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水冷和风冷之争?涡增发动机中冷器解析

目前小排量涡轮增压发动机的进气冷却系统主要有两类。其一是集成水冷中冷器,其二就是外置风冷中冷器。集成水冷中冷器主要依靠防冻液冷却进气,并借助散热水箱来进行二次热交换。外置风冷中冷器则利用自然风对增压空气进行直接冷却。那么,哪种方式会更好呢?

1.

涡轮增压发动机为何必须对进气进行冷却?

回答这个问题之前,我们先科普一下为什么涡轮增压发动机要对进气进行冷却。

对于涡轮增压发动机而言,增压器是通过高温废气来进行驱动,鉴于此,涡轮增压器的温度一般都在600摄氏度左右,进气在通过涡轮之后会被加温,进而产生热膨胀,膨胀后的热空气在常规气压前提下,单位体积中的氧分子含量就会有所减少,进而导致涡轮增压发动机输出效率降低。


研究显示,进气温度每降低10摄氏度,发动机功率可提升3%至5%。此外,进气温度过高还会增加发动机爆燃率。所以对于任何一款涡轮增压发动机而言,如何降低进气温度,就成为提升其功率输出,保证发动机工况的重要手段。而对于小排量涡轮增压发动机而言,进气温度的影响更大——试想一下,一款100kW的小排量涡轮增压发动机,进气温度下降40摄氏度,功率提升20kW,是一件多么诱人的事?

2.

两种中冷器各有怎样的优点?

集成水冷中冷器好处就是结构紧凑,管路布置灵活,安装设计毫无压力;管道短,管内压力保持性较好,由此能极大降低涡轮迟滞现象,除了大众EA211发动机,诸如标致、雪铁龙、丰田等小排量涡轮增压发动机采用的都是集成水冷中冷器。下图为大众1.4T EA211的涡轮增压发动机的中冷示意图,其水冷中冷器被安置在靠近进气歧管的位置。红色实线的高温气体经过蓝色虚线冷却液循环冷却后,变成蓝色实线低温空气直接进入进气歧管,红色虚线的高温冷却液则循环到水箱散热器中散热回冷。


相对而言,外置风冷中冷器的冷却效率更高,其进气温度可冷却至50摄氏度左右,对于同型号发动机而言,采用外置风冷中冷器之后输出功率要高出不少。如果搭载集成水冷中冷器的同型号涡轮增压发动机要达到同样的输出功率,其调校就必须要激进很多。从发动机的可靠性理论来说,调校越激进,其可靠性必然会降低。


诸如布加迪、GT-R这样的强调动力输出的涡轮增压跑车,之所以选择外置风冷中冷器,主要看重的是也外置风冷中冷器对于发动机的动力压榨能力。此外鉴于结构的简单,外置风冷中冷器在可靠性上也要有不少优势。

3.

两种中冷器各有哪些缺点?

其实说白了,这两款中冷器各自的优点恰恰就是对方的缺点所在。集成水冷中冷器的缺点主要有两点,第一点就是进气冷却效率不高,其进气冷却温度直接受限于发动机水温。发动机水温在正常工况下为90摄氏度左右,换句话说,采用集成水冷中冷器的涡轮增压发动机,稳定工况下进气温度不会低于90摄氏度。


其二就是集成水冷中冷器的水箱冷却系统更加复杂,且时间一长容易出现漏水故障。某发动机技术公司曾经对某汽车零部件供应商的集成水冷中冷器进行过寿命模拟测试,发现7年之后普遍出现漏水渗液的情况,而这家供应商的集成水冷中冷器被普遍用在合资品牌小排量涡轮增压车型上。按照一位就职于该发动机技术公司的不愿透露姓名的工程师的话说,对于采用集成水冷中冷器的小排量涡轮增压发动机车型而言,7年车龄之后“可能”才是漏水故障的集中爆发期。

说完了集成水冷中冷器的缺点,再来看看外置风冷中冷器。对于外置风冷中冷器,“涡轮迟滞”似乎是一个绕不过去的话题——外置风冷中冷器的进气管路要比集成水冷中冷器长得多,管类空气容积更大,就管内压力波动而言,外置风冷中冷器要更大一些,从而导致涡轮迟滞现象——这在大排量涡轮增压发动机上尤为明显。

不过一些小排量涡轮增压发动机也通过一些设计优化涡轮迟滞现象。包括通过采用延迟点火的方式,保持管内压力,可将涡轮迟滞现象控制在常人无法感受的范围之内。

其实外置风冷中冷器的缺点之一是必须布置在迎风面上,不如集成水冷中冷器那样紧凑灵活,这对发动机舱的设计提出了更严苛的要求。此外,外置风冷中冷器时间一长便容易藏污纳垢,几年之后其冷却效率和新车时相比会有所下降。因此外置风冷中冷器必须定期清理。

从根本上看,外置风冷中冷器的安装设计成本要高于集成水冷中冷器,但进气冷却效率却是集成水冷中冷器无法比拟的。之所以很多车企的小排量涡轮增压发动机采用集成水冷中冷器,主要还是基于降低设计成本,增加整车利润的考虑。


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