汽车中冷器的作用.docx

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汽车中冷器的作用

汽车中冷器的作用

中冷器的作用是降低发动机的进气温度。

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2种。

〔1〕风冷式利用外界空气对通过中冷器的空气进展冷却。

优点是整个冷却系统的组成部件少，结构比水冷式中冷器相对简单。

缺点是冷却效率比水冷式中冷器低，一般需要较长的连接收路，空气通过阻力较大。

风冷式中冷器因其结构简单和制造本钱低而得到了广泛应用，大局部涡轮增压发动机使用的都是风冷式中冷器，例如华泰特拉卡TCI越野车和一汽－群众宝来1．8T轿车搭载的发动机都使用了风冷式中冷器。

〔2〕水冷式利用循环冷却水对通过中冷器的空气进展冷却。

优点是冷却效率较高，而且安装位置比拟灵活，无需使用很长的连接收路，使得整个进气管路更加顺畅。

缺点是需要1个与发动机冷却系统相对独立的循环水系统与之配合，因此整个系统的组成部件较多，制造本钱较高，而且结构复杂。

水冷式中冷器的应用比拟少，一般用在发动机中置或后置的车辆上，以与大排量发动机上，例如奔驰S400CDI轿车和奥迪A8TDI轿车搭载的发动机都使用了水冷式中冷器。

中冷器是用来冷却经增压器出来的增压空气的，空气在经过增压器后，压力增加，温度升高，通过中冷器冷却可降低增压空气温度，从而提高空气密度，提高充气效率，以到达提升柴油机功率和降低排放的目的。

中冷器：

是增压系统的一局部。

当空气被高比例压缩后会产很高的生热量，从而使空气膨胀密度降低，而同时也会使发动机温度过高造成损坏。

为了得到更高的容积效率，需要在注入汽缸之前对高温空气进展冷却。

这就需要加装一个散热器，原理类似于水箱散热器，将高温高压空气分散到许多细小的管道里，而管道外有常温空气高速流过，从而到达降温目的〔可以将气体温度从150摄氏度降到50摄氏度左右〕。

由于这个散热器位于发动机和涡轮增压器之间，所以又称作中央冷却器，简称中冷器。

发动机直接排出的废气温度通常高达8、9XX，会造成涡轮本体、进气温度升高，加之压缩空气时做功，增压压缩进气缸的气体就有可能过热而造成汽油预燃而发生爆震，影响动力输出；同时，高温也是引擎的隐形杀手。

所以，增压发动机通常会引入中冷器来降低进气温度。

一般来说，使用中冷后能减小50～60度的进气温度〔离开临界值〕，可以适当的提高发动机压缩比，改善低转速时的动力输出；同时由于冷空气的密度大，所以在一样条件下，这种设计可以提高发动机的进气密度，因此发动机工作效率更高。

对于增压发动机来说，中冷器是增压系统的重要组成部件。

无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机，都需要在增压器与发动机进气歧管之间安装中冷器。

下面以涡轮增压发动机为例，对中冷器进展简要介绍。

    中冷器的作用

    中冷器的作用是降低发动机的进气温度。

那么为什么要降低进气温度呢？

　　〔１〕发动机排出的废气的温度非常高，通过增压器的热传导会提高进气的温度。

而且，空气在被压缩的过程中密度会升高，这必然也会导致空气温度的升高，从而影响发动机的充气效率。

如果想要进一步提高充气效率，就要降低进气温度。

有数据说明，在一样的空燃比条件下，增压空气的温度每下降１０ ℃，发动机功率就能提高３％～５％。

　　〔２〕如果未经冷却的增压空气进入燃烧室，除了会影响发动机的充气效率外，还很容易导致发动机燃烧温度过高，造成爆震等故障，而且会增加发动机废气中的ＮＯｘ的含量，造成空气污染。

　　为了解决增压后的空气升温造成的不利影响，因此需要加装中冷器来降低进气温度。

　　中冷器的分类

　　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２种。

图1  风冷式中冷器

　　〔１〕风冷式〔图１〕　利用外界空气对通过中冷器的空气进展冷却。

优点是整个冷却系统的组成部件少，结构比水冷式中冷器相对简单。

缺点是冷却效率比水冷式中冷器低，一般需要较长的连接收路，空气通过阻力较大。

风冷式中冷器主要由２局部组成，即散热芯体和两端的气室，散热芯体〔图２〕主要由流通管和散热片〔图３〕组成。

图3  流通管和散热片

　　流通管的功能是分割压缩空气并为压缩空气提供１个流通管路，两端与气室相连，因此压缩空气不会出现泄漏的问题。

流通管的形状常见的有长方形、椭圆形以与长锥形３种。

由于流通管的形状不同，中冷器对压缩空气的阻力和冷却效率也不同。

许多中冷器为了提高冷却效率，会在流通管内壁上设置凸起，以增加压缩空气与流通管内壁的接触面积，但是这样会产生较大的气流阻力。

　　散热片位于上下两层流通管之间，并严密地与流通管靠在一起，其功能是为流经流通管的压缩空气散热。

当外界较低温度的空气流经散热片时，就能将热量带走，从而到达冷却压缩空气的目的。

　　多个流通管和散热片组合在一起，并多层重叠，就构成了中冷器的散热芯体。

另外，为了使来自增压器的压缩空气，在进入中冷器的芯体之前有缓冲和蓄压的空间，且在流出芯体之后能提高空气流速，通常在芯体的两侧安装有气室。

气室的外形与漏斗相似，其端部还会设置圆形进出口，以方便连接进气管路.

　　风冷式中冷器因其结构简单和制造本钱低而得到了广泛应用，大局部涡轮增压发动机使用的都是风冷式中冷器，例如华泰特拉卡ＴＣＩ越野车和一汽－群众宝来１．８Ｔ轿车搭载的发动机都使用了风冷式中冷器。

中冷就是对发动机进气进展冷却，以降低压缩行程终了时的最高温度，从而降低柴油燃烧的最高温度，减少氮氧化物的生成，降低了氮氧化物的排放！

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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，或许读者会问：

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、9XX，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，假设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与散热原理为何。

请读者们先看图一，这X类似千层糕的东西，就是中冷器的剖面图，由此图中我们可看出中冷器主要是由两个局部所组成。

第一局部名称为Tube，也就是图中第一层，其功能在于提供一个信道，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，其差异在于风阻与冷却效率间的取舍。

第二局部名称为Fin，也就是俗称的鳍片，通常位于上下两层Tube间，并严密的与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的外壁传到达鳍片上，此时假设有外界温度较低的空气流经鳍片时，就能顺便将热量带走，到达冷却进气温度的目的。

经由上述两局部不断重迭一起，直到10～20层的结构物，那么称为Core，这局部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，能有缓冲与蓄压的空间，与出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，以方便连接硅胶管，而中冷器就是经由上述四个局部所组成。

至于中冷器散热的原理就如同刚刚提到的一般，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，就可到达冷却压缩空气的目的，使进气温度较为接近外界温度，因此假设要增加中冷器的散热效率，只要加大其面积与厚度，以增加Tube数量、长度和散热鳍片等，就可到达此目的。

但有这幺容易吗？

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，而这也是本单元主要探讨的问题之一。

为何会产生压力损失

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与压力损失的问题，且进一步使涡轮迟滞现象更为严重，为什幺？

这要从两个方面谈起。

相信曾经自己洗过车的读者都知道，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，为什幺会这样？

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，因此为到达这目的，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，一定需到达车主设定的增压值才会进展，因此恒压值是不会降低，只不过会延长到达的时间（因为局部压力被消耗掉）与影响增压反响，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与压力维持，那么成了改装中冷器的首要课题。

改装中冷器的两难

一个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，譬如一个体积大小一样的中冷器，倘假设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与减少鳍片，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象中的简单。

因此要兼顾冷却效率与维持压力的方法，大局部会从Tube与鳍片两局部来着手。

首先是Tube局部，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。

接下来是鳍片局部，一般型中冷器的鳍片，就如同图二一般，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迭散热鳍片为最正确，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。

进展中冷器改装

以涡轮容量而定

谈完中冷器的各项改装理论后，接着我们来了解一下，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，以与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，那么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，以澔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，不利于低速增压反响，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响的特色，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与水箱散热排，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。

进气管路的配置

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，不过论与反响性的话，那么属上置式较占廉价，这便是其管路短带来的增压直接效果，例如ImprezaWRCar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响，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局部，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收，建议大家尽可能采用三或五层包覆的硅橡胶制品，这种硅胶管的延展性极佳、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，可防止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，如此才可使车主放心驾驭爱车。

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响较为缓慢，因此原厂才会设计上置式中冷器来减轻涡轮迟滞问题，倘假设升级的涡轮号数不超过六号、排气量未到2.2升以上时，笔者不建议改用前置式中冷器，因为加长的管路与加大的中冷器会使迟滞问题更加严重，不过当你到达上述条件时，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，另一方面那么是因为大型涡轮空气供应量较多、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。

风冷式中冷器可以安装在发动机水箱的前面、旁边或者另外安装在一个独立的位置上（很多柴油动力商用车前盖上都会多出一个人风口，那一般都是供中冷器使用的）.其波形铝制散热片和管道与发动机水箱结构相似，热传导效率高。

另一方面，中间冷却技术又需要较复杂的控制机构，空气过热无效果白费工夫，过冷在进气管中形成冷凝水会弄巧成拙，因此要将中冷器和涡轮增压器进展准确的匹配.使得压缩空气到达要求的冷却温度。