增壓中冷技術

廢氣渦輪增壓技術自五十年代起在柴油機上得到應用,四十多年來得到了迅速發展。從六十年代以來柴油機平均有效壓力和活塞平均速度的提高。在這個期間,後者增加了約三分之一，而前者卻增加了差不多三倍。中冷增壓系統平時不工作，只有當車輛滿載或達到一定的速度時，中冷增壓的的優越性才能真正的體現出它實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性衝力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料和調整一下發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率。事實表明,提高平均有效壓力是提高內燃機比功率的主要途徑,而提高平均有效壓。具體措施就是提高增壓壓力，和最高爆發壓力。隨着內燃機向高增壓度的不斷髮展，其熱負荷問題變得更加突出,如不採取措施,柴油機經常會發生氣缸蓋“鼻樑骨”斷裂、燃燒室鑲塊燒裂、活塞環燒結卡死、活塞燒裂等現象，至於渦輪轉子，也常因熱負荷過大而損壞，如密封環燒結、葉片變形等。可見，單級增壓要達到高的增壓壓力，解決熱負荷是一個十分關鍵的問題。增壓中冷是一項比較好的解決揩施，據計算，壓縮空氣Tk降低1℃，最高燃燒温度和排氣温度可降低2、3℃，可以有效地緩解熱負荷。因此，尤其是對於中增壓度以上的增壓系統，增壓中冷幾乎是必不可少的。此外，增壓中冷還可以使進氣密度進一步提高，在不增加熱負荷的情況下，能夠提高功率15%-20%，並且還能降低排放中NOx的含量，改善環境。

對於汽車發動機，我們總是希望它單位體積和重量的功率越大越好。為了提高功率，需要增加單位時間燃燒的燃料量，即要求增加單位時間進入氣缸的空氣量。為此目的，一種措施是提高轉速，即增加單位時間內的循環次數；另一種措施是增加每一循環的進氣量。所謂增壓就是將空氣預先壓縮後再進入氣缸，以提高空氣密度，增加進氣量的一種技術。通過增加進氣量，相應的增加循環供油量，這是提高發動機功率的一個重要途徑。與相同功率的非增壓發動機相比，增壓發動機不僅體積小，重量輕，功率大，而且還降低了單位功率的成本，提高了燃油經濟性。同時，增壓中冷還可以降低發動機熱負荷，改善污染物的排放。因此，增壓中冷技術不僅廣泛應用在柴油機上，而且還推廣到汽油機。它是改善發動機性能的重要技術手段。增壓有渦輪增壓、機械增壓和氣波增壓三種基本形式，相對應的增壓器分別稱為渦輪增壓器、機械增壓器和氣波增壓器。在增壓發動機中，功率的大小與增壓壓力成正比，與增壓温度成反比。不過，根據熱力學原理，增壓空氣在增壓器中壓縮是按多變過程進行的。為了使增壓後空氣具有儘可能大的密度和較低的温度，需要在增壓器與發動機之間設置一個冷卻器(中冷器)，對增壓空氣進行冷卻，即所謂中間冷卻。各發動機廠對此有嚴格規定，例如濰柴公司生產的WD615系列柴油機要求在大氣温度25℃時，中冷後的進氣温度不得超過55℃。

柴油機轎車在歐洲比較普遍。經過多年的研究和應用，現代汽車柴油機通過採用電控噴射、共軌、增壓中冷等技術手段，在重量、噪音、煙度等方面已取得重大成果，達到了汽油機的水平。 增壓可使柴油機在排量不變，重量不變的情況下達到增加輸出功率的目的。與相同功率的非增壓柴油機相比，增壓柴油機不僅體積小、重量輕、功率大，而且還降低了單位功率的成本。因此增壓技術廣泛應用在柴油機上，而且還推廣到汽油機，是改善內燃發動機的重要技術手段。

但是事物總有矛盾性，空氣壓力的提高就是空氣密度的提高，空氣密度的提高必然會使空氣温度也同時增高，這如同給輪胎打氣時泵會發熱一樣。發動機渦輪增壓器的出風口温度也會隨着壓力增大而升高，温度提高反過來會限制空氣密度的提高，要進一步提高空氣密度就要降低增壓空氣的温度。據實驗顯示，在相同的空燃比條件下，增壓空氣温度每下降10攝氏度，柴油機功率能提高3%-5%，還能降低排放中的氮氧化合物(NOx)，改善發動機的低速性能。因此，也就產生了中間冷卻技術。

對於增壓壓力較高的中、高增壓發動機，一般需裝置中間冷卻器，這是因為渦輪增壓器吸進的空氣經壓縮温度會升高，空氣在流動過程中與管壁摩擦還會進一步升温，這樣不僅影響充氣效率，還容易產生爆燃。發動機的有效功率P_e與充入氣缸的氣體密度成正比，密度越大，功率越大，增壓空氣密度由氣體狀態方程決定。

即

式中：p是增壓壓力，Pa (絕對壓力)；T是增壓時空氣絕對温度，K；R 是氣體常數(287.14/JkgK)。

增壓發動機功率大小與增壓壓力成正比，與增壓空氣温度成反比。只有當空氣温度T保持不變時，發動機的有效功率P_e才與p成線性關係。由此可見，對增壓空氣進行中間冷卻是很重要的。一般高速柴油機採用增壓可提高功率30%，採用中冷技術可進一步提高50%-60%。

增壓器高壓熱空氣流經中冷器的冷卻管，把熱量傳給冷卻管和附着在管子上的散熱帶，外面的冷空氣流過冷卻管和附着在管子上的散熱帶，帶走上面的熱量。就這樣通過管子和散熱帶把熱空氣的熱量傳給外面的冷空氣，把增壓熱空氣的温度降下來。

柴油機中間冷卻技術的類型分為兩種，一種是利用柴油機的循環冷卻水對中冷器進行冷卻，另一種是利用散熱器冷卻，也就是用外界空氣冷卻。當利用冷卻水冷卻時，需要添置一個獨立循環水的輔助系統才能達到較好的冷卻效果，這種方式成本較高而且機構複雜。因此，汽車柴油機大都採用空氣冷卻式中冷器。 空氣冷卻式中冷器利用管道將壓縮空氣通到個散熱器中，利用風扇提供的冷卻空氣強行冷卻。空氣冷卻式中冷器。可以安裝在發動機水箱的前面、旁邊或者另外安裝在一個獨立的位置上，它的波形鋁製散熱片和管道與發動機水箱結構相似，熱傳導效率高，可將增壓空氣的温度冷卻到50至60攝氏度。

在轎車上採用空—空中冷系統，中冷器通常由行駛時的迎面風冷卻，也就是説，中冷器的效果主要取決於汽車的行駛速度，而冷卻芯子中冷卻空氣的流速越高，則冷卻效果越好，因此為使冷卻空氣在芯子中達到儘可能高的流速，必須選擇在空氣側有較低阻力的冷卻系統。中冷器應佈置在動壓頭較高的部位，應力求使冷卻空氣能順暢地流進和流出。中冷器遠離發動機安裝時，大多數在汽車的前部將中冷器安置在散熱器（水箱）之前或在其旁邊，儘可能放在動壓頭較高的範圍內。但其缺點是增壓空氣管較長，而且大多數是彎彎曲曲，並有弧度和截面變化，這就會引起壓力損失，從而使冷卻效率以及廢氣渦輪增壓的響應特性惡化靠近發動機安裝時，如果由於結構限制，也可將中冷器安置在發動機的上面，這樣空氣側的途徑較短，因而壓力損失較小。但是這種佈置對於冷卻空氣的通道及密封有較高要求。 ^[1] 

卡車主要採用空－空中冷系統。由於卡車工作條件的要求，只依靠行使時迎面風冷卻是不夠的，所以中冷器裝在散熱器（水箱）的前面或旁邊，並由風扇吹風冷卻。因為冷卻裝置的總寬度受安裝空間的限制。很少考慮中冷器裝在散熱器旁邊的方案，在採用中冷器前置方案時，有時在散熱器前還要安裝其他的冷卻器（例如空調冷凝器，變速器或液壓裝置的油冷器等），這些冷卻器遮住一部分散熱器迎風面積。使冷卻空氣進入温度升高，從而使置於後面的散熱器大大提高了熱負荷，因此散熱器必須相應地設計的大一些。 ^[1]