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汽车中冷器的原理与改装

2022-08-06 06:58    艾森ECU升级(北京运营中心)

        涡轮增压系统有个永远绕不开的话题就是中冷器,它决定了引擎进气歧管内空气的密度,也就决定了引擎的动力。应该说,原厂的中冷器在设计时早已将这条算术题和物理题算得“足够有余”,即使你稍事增加增压值也能应付,但站在一个“冷却不嫌多”的升级思路上,选择冷却更好的中冷器及合适的进气管路又是车主们普遍会去思考的升级方向下,那如何选择适合自己的中冷器产品呢?

说到升级中冷器,相信绝大部分人的设想画面都是这样的:银光闪闪且硕大无比的前置中冷器。但这种巨型中冷器的改法只适合1%的重度改装者,而且中间涉及到的学术原理、例如中冷前后管径搭配等都不是普通用车阶级所能应付的。重改可不是日常!

说到涡轮压缩侧之后的进气管路长度的问题,应该算是绝大部分直列涡轮增压引擎们都头痛的问题,不论引擎是纵置或者横置,只要采用顺流式气流布局的缸盖,一边是进气一边是排气的话,中冷器的位置就会对管路长度产生直接影响,最为极端的例子就是斯巴鲁的EJ引擎,它可以借助其水平对向的优势而将整个引擎的高度降低并下移,并在引擎上方布置一颗非常靠近涡轮的位置布置一颗上置式中冷器,最大的好处就是可以把进气管路设计得很短。

如果条件许可的话,前置中冷器的前提下,进气管路当然是越短越好,但摆在面前的现实又不得不迁就,例如管路必须要绕经龙门架和大梁、那就只能找空位穿过,而且管路又不能太粗、因为小涡轮也跟不上、流速上不去也是枉然;还有因为的前后或者左右摆动,管路不能是全硬管、硬接头,要留活动位等等,最关键的,还不能发生管路与车架、其他设备等发生干涉,这不符合NVH的设计规范要求。所以即使如思域这样的相对较为简单的中冷器及管道布局下,明知换大中冷器可以提高冷却效率、又能令进气更为顺畅下,但说到必须配合相应的管道升级也让不少想升级这部分套件的车友感到很头痛。
因此,希望一步到位、甚至结构性重建中冷段进气系统并非理性,花费与效果不成正比且后续多是病魔缠身,升级改装是为了更好地用车,脱离这个基础如同海市蜃楼。所以,较为理性的升级方式是掌握一个度,这个度是多少呢?或者稍稍提出一个经验值吧,散热面积增加的幅度应该跟中冷器容积的增幅百分比相近。例如,思域采用的前下置式中冷器,但这个空间里狭小,散热面积很容易就能算出来,如果升级的话,在原有空间允许的条件下尽可能增加迎风面积和散热歧管数量,也就是说,用更多的鳍片来帮助流经的高温空气降温;至于容积就更容易算了,例如思域的原厂中冷器的有效容积约为5.1升,如果升级原装位中冷器的话,有个10升左右容积已经足够日常或者中度升级使用。
原厂中冷器所在的空间内,总散热面积与容积的增加比值应该尽可能相近,越接近的说明这颗中冷器的设计越合理。而且,即便是刷过电脑提升涡轮增压值,100%左右的升级幅度已经足够应付。切勿贪大求荣!

以Moshimoto这款中冷器为例,其散热器总面积比原厂多了97%;内部容积从5.1升增加至10.4升,增幅为102%。两者的增幅比例相近,且都是一倍左右,非常合适原厂升级使用。
前横置引擎的布局很难采用如水平对向引擎那样的上置式中冷器,如本田的City Turbo II、日产的Pulsar GTi-R及Kei-Car都采用过上置式中冷器,但其他大部分车型只能采用前置式或者侧置式中冷器布局,这也导致了进气管路冗长的问题:管路越长,空气在流经管路和中冷器过程中因为受到阻力而降速,所以便会出现踩下油门、增压值不见上来、动力也不会马上到,而是要稍稍等一会儿才感觉到引擎发力,这就叫“涡轮迟滞现象”(Turbo Lag),换句话说就是:涡轮迟滞现象跟引擎排气脉冲设计、涡轮大小搭配、扇叶轴承形式、进气管长度、泄压阀效率等等都有关系。
涡轮迟滞现象是涡轮增压引擎的一个通病或者“绝症”,即便是通过后期合理的升级改装,最多也就是无限接近地减少而不会消除。
其实无论涡轮进气管还是普通进气管,路程越短,经过压缩的气体就越快进入节气门,也更有利于减少涡轮迟滞现象(Turbo Lag)的发生,也就是说油门反应更好更快,这其实是涡轮引擎最薄弱的地方,也因此也有了自然吸气更为线性一说,其实涡轮引擎因为天生的“重重阻隔”下,要达到自然吸气引擎那种响应性几乎是不可能完成的任务,经过改装升级也只能无限接近,那些“如同自吸般的线性反应”的评论,也只能当作形容词般看待即可,无需当真。
这是美国Injen推出的替换式中冷器,注意进气管并没有更换而是直接使用原厂的胶管,也就是说,它既可以满足普通用户的升级,如果更换配套的管道也能提供后续的升级空间。

 

对于Intake Pipe的升级只能通过降低物理阻力和利用热胀冷缩的原理对管路进行修正,从而实现减少涡轮迟滞、及翻脚油门再加速时的响应性,毕竟现实生活中,能给你定着脚踩油门的机会不多,反而不断油门刹车、再油门再刹车才是右脚的主旋律,而这个反应的快慢也直接影响了驾控感受,“随叫随到、人车合一”指的就是这个。首先是如何降低物理气阻,这里主要针对三个方面:
第一是减少气管的膨胀:目前不少车型的管路中,因为车架布局的“怪异”、同时又要降低硬物撞击导致的异响发生,会用到硅基管作为气管材质,虽然硅基管内也有三层至五层不等的网状编织物来固定形状,但这类管依然会受到机油的侵蚀和长期的高温而软化,假设1 bar的气压加载到管壁时,必然会出现变形,根据流体力学的力传播方式,气流压力降低之下,流速也会降低,相当部分的涡轮迟滞因此而产生。所以,如果有机会升级这段歧管,最佳的选择是合适的铝合金管、碳纤管,次之是质量更好、管壁更厚且硬度更高的改装用硅基管。(进中冷器一端较粗、出中冷一段较细,这种设定就是俗称的“大细管”了,离开涡轮压缩侧的高温高压空气体积较大,管路粗些可减少气阻;离开中冷器的空气经过冷却,体积和流速都下降,如果管路太粗,空气填充满了才进入节气门,效率下降。)
第二是管路尽可能地减少弯曲次数,弯曲次数越少的、流速下降越少,相信很多车友都能想明白这个道理,但这个其实说了等于没说,很多车的气管是没有什么机会可以尽量拉直的,除非引擎舱整体重建,那属于重改项目,咱不讨论这个。(很多厂商都会尽可能地减少转弯次数或者尽可能地减少90度以上的转角而拉平弯角,但对于原厂升级的套件而言就比较难了,“忠于原著、高于原著”是改装升级的不变法则,毕竟99%的车主不会考虑破坏原厂结构而换取所谓的更高性能输出的。)
第三是管道内尽可能地光滑,原则上,以自然吸气引擎为例,进气道不是越光滑越好的,而是应该在管道内做一些“毛刺”令气流产生小气旋进入气缸,这样可以与燃油的混合更充分且燃烧得更均匀,但在涡轮进气道中,直到节气门前的这一段都是要求流速越快越好,小气旋就是个伪命题了。所以,很多有追求较执着的改装者,在换装铝合金管路时都会对管道内壁进行一次轻度的抛光处理,减少生产时产生的毛刺等等。
最后一步就是节气门升级了,应该说,以今天伺服马达为驱动力的电子节气门已经成为标配,想要通过增大“蝴蝶瓣”来提升进气量的思路依然没错,也非常重要,但现实中就是能买到的零部件非常少,而非价格不菲,毕竟它已经不能如过去拉线式油门时代可以找人用加工机器把内腔扩大、换个尺寸稍大的活瓣就可实现,现在的节气门体还会涉及到怠速控制、伺服马力的力量和引擎ECU计算逻辑等等,所以这种升级产品已经很少。但少不代表没有,以思域1.5T所使用的节气门为例(下图左),其设计为锥形管路设计,即入口处为56mm、出口处只有50.5mm,虽然能加快空气流速,但这也是因为考虑到排气量不大、涡轮增压值不足等因素所致。

BLOX Racing推出的节气门(右)同样采用锥管设计,入口处内径为58mm,出口处为56mm(另一个型号为59入58出)换句话说,流量比原厂增加11%(或15%),中冷器出来的那段管路可以用到外径为63mm的铝管,而涡轮压缩侧至中冷器的一段则可以用63mm或者70mm外径的管材。

除了关于管道、中冷器、节气门这类升级零件的物理性升级零件外,其实目前国内市场上还有一些“黑科技”产品和技术可以留意的。例如一种来自美国的“特殊陶瓷涂层”产品,名为900C。可对进气管、硅胶管、中冷器、油底壳、高流量三元催化器等产品进行涂装,其最大的特色不是隔热,而是让热量散发得更快,从而提高了各金属部件的热交换效率,这一点跟普通单纯“隔热”的概念是不同的,就拿进气管路为例吧,碳纤维材质的进气管能阻隔热量的效果,但是,如果在涡轮引擎里,碳纤维管道内的空气经过涡轮压缩后,其因为分子密度加大、空气分子间摩擦产生热的原因,其温度能仅100°C甚至以上,而一般发动机舱的温度也就是90°C上下,此时碳纤维风管为管内空气的散热效果为零。此种900C的涂装服务已经在国内落地并实现了批量化。

这就是没有涂900c涂层(上图)和涂了900c涂层(下图)之间的温度区别,通过热成像测温仪的比对后可以发现,两者之间的温差将近60°C,表面温度越高,说明其将内部热量带出来的效果越好,也就是说冷却效果越好。

 

高温永远是汽车的敌人,如何尽可能地降低引擎舱温度,如何尽快将舱内热量带走是一个永恒的话题,跑车们满身是孔道也就是为了这个,离开了这个而单纯说什么个性情怀的话,那已经不是升级改装范畴了。

 

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