火中参与燃烧的氧气是越多越好。
1、增压发动机就是通过增压器先对空气进行压缩,然后把压缩空间送进气缸里用于燃烧。因为是高于大气压的压力,所以同样的气缸容积下,增压发动机气缸内的氧气含量更高,可以支持更多燃料进行燃烧,所以同排量下,涡轮增压发动机动力会比自然吸气强。但是因为增压后的空气温度高,高温空气会膨胀,降低了单位体积内氧气含量(实际降低了增压带来的增益),所以需要中冷器对加压过的空气进行冷却,冷却之后体积缩小,这样就可以有更多氧气在气缸内参与燃烧。
2、压缩后的空气温度非常高,如果不经过冷却就进入气缸,会导致缸内温度过高,让发动机容易发生早燃,降低动力输出损坏发动机。以前追求动力的增压发动机基本上都会使用比较低的气缸压缩比,很大程度上就是为了减少发动机早燃。近年为了满足排放、环保的小排量涡轮增压发动机兴起,基本上都会搭配使用缸内直喷技术,也是因为缸内直喷技术可以在合适的时机喷油给气缸降温,这样可以维持高压缩比的同时不至于发动机高负荷工作时早燃。

中冷器分类

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两种。

(1)风冷

风冷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。放在发动机上方的空气冷却的中冷器。

(2)水冷

水冷则是刚好和风冷相反。就是将一个冷却器放进进气管道里,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,从而带走增压空气热量。
 


中冷的改装

中冷(intercooler)是为了降温而生的。
降温了就可以控制爆震、降低活塞热负荷、提高动力、增大扭矩平台、降低油耗、降低氮氧排放。很多涡轮车玩家都会改中冷。有人改完说没觉得动力更好,有人说改完了涡轮延迟更大了,这是为什么呢?
出现上述这些问题的原因很可能是你所选择的中冷品牌型号不适合你的使用场景。那应该在不同品牌中选哪个呢?
选择中冷的关键点是:降温效果、容积、形状。
先把能买到的中冷品牌都罗列出来,最好能找到装车图和一些细节图片。看看每个品牌的中冷有什么区别。
如果你准备换大涡轮,就选择容积更大的中冷
如果还想用原厂涡轮,只是小幅提升涡轮压力的话,不建议使用容积过大的中冷
不建议选择彩色中冷
如果是水中冷,那就一定要强化冷却液的散热
中冷是降温用的,每个车型进气温度传感器的位置各有区别,所以在我们聊进气温度ITA是要区分是哪里的温度。
通常车子会有两三个进气温度传感器,有在空滤之后的,有在中冷之后的,也有在进气歧管上的。
空滤之后的传感器最接近环境气温。夏季,正常驾驶时其数据可能会比环境气温高出10-15°C,在停车或堵车时,其温度可能会比环境气温高出20-40°C。
冬季行驶时其数据和环境气温相差一般会在5°C左右。
中冷之后的第一个传感器一般会设置在中冷和节气门之间。对于个人玩家来说,要想判断一个中冷器效果怎么样的话,简单方式就是比较这个传感器和空滤后传感器的数据差。
差值越小,说明中冷对增压新气的降温效果越好。
此处需要明确指出的是:只看原厂仪表上或着后接的OBD仪表上的“进气温度”这一项是说明不了问题的。必须对比中冷前、后的两个传感器的数据才能知道中冷的效果如何。

 


既然中冷是降温用的,那就要尽量以降温为目的。
通常原装位中冷的长宽和原厂中冷一致,但会更厚一些。也有的会设计成上下两种厚度的。这样的设计是为了尽量充分的利用中冷附近的空间,尽量增加中冷的外形尺寸。
增加了厚度就是增加了外部环境冷气流经中冷的时间,增加了内部高压热气降温的时间,增加了降温效果。
银色的散热好
有些中冷会在铝或不锈钢表面喷上黑、蓝等颜色,或者喷上自己的品牌LOGO。增加了一层阻隔,热交换效率会降低。这些喷漆对降温是有害的。
容积越大延迟越大有人说换了大中冷后涡轮延迟会变大,有人说不会。对于这个问题,我们可以看中冷的内部容积。测量容积的方式是往中冷管路里注水,看注水量即可知道容积。
涡轮引擎的扭矩主要是靠进气压力提供的。在涡轮本身和ECU程序中目标压力不变的情况下,涡轮所执行的增压动作和充气量也基本不变。
所以,涡轮和气门之间的管路容积就在很大程度上决定了涡轮延迟的大小。涡轮以相同的能力往管路里吹气,容积越大就越难达到高压力。

鳍片设计很重要
所谓的“大中冷”,可以是中冷外形更大,也可以是容积更大。
有些大中冷容积比原厂稍大一些,外形比原厂大很多。有些大中冷容积也比原厂大很多。在选择中冷时我们一定要仔细甄别。
容积接近的情况下,鳍片越多的中冷热交换越充分,但其外形尺寸也越大。鳍片数量、有效面积、间隙、材料导热率等许多因素都会影响到热交换。一款中冷的鳍片设计如何难以直接判断。

 


温度分布也很重要
容积同样的中冷,内部气道和两端腔室的形状也会影响到降温效果和涡轮延迟。
设计不好的话,可能在某个状态(起压或降压)或某个压力范围内时,增压气没有充分流经整个中冷,只利用了其中的部分管路。这就会导致降温效果不好。
对于这个问题,厂家的解决方式是建立流体模型分析气流路径和热交换效率。
作为后市场的改装店或个人玩家,我们可以测量中冷器上的温度分布来了解大概的情况。简单的可以用红外温枪,更直观的可以用热成像仪。
理想情况应该是每条管路起始端的温度尽量一致、起始端和末端的温差尽量大。
在测量时需要注意一个问题:测试时车子应该是有撞风的。
在行驶过程中,撞入的外部冷气是完整流经车头部件的。而车子停在原地时,中冷温度会受冷凝器、水箱、转向油管、排气管等高温部件的影响较大。
为了尽量准确的测量,可以在中冷前固定好热成像仪后将车子开起来,也可以在车前放置合适的鼓风机模拟行驶状态。

外形不宜太突出
从降温角度来说,要尽量选厚一些的中冷。
但厚中冷也有问题,就是其前端会比原厂中冷更向前突出一些。如果是街车的话,不建议中冷前端超出防撞梁。中冷多位于防撞梁下方,车头最低处。
如果出现了擦碰,中冷很容易损坏破裂。破裂后引擎会从裂口的地方吸入空气。也就吸入了一些沙粒尘土等污染物,可能会导致严重磨损、拉缸等情况。
如果压力不是很高的话,尽量在中冷两端选用胶管。
如果选用了金属管路的话,一个轻微碰撞就可能导致中冷破裂或管路接口破裂。所以尽量用胶管,尽量减少中冷破裂的可能及严重程度是很有必要的。

水中冷怎么改装
水中冷的优势主要是缩短了进气管路,减少了进气管路容积,进而可以让涡轮延迟更小一些。其劣势主要是进气的降温效果不好。
给普通撞风中冷降温的是环境大气,其温度是环境气温,即使在夏季,最多也就是50-60°C左右。
而给水中冷降温的是冷却液,冷却液再去车头撞风降温。这种原理就导致了冷却液的温度一定是高于环境气温的,其对中冷的散热效果也就不如直接撞风的中冷好。
而且,有些车型在国产化时还减配了水中冷的独立管路。在某些状态下,其对增压气的效果不一定是降温。
主机厂设计水中冷时,其位置、形状、尺寸可能会比较紧凑。所以对于原厂是水中冷的那些车型来说,改装中冷的选择余地不大,中冷尺寸可能无法再加大了。
如果你的车是水中冷的,恢复独立管路、强化冷却液的散热是个合理的方法。加厚水箱、加大车头撞风面积、调整电子扇启动条件等等可以降低水温的方法也都可以降低中冷后的进气温度。

中冷器保养与维护

中冷器安装在发动机前方,靠吸风风扇和汽车行驶的通面风进行冷却。中冷器若冷却不良将导致发动机动力不足、油耗增加,因此,应定期对中冷器进行检查与维护。

外部清洁:由于中冷器安装在最前方,中冷器散热片通道常被油泥(转向油罐内溢出液压油)等堵塞,使中冷器散热受阻因此应定期对该处清洗清。洗方法用压力不太高的水枪以垂直于中冷器平面的角度,自上而下或自下而上缓慢冲洗,但绝不可斜冲以防损坏中冷器 。如果中冷器外部有油污,则可用碱水进行清理。中华汽车网校温馨提醒:清理完中冷器一定要等完全晾干或吹干后再进行安装。
内部清洁:中冷器的内部通常附着油泥等赃物,因此也需要清洗和保养,一般每年清洗一次,或在修理发动机或水箱的时候进行清洗。清理方法就是用碱水进行冲洗就可以了。

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,所以改装升级时一定找专业的厂家专业的技术人员进行操作,不合理改装冷却系统只会让发动机很难达到理想的工作温度,从而使磨损加大(发动机磨损中有很大一部分原因是因为工作温度不足,例如冬天不热车等)。



 

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