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渦輪引擎專用 冷卻系統進階提昇藥方


刊登時間: 2013/07/14

文、圖/Grand
協力/廣名渦輪、亞仕德車業、萬宇國際

同樣是提昇冷卻系統效率,相較於自然進氣引擎來說,渦輪引擎總是有需特別關照些,且有些冷卻套件還是渦輪引擎才有,因此筆者特別開闢此單元,探究特別適合渦輪引擎的水噴射系統與其獨有的中冷器等,改裝兩項套件的提昇方式與效果。

中冷器之所以會有這麼多尺寸,主要目的在依據不同引擎排氣量與渦輪出風 量,來使用適合的大小,以求在冷卻效率與渦輪遲滯間取得一個平衡點。

改裝中冷器的兩難
冷卻與壓力的平衡

中冷器的安裝目的,主要是為降低進氣溫度,因渦輪增壓的工作原理,使渦輪本體處於極高溫狀態,相對會提高進氣渦輪端的空氣溫度,加上壓縮過的空氣同樣也會產生熱度,如果不降溫就進入燃燒室中,很容易導致引擎工作溫度過高,接著就會發生爆震,嚴重影響引擎壽命,且過高的空氣溫度也會因空氣熱膨脹而大幅降低含氧量,這樣一來便會降低進氣效益,自然就無法產生應有的動力輸出。此外,進氣溫度太高,水溫與油溫通常也不會低到那裡,對引擎來說很傷,若不設法降低溫度,就很容易增加引擎故障機率,因此才需安裝足夠散熱的中冷器來降低進氣溫度。

只要是渦輪引擎都會有中冷器,而且通常是一顆渦輪配一組中冷器,如果是 雙渦輪增壓引擎的話,就會有兩組中冷器在車上,就像這顆舊款Audi RS6所搭載的5.0L V10雙 渦輪增壓引擎一樣。

一個強調性能化的中冷器,除了要有良好的散熱能力以外,壓力損失的減低亦必須考量進去,才不會產生嚴重的渦輪遲滯問題,不過中冷器要散熱好,體積就不會太小,但如此又容易形成渦輪遲滯,因此這兩者在技巧上是完全相反的,好在可透過一些設計來兼顧兩者,大部分會從管路與鰭片這兩部分來著手。首先是管路部分,其中有分成兩種方式,第一:使用管徑較粗但管壁極薄的式樣,以粗管徑來增加空氣流通的順暢度,並利用管壁薄的特點提高散熱性。第二:在較粗管路裡,額外設置「內網」在裡頭的方式,就增加熱空氣散熱面積,以提高熱傳達量,自然散熱效率也就能增加,因此挑選時不妨多看看內部Tube管路內,有無額外加裝散熱鰭片,如果有相信散熱效果應該會好上許多才是。

這組中冷器是「廣名渦輪」開發出來給BMW 335i所使用的加大中冷器,除了 厚度增加外,管路內還設有散熱網,可增加其散熱效率,對於穩定引擎動力輸出有絕佳幫助, 非常適合調高增壓值的車款使用。

接下來是鰭片部分,一般型中冷器的鰭片,其形狀通常為直條狀無任何開口,且中冷器的寬度多長,鰭片就有多長,不過既然鰭片在整個中冷器裡,扮演散熱功能的主要角色,因此只要增加其接觸冷空氣的面積,就能提高熱交換功率,因此許多中冷器的鰭片,後來都改用「波浪狀」或是俗稱「百葉窗」設計的鰭片最為流行。不過就散熱效率來說,還是以所謂交疊散熱鰭片為最佳,但產生的風阻力量也最為明顯,因此較常見於日本D1參賽車上,因為這些比賽車輛的速度都不快,可是卻需良好的散熱效果,來保護遊走於高轉速的引擎。

 

進行中冷器改裝
以渦輪容量而定

談完了中冷器的各項改裝理論後,接下來我們來了解一下,實際改裝時需注意的事項有哪些。一般來說,改裝用的中冷器大多分成原廠交換型式,以及需要大幅改變管路配置的大容量套件。直接交換式的尺寸和原廠相差不多,差異僅在於管路、鰭片設計不同與厚度稍微加寬,此套件適合原廠未改的車輛,或改裝幅度不大的場合,能將原廠引擎的潛力激發出來。

一般中冷器的散熱鰭片都是呈現直條狀,可減少高速行駛的風阻,不過如果 比較散熱效率的話,會是呈現波浪狀的鰭片效果較佳。

至於大容量的中冷器,則除了加大迎風面積強化散熱性以外,更會提高厚度以確保溫度恆定,一般型約在5.5至7.5公分左右(適合1.6~2.0升車輛使用),加強型約在8至10.5公分左右(適合2.5升以上車輛使用),加上還會運用大漏斗狀的蓄氣Tank,使氣流通過的抵抗能減至最小限度,當然這使用到中大型渦輪時場合,則出現在配置中大型渦輪時才較為適用,例如6號渦輪以下的引擎,就不建議使用,因為這樣遲滯的狀況會較為嚴重,不利於低速增壓反應,然而在NA改Turbo的車輛裡,中冷器還是大一點較好,因為原廠設計的冷卻效率可能不夠,且就算是低增壓設定亦不可省去中冷器,畢竟較低的進氣溫度,不但能延長引擎耐用度,對於動力輸出的穩定也有助益。

 

另一方面,中冷器除了利用空氣散熱外,還有利用水冷式樣,BMW搭載於旗下多款M-Power車輛上的4.4L V8雙渦輪增壓引擎就是一個例子,它的優點主要就是其水冷Cooler本體剛好位於節氣門前,因此進氣管路極短有著高反應的特色,加上水本身的恆溫性非常高,對進氣溫度的恆定性也有很大幫助,尤其是車頭無撞風效應時更加明顯,如塞車。不過,由於它需要另接專用水泵浦及水箱散熱排,而且降溫幅度不如直接透過空氣冷卻來得大,因此目前還是以氣冷式中冷器為主流。

左邊是Golf GTI MK5、右邊是Audi S3原廠中冷器,兩者除了左右Tank材質與 固定方式有所不同外,厚度也是S3的比較厚,GTI中冷器能承受的增壓峰值比較低,且周邊橡膠 油封容易因油氣污染而漏氣,全鋁的S3部品就沒此問題。

由於甩尾車的比賽狀態,是在高轉速但車速不快的情況下操駕車輛,為獲得 足夠的散熱效果,每部比賽車的中冷器都是比「大咖」的。

同樣是前置中冷器擺放方式也不盡相同,像廣名渦輪開發的Swift專用中冷器 ,就巧妙的安裝在水箱旁,而日本改裝車則習慣將水箱與中冷器呈現V型角度排列,同樣可獲得 不錯的散熱效果,缺點是引擎蓋要開孔空氣才能流動。

 

 

部分少數原廠渦輪引擎會使用水冷式中冷器,優點在於溫度控制較穩定,尤 其是塞車環境中,且進氣管路短引擎反應快速,缺點則是散熱效果不若氣冷式來得明顯。
 
新式降溫利器
缸內水噴射系統
對於想要進一步降低進氣溫度的車主來說,不得不嘗試這套所謂的「水噴射系統」。其顧名思義就是將水分子以霧化方式吸入引擎燃燒室內,以降低燃燒溫度。為何進入燃燒室內的霧化水分子能降低燃燒室溫度呢?這是因為水分子汽化所需熱量為汽油的六倍,同樣環境下水的降溫效能遠遠大於汽油,因此當水噴射將霧化的水分子噴入燃燒室內後,就能帶走大量高溫,有效的降低汽缸溫度。此外,由於汽油的比重比水還要低,因此與水分子一同進入燃燒室內汽油分子,便會將水分子包覆起來,增加不少燃燒面積,對於燃燒速度的提昇有絕佳幫助,汽油燃燒狀況會更完全,加上水分子有著提高氣缸壓縮比的效果,在上述條件加種起來下,引擎輸出效率自然就會提昇上來。

由於水噴射系統並非一發動引擎就開始噴射,因此整組系統中需要一個電子 控制器來控制開啟條件,各廠牌的控制器都不相同,多數都是依據歧管壓力大小來設定,不過 耐用度卻有著不小的差異,進口品牌不一定好用。

而水噴射系統除了降低引擎工作溫度、有效控制進氣溫度外,還有著許多好處,例如能有效減少引擎爆震發生機會,且進而將點火時間更為提前,對於性能上的輸出還能更為直接。另外,還能降低排氣溫度,對渦輪車來說低一點的排溫,可確保引擎壽命。此外,還可藉由水分子的幫助,清除燃燒室內部積碳,這些都是水噴射所帶來的好處。至於,水噴射系統安裝難度通常不高,高壓泵浦與儲水桶多半都固定在行李廂內,再藉由管路將水導引至引擎室內,並與鎖在進氣管路上的噴嘴連接後,即可完成管路的配置。至於負責管理啟動時機的控制器,如果有改裝電腦可對應則不需額外安裝,要不然就需另外加裝「歧管壓力控制器」或「轉速控制器」,來負責控制水噴射啟動與關閉的時機。

其實水噴射系統筆者早在2006年時,就曾在國內歐系改裝車上看過其蹤影, 不過當時並未流行此套件,因此知道它的車主並不多。

而水噴射系統降溫效果明不明顯,就端視其霧化效果是否完全,水分子愈小,蒸發速度愈快,且隨著空氣進入各汽缸內就愈平均,相對帶走熱的效率愈佳,而影響霧化效果的的元件就是噴頭部分,不良的噴頭除了會造成不平均的吸入汽缸內,嚴重則會造成歧管內部積水現象(霧化不完全的水滴),雖然不至於嚴重到造成損壞的地步,但這種狀況會造成各缸壓縮比的差異,對引擎運轉順暢性容易造成慢性傷害,是諸多車主不願意樂件的事情。

不論是渦輪或機械增壓引擎,想要進一步降低進氣溫度、減少引擎爆震,並 穩定引擎動力輸出,透過水噴射系統的幫助,可獲得立竿見影的功效。

建議使用水加酒精
兼顧效果與耐用性
而這套系統雖然稱之為「水」噴射,但是噴射進入燃燒室內的液體,不一定都是純水,一般來說多都是純水與工業酒精的混合液體,比例則是因人而異,通常都是各自一半,也有人主張純酒精的比熱比純水還高,並具有高揮發的可燃性,因此除了降低溫度效果比水還好外,並有提昇辛烷值的效果,所以提高壓縮比、提高增壓值、降低爆震、點火提前的幅度能夠更大,扭力、馬力的提昇也就更高了。

水噴射系統的噴嘴通常都安裝在節氣門前的進氣管路上,啟動時機則有一套 完整的原則可遵循,有些重度改裝車還會加裝兩顆噴嘴,分成兩個階段來作動,效果更為全面 。

不過以筆者的角度來看,使用純工業酒精的代價不低,且酒精本身具有一定程度的腐蝕性,對橡膠油封與O型環的壽命有負面影響,因此實在不建議使用純酒精的液體,來噴入氣缸內。而如果要添加水的話,也要使用純水,例如家裡的RO逆滲透水,如此才不會造成噴嘴上細小的噴孔,因水垢增生而阻塞,這點是許多過去經常遇到的問題。

填充的液體建議使用純水+工業酒精各一半的比例,除可節省購買工業酒精的 費用外,使用純酒精的成分,較容易對橡膠油封造成慢性傷害。如果使用純水的話,要記得添 加RO逆滲透水,才不會長水垢阻塞噴孔。

在供油程式調校部分,由於加裝了水噴射系統之後進氣溫度會隨之降低,A/F空燃比自然也會不同,且水霧的體積會將壓縮比略為提高(幅度相當些微),如果使用的液體內含酒精,也會影響辛烷值的高低,所以水噴射開啟後的供油曲線必須加以修正,而減少爆震後並搭配將點火正時提前,甚至可以將渦輪增壓值提高,如此一來更能增加動力輸出的效果。 
如果車上已有改裝電腦的話,原則上就不需額外加裝控制器,使用改裝電腦 上的12V電壓輸出功能就能對應。

據已投入水噴射系統開發的亞仕德車業表示,整套系統的效果好壞,噴嘴霧 化程度佔有絕對直接的影響,因此其特別使用美製進口噴嘴來搭配在套件內容中,且還分成大 小不同流量的噴嘴規格,以對應不同排氣量與改裝幅度的車輛使用。

 

看似不起眼的管路也有很大的學問,不好的管路很容易在高壓環境下脫管, 因此亞仕德車業特別使用製作金屬煞車油管中的鐵氟龍管路,來避免發生上述問題。