增压器不加中冷器对发动机有什么影响?
▍增压器不加中冷器对发动机有什么影响?
严谨的说涡轮增压发动机是一定要配备中冷器的,可以是风冷、也可以是水冷,但一定要有。涡轮增压车如果没有中冷器,那么被压缩后的空气温度会剧烈上升,增加燃烧室出现爆震的趋势。而另一方面气体温度大幅度增加,会降低气体密度,使得被压入燃烧室的单位体积空气质量降低。
这很容易理解,假设1体积的单位是1克,发动机每循环需要填充1克的空气,由于温度剧烈升高,0.5体积=0.5克的空气发生膨胀变成了1体积。此时虽然空气还是1体积,但质量却仅为0.5克,被送入燃烧室后含氧量自然不够用。气体温度升高后,密度降低、体积膨胀,就会降低进入燃烧室空气的质量。含氧量降低、就必然导致喷油量降低,那么就达不到所需要的动力了。
涡轮增压机更容易出现爆震
涡轮增压发动机更容易出现爆震,原因在于其点火前的压力、温度更高,虽然增压机的压缩比普遍比自然吸气发动机更低。但机械压缩比并不是决定是否容易出现爆震的绝对因素。可以这么去理解,机械压缩比高但点火前的压力、温度不一定高。压缩比低,点火前的压力、温度可能会很高,而爆震的产生只与点火前的压力、温度有关。
那么可以得出一个结论,甭管机械压缩比有多高,只要点火前的温度、压力可控,就绝对不会出现爆震。反之即便机械压缩比非长的低,但点火前的压力、温度过高,一样会出现爆震。这样例子大多体现在涡轮增压发动机上,比如奔驰M133发动机,机械压缩比只有8.4,峰值压力1.8BAR。添加98号汽油是车辆手册上最低的标准。
而原因就是因为增压所导致的,假设自吸发动机一个0.5L气缸最多能吸入0.5L空气,而增压发动机一个0.5L气缸可以压入1L、2L甚至更大体积的空气,喷油量也是自吸0.5L气缸的几倍。更大体积的空气、更多的喷油量在同样物理容积气缸中进行压缩、点火、爆炸,所产生的压力、热量、温度都必然要更高,这就是增压机容易出现爆震的原因。
各位不妨看看空气被压缩后所产生的温度变化,空气被压缩前是22度,通过压气机后温度飙升至104度(压气机=进气侧涡轮)。这样的温度进入燃烧室会大幅度增加爆震的倾向,因为内燃机出现爆震除了燃油辛烷值比例不够的原因之外(加错油的很少),更多是由于产热多、散热慢所形成的热积累所导致的。而压缩空气经过中冷后,温度下降到61度。这个过程除了温度下降,气体的密度增加,单位体积质量也增加。
空气质量(重量)与温度的关系
实际上这部分不必多说,我们只需要通过理想气体方程pV=nRT即可看懂进气重量与温度的关系。
p:压力,这个压力值由涡轮增压系统来决定,比如0.8BAR、1.2BAR等等。
V:填充进燃烧室的空气体积。而对于自吸发动机而言这个体积由气缸容积决定。
n:空气质量(重量)。
R:空气种类(成分多,但比例固定)
T:空气温度
那么我们通过pV=nRT即可看出气体温度T越大,空气质量n就越小。因为涡轮增压系统在某个负荷下所提供的增压值、空气填充体积是固定的,也就是p*V的值是固定的,而空气种类是稳定且比例极难改变的。那么在这个等式中,n与T就是两个变量。气体温度T大则气体质量n就小,反之气体温度T越小则气体质量n越大。
这就是中冷器的作用,降低进气温度对爆震进行一定程度的抑制。其次通过降低温度来增加气体密度,使得同样体积的空气拥有更大的质量确保多喷油、压榨出更多性能。实际上就是这样升级涡轮增压发动机的动力需要升级增压系统所能提供的最大压力值(刷程序达到上限后换更大惯量的涡轮),压力值增大=压气量提高,气体压缩所释放的热量增加,所以中冷器也要升级来压制住上升的温度。
如果涡轮增压发动机不配中冷会怎样?首先就是压入燃烧室的温度升高,出现爆震的风险提高。ECU当然不会坐以待毙,就会适当的退角来抑制爆震。一旦退角平均有效压力下降,动力减弱、油耗上升。当然可以用更高标号燃油来解决问题,但关键是明明用低标号燃油就能实现的动力,为何要用更高标号燃油呢?这种成本增加是没意义的。而另一方面每循环气体填充质量降低。
每循环喷油量也会下降,动力自然就大幅度下降了。之所以涡轮增压得到普及,不就是看中其强大的潜力么,比如现如今民用1.5T能拉到200匹以上的马力,F1的1.6T能提供接近800匹马力。如果不用中冷器,那么动力参数会大幅度下降,那么增压的意义也就不复存在了。所以增压发动机一定要有中冷器,没有中冷器的增压机潜力很低,这实际上与电脑的CPU是同样的道理。
性能越强的CPU对散热要求越高,散热达不到要求CPU就只能降频,而降无可降时就会烧毁。涡轮增压系统也是同样的道理,没有中冷器,每循环所压入的空气温度高、质量小,ECU也会降频比如滞后点火、加浓喷射等等,这不就导致发动机的性能下降、潜力不足了么。说到底增压机与自吸机还是存在不小的差异的,自然吸气发动机更重视扫气效率,而涡轮增压发动机则更在意进气的温度。
▍增压器不加中冷器对发动机有什么影响?
随着国家环保要求的日益提高,越来越多的家用车上配置了涡轮增压以代替大排量的发动机。传统的大型发动机之所以动力更强大,原因就在于气缸排量更大,能够吸入更多的空气和更充足的燃油发生燃烧,从而释放更大的能量。但是这个问题已经被人类解决了,因为压缩空气可以达到同样的效果。提高进气的压力后就可以保证发动机吸入的空气大幅增加,提高发动机的动力输出。但是单纯的压缩空气效果并不好,这就要同时结合气体特性和发动机工作环境来说一说了。
压缩空气后的温度升高
气体经过压缩之后,随着密度的增加,温度也会上升,经过涡轮压缩的空气也是一样。在较高的温度下,涡轮压缩的能力很快会到达极限,影响涡轮的工作效率。不仅如此,高温的空气直接进入发动机,很有可能因为温度过高的问题损坏发动机,甚至出现“死火”的现象,同时还会增加废气中氮氧化物的含量,增加大气污染。既然出现了这么多的问题,那么就需要中冷器来参与工作了。这就好比火锅里刚涮出来的鲜嫩羊肉,总得过一遍蒜泥香油凉一凉才好吃进嘴里。
中冷器的降温作用
中冷器的全称是中央冷却器,它的位置通常被安装在发动机和进气歧管之间,加压后温度升高的空气需要进过中冷器的降温后再输送给发动机参与燃烧。中冷器的原理比较接近于车主们熟知的水箱散热器,中冷器的容量很大,高温高压的气体被输送进许多个细小的管道,管道外有高速通过的常温气体给其进行持续的散热。这样做的效果怎么样呢?实际上中冷器可以把150摄氏度的气体降温到50摄氏度,还是非常厉害的。
有研究数据表明,在相同的空燃比条件下,被增压的空气每降低10摄氏度,发动机的功率就能提高百分之3到5。这是一个非常大的效率飞跃,由此也能看出中冷器的重要地位。
中冷器中的另类角色
大部分车子使用的是上文中提到的前置中冷器,但也有另类的顶置中冷器车型受到车迷的追捧。斯巴鲁的Impreza车系就是顶置中冷器的典型。顶置的中冷器是通过再发动机盖上开孔来获得冷却空气,可以最大程度缩短加压空气输送到发动机所用的时间。
除了利用空气散热的中冷器,丰田3S-GTE就是一个利用水冷散热的典型。这样的设计大大缩短的进气管的长度,从而很大程度的减少涡轮迟滞。但是水冷散热器的结构更为复杂,而且降温的幅度直接受限于发动机水温,所以总的来说效率不如空气散热的中冷器,因而没有成为主流。
综上所述,涡轮增加汽车上中冷器的设计十分重要,提升涡轮增压的效果和发动机效率。不同的中冷器安装位置和冷却方式也各有利弊,为不同驾驶习惯和爱好的车主提供了更多的选择。
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▍增压器不加中冷器对发动机有什么影响?
严格来说中冷器不是增压器的,而是进气系统的。中冷器位于涡轮增压器和节气门之间,可以给涡轮增压器压缩过的空气进行降温,主要分为风冷式和水冷式。
为什么要加中冷器
因为涡轮增压器工作时温度很高,再加上增压器对空气进行了压缩,因此增压器送往发动机的空气温度非常高,有些甚至可以接近200度,空气温度上升后会膨胀,这样以来实际进入气缸的空气量会减小,降低了增压效率。更为严重的是气缸温度更高,高温空气进入高温的气缸,在压缩冲程再被用力压下去,那温度可想而知,极易引起发动机爆震,轻则输出功率严重下降,重则损坏发动机,所以涡轮增压发动机必须给进气进行冷却。
风冷式中冷器
上图车头前方那个像水箱一样的散热器就是风冷式中冷器,利用车辆行驶中吹入的气流对进气进行散热降温。但是风冷式中冷器缺点很多。
上图就是一个配备了风冷式中冷器的涡轮增压发动机,可以看到涡轮增压器把空气压缩后需要先送到车头的中冷器,拐个弯后再次回到发动机,这样导致进气管路特别长,即损失气流动能还延长了响应时间。而且冷却效果取决于气流速度,市区低速行驶中冷却效率不高。
水冷式中冷器
水冷式中冷器位于发动机上,也分为两种,一种利用发动机冷却液进行冷却,另一种使用单独的水冷系统进行冷却。可能有人会认为发动机冷却液本来就是高温的,会不会出现不但无法降温反而会升温的现象?其实并不会,因为开篇我们就提到了涡轮过来的空气温度比发动机水温要高,所以相比较来说还是散热。而独立水冷系统就先进多了,它有自己专用的冷却液循环系统,降温效果是最好的。
现在很多车都开始使用水冷式中冷器了,您的爱车是哪种中冷形式呢?
▍增压器不加中冷器对发动机有什么影响?
涡轮增压发动机的中冷器是对增压后的空气降温的一个非常重要的装置,如果不加中冷器或者中冷器出现故障,通常进气温度就会比较高,进而引发进气量不足、发动机爆震、输出功率下降、加速乏力,冒黑烟等症状,下面和大家分享一下原因:
不安装中冷器会使发动机进气温度增高,进而发动机爆震
通常情况下,汽车发动机对于进气温度是有一定要求的,如果进气温度过低,会增加油耗,反之,如果进气的温度过高,就会导致发动机爆震,涡轮增压发动机的涡轮旋转是通过发动机的尾气推动的,发动机的尾气温度比较高,涡轮增压器的温度也比较高,最高可以达到900℃,而涡轮的转速最高可以达到20万转/分,这么高的转速,这么高的温度会导致涡轮增压器同轴的进气温度也会随之升高,假如没有中冷器的话,近期的温度可以上升到几百度,这么高的温度,会导致发动机产生爆震,发动机缸内温度也会迅速升高,排气温度也会提升,严重的爆震甚至会导致发动机损坏。
不安装中冷器会影响发动机的进气空燃比
现代的电喷发动机通过一系列的手段,使空燃比维持在14.7:1附近,发动机的空燃比是通过氧传感器、进气温度传感器,空气流量传感器、三元催化器、水温传感器等一系列设备进行自动控制的。
发动机的氧传感器用于检测到发动机尾气中的氧含量,ECU根据氧传感器的电压值控制喷油量,如果氧传感器检测到氧含量过高,就会增加喷油量,反之就减少喷油量,这个修正还要参考发动机的进气温度传感器,因为热胀冷缩的效应,一旦进气的温度增高就会导致空气密度减少,单位体积内的绝对进气量就会减少,就会导致混合气过稀,发动机会减少喷油量以形成合适的空燃比,此时就会导致发动机动力不足,功率下降。而一旦超过发动机自动调整的极限,就会导致发动机冒黑烟等现象。
【知识点】--发动机理论空燃比:
发动机正常运转时,需要保持一定的空气和燃料的比率,这个比率就是空燃比,通常情况下,汽油发动机有一个理想空燃比,空气和燃料的比率为14.7比1,也就是说燃烧14.7克的空气需要喷出一克的燃油,在这个比率下发动机的油耗最低,燃烧效率最高,排放物最少。而发动机的闭环控制要参考进气量、进气温度、水温、氧传感器温度、三元催化器温度等参数,在怠速、暖机、急加速、大负荷、高功率输出的工况,只能通过ECU固化的喷油脉宽,这样油耗会增加,积碳也会增加。而如果不安装增压器,由于进气温度等增加,进气量不够,ECU仍然采用固有的喷油脉宽就更容易因为混合气过浓而产生冒黑烟的情况。
▍增压器不加中冷器对发动机有什么影响?
增加空气密度,才能更好提升动力。因为空气的密度跟温度有关,所以才必须加散热器的原因。
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