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中冷器,一般只有在安裝了渦輪增壓的車才能看到。因為中冷器實際上是渦輪增壓的配套件,其作用在於提高發動機的換氣效率。

1 中冷器 -簡介

  渦輪增壓的發動機為何會比普通發動機擁有更大的動力,其中原因之一就是其換氣的效率比一般發動機的自然進氣更高。當空氣進入渦輪增壓后其溫度會大幅升高,密度也相應變小,而中冷器正是起到冷卻空氣的作用,高溫空氣經過中冷器的冷卻,再進入發動機中。如果缺少中冷器而讓增壓后的高溫空氣直接進入發動機,則會因空氣溫度過高導致發動機損壞甚至熄火的現象。

2 中冷器 -中冷器的作用

  中冷器的作用是降低發動機的進氣溫度。那麼為什麼要降低進氣溫度呢?
  (1)發動機排出的廢氣的溫度非常高,通過增壓器的熱傳導會提高進氣的溫度。而且,空氣在被壓縮的過程中密度會升高,這必然也會導致空氣溫度的升高,從而影響發動機的充氣效率。如果想要進一步提高充氣效率,就要降低進氣溫度。有數據表明,在相同的空燃比條件下,增壓空氣的溫度每下降10 ℃,發動機功率就能提高3%~5%。
  (2)如果未經冷卻的增壓空氣進入燃燒室,除了會影響發動機的充氣效率外,還很容易導致發動機燃燒溫度過高,造成爆震等故障,而且會增加發動機廢氣中的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降低進氣溫度。

3 中冷器 -中冷器的分類

  中冷器一般由鋁合金材料製成。按照冷卻介質的不同,常見的中冷器可以分為風冷式和水冷式2種。

4 中冷器 -中冷器的維護方法

  空一空冷卻的中冷器與水箱散熱器裝在一起,安裝在發動機前方,靠吸風風扇和汽車行駛的通面風進行冷卻,中冷器若冷卻不良將導致發動機動力不足、油耗增加,因此,應定期對中冷器進行檢查與維護,主要內容是:外部清潔(就車清洗法)

  由於中冷器安裝在最前方,中冷器散熱片通道常被樹葉、油泥(轉向油罐內溢出的液壓油)等堵塞,使中冷器散熱受阻,因此應定期對該處清洗。清洗的方法是用壓力不太高的水槍以垂 直於中冷器平面的角度,自上而下或自下而上緩慢沖洗,但決不可斜沖以防損壞中冷器。 內部清洗、檢查(拆檢清洗法)

  中冷器內部管道常附有油泥、膠質等臟物,不僅使空氣流通道變窄,而且冷卻熱交換能力降低,為此,也必須進行維護和清洗。一般每年或發動機大修、焊修水箱的同時,應對中冷器內部進行清洗並進行檢查。
  清洗方法:將含2%純鹼的水溶液(溫度應在70—80℃)加入中冷器內,注滿,等待15分鐘,看中冷器有無滲漏水處。如有應對其進行拆檢,焊修(同修水箱一樣);如沒有滲漏水,前後晃動,反覆數次,將洗液倒出,再充入乾淨的含2%純鹼的水溶液進行沖洗,直到較為清潔為止,再加註清潔的熱水(80—90℃)清洗,直到放出的水清潔為止。如中冷器外部沾上油污,亦可用鹼水進行清洗,方法是:將油污處浸泡於鹼液中,用毛刷清除,直到乾淨為止。清洗完后,用壓縮空氣將中冷器內的水吹乾或自然涼干或在安裝中冷器時先不接中冷器與發動機連接管,起動發動機,待中冷器出氣口無水分時,再接上發動機進氣管。若發現中冷器芯內嚴重臟污,應仔細檢查空濾器及進氣各管路何處有漏洞,並排除故障。
  渦輪增壓器最大的問題就在於吸取新鮮空氣的進氣口與高溫的排氣之間距離很近,而且吸進來的新鮮空氣被壓縮后溫度也會升高很多,所以就算是沒有排氣高溫影響的機械增壓發動機也需要通過中冷器來冷卻進氣。空氣被壓縮溫度會升高,最簡單的例子就是給輪胎充氣的氣泵,不相信的朋友可以摸一下正在充氣的氣泵,就會知道空氣壓縮積攢的熱量有多麼可怕。另外我們通過化學以及物理知識可以知道,溫度越低的空氣內的氧氣含量越高,也許有人會問:這個有什麼關係?要知道,燃料燃燒需要的就是空氣里的氧氣,氧氣越多才能讓更多的燃料燃燒,從而爆發出更多的動力。想要了解更多的朋友可以參考下《吸氣系統》內的相關介紹。中冷器就是一個高效的散熱器,主要作用就是在新鮮空氣進入發動機之前對其進行冷卻。你可以設想一下,中冷器位於散熱水箱之前,所以可以直接受到迎面吹來的冷空氣的衝擊,而且還要位於空氣濾清器、渦輪增壓器或者是機械增壓器的後面。實際的情況也確實是這樣,大部分車子裝備的都是位於散熱水箱前的中冷器,而且冷卻效果確實比一些頂置布局的中冷器好,但是,這樣多多少少都會影響吹到散熱水箱的氣流,所以在一些極限情況下,例如賽道上,就必須同時升級散熱水箱來控制發動機溫度。

5 中冷器 -工作原理

  使用設計良好的中冷器可以額外多獲得5%-10%的動力。
  也有一些車子使用頂置中冷器,通過發動機蓋上的開孔來獲得冷卻空氣,所以在車子起步之前,中冷器只會受到一些從發動機艙吹來的熱風的吹拂,雖然散熱效率受到了影響,不過因為進氣溫度在這樣的情況下會升高,所以發動機的油耗會下降不少,這樣也間接降低了發動機的工作效率,但是對於功率強勁的增壓車來說,過大的動力導致的起步不穩反而會在這種情況下緩解,Subaru斯巴魯的Impreza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勢還在於可以有效的縮短壓縮氣體到達發動機的行程。

6 中冷器 -頂置中冷並不是STI的專利

  所有的渦輪增壓車使用中冷器都會有好處,而且原廠標配的中冷器一般也都有改進的餘地。因為我們追求的就是儘可能多的將空氣吸進發動機,所以如果中冷器內部的構造會影響到氣流的話,也就意味著發動機會損失一些動力。中冷器好壞最關鍵的兩個參數分別是其內部的氣流通道造型以及散熱鰭片的設計,理想狀態下的中冷器設計就是散熱鰭片的面積能夠儘可能的大,而氣流通道內最好不出現生硬的折曲以及會妨礙氣流的焊接痕迹。有人認為既然所有的中冷器都會影響到進氣氣流,那麼使用中冷器到底划不划算呢?考慮到如果裝備上一個設計良好、對氣流影響比較小而且質量良好的中冷器可以獲得的動力增加,我們覺得使用中冷器還是比較划算的。設想一下,如果原車的增壓值為15psi,根據資深專家估計,中冷器帶來的壓力損失一般也就是0.5-0.9psi,即便使用的是比較次的中冷器帶來的壓力損失也不會超過1.3psi,而且因為增加壓力會導致進氣溫度的升高,所以降低進氣的溫度也會相應帶來壓力的損失,所以不要把進氣壓力的損失都怪罪到中冷器的設計上。
  對於高性能車來說,重量是一個很重要的問題,而現在的情況是大部分改裝用中冷器相對於原廠配備的中冷器來說都會輕一些,而且性能還會好不少。一般來說,中冷器越大的話,其內部的氣流損失越小而且冷卻效率也越高,因為氣流停留在中冷器內部的時間越長,受到的冷卻越好。更為誇張的做法就是安裝一個噴嘴向中冷器噴水,水在中冷器上蒸發可以吸收很多壓縮氣流的熱量,所以降低進氣溫度的效果非常好。一般的中冷器在正常的情況下可以降低進氣溫度35-40攝氏度,從而可以幫助發動機獲得5%-10%的動力增幅,不過這並不是絕對的,而是與周圍的大氣溫度息息相關-----大氣溫度比進氣溫度低的越多,那麼中冷器的冷卻效果就會越好。

7 中冷器 -如何選擇中冷器

  對於許多車迷而言,前保桿內的中冷器是心中夢寐以求的改裝部品,也是不可或缺的性能象徵,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,其中有何學問在呢?若想升級或安裝又有哪些事項需注意呢?上述這些問題將在本單元中一一位各位解答,有興趣的讀者不妨繼續看下去!為何需加裝中冷器
  在正式進入本單元前,筆者還是先說明一下安裝中冷器的原理為何。中冷器的安裝目的,主要是為降低進氣溫度,或許讀者會問:為何需要降低進氣溫度?這就得提到渦輪增壓的原理。渦輪增壓的工作原理,簡單說是利用引擎排廢氣來衝擊排氣葉片,然後帶動另一側進氣葉片,強制壓縮空氣並送往燃燒室中,由於排廢氣的溫度通常都高達8、9百度,連帶使渦輪本體同樣處於極高溫的狀態,如此便會提高流過進氣渦輪端空氣的溫度,加上壓縮過的空氣同樣也會產生熱度(因為壓縮過的空氣分子距離變小,會相互擠壓、磨擦產生熱能現象),如果這股高溫氣體未經冷卻就進入汽缸中,很容易導致引擎燃燒溫度過高,接著就會使汽油預燃發生爆震,讓引擎溫度更加上升,同時壓縮空氣的體積也會因熱膨脹而大幅降低含氧量,如此一來便會降低增壓效益,自然無法產生該有的動力輸出。另外,高溫也是引擎的隱形殺手,若不設法降低運轉溫度,一旦遇到天氣較熱的環境,或是長時間操駕的情況下,很容易增加引擎故障機率,因此才需加裝中冷器來降低進氣溫度。知道中冷器的功能后,接著我們來探討它的構造及散熱原理為何。
  請讀者們先看圖一,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,其功能在於提供一個通道,容納壓縮空氣使之流過,因此Tube必須是密閉空間,如此壓縮空氣才不至於發生泄漏壓力的問題,且Tube的外形還分成四方形、橢圓形與長錐形三種,其差別在於風阻與冷卻效率間的取捨。第二部分名稱為Fin,也就是俗稱的鰭片,通常位於上下兩層Tube間,並緊密的與Tube相黏在一起,其功能在於散熱,因為當壓縮熱空氣流經Tube時,會將熱量經由Tube的外壁傳達到鰭片上,此時若有外界溫度較低的空氣流經鰭片時,就能順便將熱量帶走,達到冷卻進氣溫度的目的。經由上述兩部分不斷重疊一起,直到10~20層的結構物,則稱為Core,這部分就是所謂的中冷器主體。另外,為了使來自渦輪的壓縮氣體在進入Core前,能有緩衝及蓄壓的空間,及出Core后能提升空氣流速,通常都會在Core兩側,再裝上名為Tank的零件,其外型像漏斗狀一般,其上還會設置圓形進出口,以方便連接硅膠管,而中冷器就是經由上述四個部分所組成。至於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,然後來自車頭的外界直向冷風,再經過與Tube相連的散熱鰭片,就可達到冷卻壓縮空氣的目的,使進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數量、長度和散熱鰭片等,就可達到此目的。但有這麼容易嗎?其實不然,因為愈長、面積愈大中冷器,就愈容易產生進氣壓力耗損的問題,而這也是本單元主要探討的問題之一。為何會產生壓力損失
  雖然大容量中冷器,因熱交換時間延長有更好的冷卻效能,但卻會發生空氣流速變慢及壓力損失的問題,且進一步使渦輪遲滯現象更為嚴重,為什麼?這要從兩個方面談起。相信曾經自己洗過車的讀者都知道,要讓水管里的水柱噴的較遠、較快,只需擠壓水管頭就可達成,為什麼會這樣?那是因為在水壓不變的情況下,單位時間的流量不會因管徑大小而改變,因此為達到這目的,只要縮小管徑,流速自然變快,相反的一增加管徑、流速就會變慢,而這情況也發生在整個進氣管路里。因為當空氣由原先容納空間較小的進氣管路中,流經空間較大的中冷器時,就會產生流速變慢的現象,且此問題對於小出風量渦輪搭配大型中冷器時尤其嚴重,如此一來將使渦輪遲滯現象更為嚴重。
  另外,當空氣由進氣管路進入中冷器的Tube時,會因管徑粗變細的分流轉換,產生流速阻力,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,都會在Tube里設置鰭片(Tube不一定是中空的),這樣也會產生氣流阻力,兩者相加,渦輪遲滯問題相對會更加明顯。值得一提的,上述提到的壓力損失,指的並非是增壓值的減少,因為進氣管路是密閉的,所以排氣泄壓閥的泄壓動作,一定需達到車主設定的增壓值才會進行,因此恆壓值是不會降低,只不過會延長到達的時間(因為部分壓力被消耗掉)及影響增壓反應,而這也是壓力損失造成的最大影響。既然加裝中冷器會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
  一個強調性能化的中冷器,除要有良好的散熱能力外,壓力損失的減低亦必須考量進去,不過抑制壓損與提升冷卻效率,在技巧上是完全相反的,譬如一個體積大小相同的中冷器,倘若完全以散熱為出發點來設計,裡面的Tube就需做得更細且增加鰭片數量,如此就會增加空氣阻力;但如果就維持壓力層面來著手,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單。因此要兼顧冷卻效率與維持壓力的方法,大部分會從Tube與鰭片兩部分來著手。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,以粗管徑來增加空氣流通的順暢度,並利用管壁薄的特點提高散熱性。第二:在管徑較粗的Tube里,額外設置鰭片在裡頭的方式,來增加熱空氣接觸金屬片面積,以提高熱傳達量,自然散熱效率也就能增加,不過此種設計大多使用在競技車或是高增壓車輛的中冷器里,如此才不至於產生太大的遲滯現象。
  接下來是鰭片部分,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任何開口,且中冷器的寬度多長,鰭片就有多長,不過既然鰭片在整個中冷器里,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,後來都改用圖三中,各種形式的設計,其中又以波浪狀或是俗稱百葉窗設計的鰭片最為流行。不過就散熱效率來說,還是以圖四中所謂交迭散熱鰭片為最佳,但產生的風阻力量也最為明顯,因此較常見於日本D1參賽車上,因為這些比賽車輛的速度都不快,可是卻需良好的散熱效果,來保護遊走於高轉速的引擎。進行中冷器改裝

8 中冷器 -以渦輪容量而定

  談完中冷器的各項改裝理論后,接著我們來了解一下,實際改裝時需注意的事項有哪些。一般來說,改裝用的中冷器大多分成原廠交換型式,以及需要大幅改變管路配置的大容量套件。直接交換式的規格和原廠相差不多,差異僅在於內部Tube與鰭片設計不同與厚度稍微加寬,此套件適合原廠未改的車輛,或改裝幅度不大的場合,能將原廠引擎潛力激發出來。至於大容量的中冷器,則除了加大迎風面積強化散熱性以外,更會提高厚度以確保溫度恆定,以澔陽生產的中冷器為例,一般型約在5.5至7.5公分左右(適合1.6~2.0升車輛使用),加強型約在8至105公分左右(適合2.5升以上車輛使用),加上還會運用大漏斗狀的蓄氣Tank,使氣流通過的抵抗能減至最小限度,當然使用加強型中冷器的場合,出現在配置中大型渦輪時才較為適用,例如6號渦輪以下的引擎,就不建議使用,因為這樣遲滯的狀況會較為嚴重,不利於低速增壓反應,不過在NA改Turbo的車輛里,中冷器還是大一點較好,因為原廠設計的冷卻效率可能不夠,另外就算是低增壓設定亦不可省去中冷器,畢竟較低的進氣溫度,不但能延長引擎耐用度,對於動力輸出的穩定也有助益。
  另一方面,中冷器除利用空氣散熱外,還有利用水冷式樣,豐田銘機3S-GTE就是一個例子,它的優點主要就是其Cooler本體剛好位於節氣門前,因此進氣管路極短有著高反應的特色,加上水本身的恆溫性非常高,對進氣溫度的恆定性也有很大幫助,尤其是車頭無撞風效應時更加明顯,如塞車。不過,由於它需要另接專用水泵浦及水箱散熱排,而且降溫幅度不如直接空氣冷卻來得大,因此目前還是以空冷式中冷器為主流。進氣管路的配置

9 中冷器 -以直線化為首要

  至於中冷器的安裝位置,大體上分成前置式與上置式兩種,就散熱性來看當然是位在前保桿內的前置式較為優秀,不過論及反應性的話,則屬上置式較佔便宜,這便是其管路短帶來的增壓直接效果,例如Impreza WRCar為縮短前置中冷器的管路,便將節氣門反置來降低因管路過長帶來的壓力耗損,由此不難想見進氣管路的整體搭配,亦是改裝中冷器時不得不注意的重點。因此在升級或加裝中冷器時,除要注意中冷器的大小外,管路的長度盡量減短,並拉成直線化以減少彎角、焊接點等,都是增加空氣流速的方法,因為如果有太多焊點與折角的話,氣流的順暢性一定會不佳而發生壓損現象。
  其次就像前面所談的中冷器原理,中冷器的Tube過細易增加抵抗影響反應,並且管壁里的溫度會較高,同理稍微加粗進氣管徑也是不錯的方法,至於這個管徑大小的匹配,主要還是要看渦輪出風口與節氣門口徑而定。值得一提的是,中冷器前後的進出口管路直徑,應該是出口后的管徑比入口前粗10%左右,原因在於較大的出口管徑,能讓出Core的冷卻空氣,以較快的速度通過中冷器,對於流速的增加,能產生正面的幫助。再來關於中冷器的材質部分,通常都是使用鋁合金材質製成,不但富質感增加美觀程度,還可因鋁質的高熱傳導性增加散熱效果,另外輕量化的優點,也是選擇鋁合金材質的主要原因之一。至於金屬管之間的橡膠連接管,建議大家儘可能採用三或五層包覆的硅橡膠製品,這種硅膠管的延展性極佳、耐高溫、高壓又不會硬化,所以小至真空管、中至水管、大至整個進氣管路都是非常不錯的原廠代用品,相當適合運用在高熱的渦輪引擎上,再加上寬型對夾不鏽鋼束環的固定,可避免爆管或漏氣的問題產生,且有別於原廠的黑色,對於提升車輛戰鬥氣息,有相當大的幫助,如此才可使車主放心駕馭愛車。

10 中冷器 -上置還是前置好

  相信許多Impreza車主在升級渦輪時,都產生不知沿用原廠上置設計的加大型中冷器好,還是直接改用前置式較佳呢?要解決此問題就要需以升級的渦輪號數來決定。由於水平對卧引擎排氣頭段,相較於直式引擎而言顯得較長,連帶使得低速增壓反應較為遲緩,因此原廠才會設計上置式中冷器來減輕渦輪遲滯問題,倘若升級的渦輪號數不超過六號、排氣量未到2.2升以上時,筆者不建議改用前置式中冷器,因為加長的管路及加大的中冷器會使遲滯問題更加嚴重,不過當你達到上述條件時,倒是可以考慮改用前置式中冷氣,一方面是因為上置式中冷器冷卻效率已不敷使用,另一方面則是因為大型渦輪空氣供給量較多、流速較快,對於加長管路帶來的影響可減到最小,因此才較適合使用前置式中冷器。
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