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进气冷却器(中冷器)改装知识

    日期:2008-11-13

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,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、9百度,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,若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及散热原理为何。
进气冷却器(中冷器)改装知识 

组成中冷器的零件~Fin+Tube+Tank
中冷器主要是由两个部分所组成。第一部分名称为Tube,其功能在于提供一个通道,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,其差别在于风阻与冷却效率间的取舍。第二部分名称为Fin,也就是俗称的鳍片,通常位于上下两层Tube间,并紧密的与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的外壁传达到鳍片上,此时若有外界温度较低的空气流经鳍片时,就能顺便将热量带走,达到冷却进气温度的目的。经由上述两部分不断重叠一起,直到10~20层的结构物,则称为Core,这部分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,能有缓冲及蓄压的空间,及出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,以方便连接矽胶管,而中冷器就是经由上述四个部分所组成。至于中冷器散热的原理就如同刚才提到的一般,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,就可达到冷却压缩空气的目的,使进气温度较为接近外界温度,因此若要增加中冷器的散热效率,只要加大其面积及厚度,以增加Tube数量、长度和散热鳍片等,就可达到此目的。但有这么容易吗?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。

为何会产生压力损失~水管理论的实践
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及压力损失的问题,且进一步使涡轮迟滞现象更为严重,为什么?这要从两个方面谈起。相信曾经自己洗过车的都知道,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,为什么会这样?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,因此为达到这目的,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,一定需达到车主设定的增压值才会进行,因此恒压值是不会降低,只不过会延长到达的时间(因为部分压力被消耗掉)及影响增压反应,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及压力维持,则成了改装中冷器的首要课题。
进气冷却器(中冷器)改装知识 

改装中冷器的两难~~冷却与压力的平衡
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,譬如一个体积大小相同的中冷器,倘若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及减少鳍片,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像中的简单。因此要兼顾冷却效率与维持压力的方法,大部分会从Tube与鳍片两部分来着手。首先是Tube部分,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。

接下来是鳍片部分,一般型中冷器的鳍片,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叠散热鳍片为最佳,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。

进行中冷器改装~以涡轮容量而定
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,以及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,则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,以浩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,不利于低速增压反应,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应的特色,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及水箱散热排,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。

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应较为迟缓,因此原厂才会设计上置式中冷器来减轻涡轮迟滞问题,倘若升级的涡轮号数不超过六号、排气量未到2.2升以上时,不建议改用前置式中冷器,因为加长的管路及加大的中冷器会使迟滞问题更加严重,不过当你达到上述条件时,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,另一方面则是因为大型涡轮空气供给量较多、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。

进气管路的配置~以直线化为首要
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,不过论及反应性的话,则属上置式较占便宜,这便是其管路短带来的增压直接效果,例如Impreza WRCar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应,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部分,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管,建议大家尽可能采用三或五层包覆的矽橡胶制品,这种矽胶管的延展性极佳、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,可避免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。

 

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