发动机水冷中冷技术研究

简 辉 王 磊

(1. 上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804；2. 上海市汽车动力总成重点实验室，上海 201804)

0 前言

随着排放法规渐趋严格，发动机小型化趋势日益明显，各大厂商通过研究不同技术以提高发动机性能及响应性，用于弥补小型化带来的不足[1]。发动机水冷中冷(WCAC)技术目前已逐步应用到各大厂商生产的发动机上。大众EA211 1.4T发动机已搭载WCAC，将水冷中冷器集成在进气歧管上，以提高瞬态响应。

WCAC采用水冷中冷器，与传统风冷中冷器相比，进气管路较短[2]。因为传统风冷中冷器布置在车头前端，增压后进气先经过风冷中冷器，再连接至节气门，整个管路较长。而WCAC不论采用外置式或者集成式，增压后空气经过WCAC直接进入节气门，减少绕到车头的距离，使得进气管路缩短，进气总容积减少，瞬态响应提高。图1为传统风冷和WCAC典型布置图[3]。

1 简介

为研究WCAC因管路缩短带来的瞬态响应收益，采用了某款搭载传统风冷中冷器的缸内直喷增压发动机，将中冷器改成WCAC，将传统风冷中冷与WCAC进行对比，包括瞬态响应、冷却能力等。为加强对比，共设计了2种WCAC方案，分别为集成式WCAC和外置式WCAC。集成式WCAC指水冷中冷器集成至进气歧管内，外置式WCAC指水冷中冷器置于压气机与节气门之间，图1中WCAC即为外置式WCAC。

本文试验在AVL台架进行，测功机参数见表1。利用Kistler 燃烧分析仪记录燃烧相关参数，缸压传感器采用打孔式缸压传感器。

表1 测功机相关参数

整车风冷中冷方案与WCAC方案采用相同的控制器和软件版本，确保试验边界条件一致。WCAC电子水泵采用手动控制。

2 试验方案

整车风冷中冷方案，照搬整车中冷器，利用风机对中冷器进行冷却，整车风冷中冷方案台架布置，如图2所示。

图2 整车风冷中冷方案布置图

外置式WCAC方案，去除整车风冷中冷器用水冷中冷器替代，根据该发动机在台架的布置方式，设计了水冷中冷器前后进气管，其台架布置情况示于图3。

图3 外置式WCAC方案布置图

集成式WCAC方案，去除整车中冷方案后，水冷中冷器设计集成在进气歧管内，根据该发动机在台架上的布置情况，设计了压气机至节气门的进气管路，由于台架的限制，集成式WCAC管路并未做到最优，该方案在整车布置管路缩短。集成式WCAC方案在台架的布置情况示于图4。

图4 集成式WCAC方案布置图

外置式WCAC、集成式WCAC与整车风冷中冷方案由于布置差异，进气管路差异较大，进气管路参数对比如表2所示。

表2 各方案进气管路长度

管路长短影响进气管路容积，同时外置式WCAC、集成式WCAC与整车风冷中冷方案采用的中冷器不同，体积略有差异，进气容积参数对比见表3。

表3 各方案进气容积

3 试验验证

3.1 瞬态响应

台架进行瞬态响应，试验方法为固定转速，平均有效压力(BMEP)维持在0.2 MPa，在0.1 s内将节气门拉至全开，计算节气门动作至该转速最大扭矩90%的时间，该时间即为该转速下瞬态响应时间。

试验选取转速分别在1 500 r/min和2 000 r/min时的工况进行比较。试验控制水温、机油温度、进气温度、排气背压调节阀开度等边界条件一致。

图5为各方案在转速1 500 r/min时的瞬态响应扭矩图，图6为各方案在转速2 000 r/min时的瞬态响应扭矩图。

图5 各方案在转速1 500 r/min时的瞬态响应

图6 各方案在转速2 000 r/min时的瞬态响应

根据上述瞬态响应扭矩图，计算瞬态响应时间。表4为各方案瞬态响应时间及WCAC方案较整车风冷中冷方案瞬态响应收益。

表4 各方案瞬态响应时间

从瞬态响应结果来看，外置式WCAC和集成式WCAC较整车风冷中冷方案均有提升，集成式WCAC提升效果更显著。

为了进一步验证进气管路长度及容积对瞬态响应的影响，针对外置式WCAC方案，进行管路缩短及加长，上文中的外置式WCAC方案定义为外置式WCAC 基础方案，管路缩短命名为缩短方案，2种方式加长管路分别命名为加长1方案和加长2方案。由于进气管路直径一致，故只比较外置式WCAC各方案进气管路长度，见表5。

表5 外置式WCAC各方案进气管路长度

针对上述外置式WCAC方案分别进行转速1 500 r/min和2 000 r/min时的瞬态响应试验，瞬态响应结果及相对基础方案收益见表6。

从外置式WCAC各方案瞬态响应结果可以发现，在转速为1 500 r/min时，管路长短对瞬态响应影响较小，但管路越短瞬态响应越快。在转速为2 000 r/min时，管路长短对瞬态响应影响较大，缩短方案较基础方案，瞬态响应提升约10%，而加长1和加长2方案瞬态响应均出现恶化现象。

表6 外置式WCAC各方案瞬态响应时间

3.2 瞬态冷却能力

整车风冷中冷与水冷中冷所采用的冷却介质不同，由此会影响到瞬态冷却能力。冷却能力的提升，有助于增加发动机功率及扭矩。

针对整车风冷中冷与集成式WCAC方案进行对比，试验工况为转速在1 500 r/min和2 000 r/min下的瞬态响应试验。图7为2方案中冷后进气温度曲线图。

图7 2方案中冷后进气温度曲线

图7显示，整车风冷中冷方案在瞬态响应进行过程中，中冷后进气温度显著上升，而集成式WCAC方案在短时间内，冷却能力较强，中冷后进气温度基本维持不变。

3.3 瞬态响应扭矩

同样，采取整车风冷中冷方案与集成式WCAC方案进行比较，试验工况为转速1 500 r/min和2 000 r/min瞬态响应。

由于冷却介质不同，集成式WCAC方案较整车风冷中冷方案瞬态冷却能力更强，中冷后集成式WCAC方案较整车风冷中冷方案进气温度更低，有利于提升发动机瞬态响应扭矩。

集成式WCAC方案进气管路较整车风冷中冷方案得以显著缩短，有利于降低进气压力损失，降低压力损失同样利于提升瞬态响应扭矩。

另一方面，在集成式WCAC方案中，中冷器集成在进气歧管内，而整车风冷中冷方案中冷器后布设有1 140 mm的进气管。集成式WCAC方案经过冷却后的气体直接进入气缸，不存在机体辐射对中冷后进气进行加热的可能，而是采用整车风冷中冷方案。

图8是转速1 500 r/min瞬态响应扭矩对比，图9是转速2 000 r/min瞬态响应扭矩对比。

图8 转速1 500 r/min瞬态响应扭矩

图9 转速2 000 r/min时的瞬态响应扭矩

在短时间内，在转速1 500 r/min和2 000 r/min时，集成式WCAC方案较整车风冷中冷方案瞬态响应扭矩都更高。由此证明集成式WCAC方案有利于于提升瞬态响应扭矩提升，有助于提升驾驶员感知动力。

4 结语

经过不同水冷中冷方案与整车风冷中冷方案进行试验对比，可以发现：

(1)外置式WCAC不同方案，包括基础方案、缩短方案、加长1和加长2方案对比显示，进气管路越短，瞬态响应更好。(2)外置式WCAC方案、集成式WCAC方案与整车中冷方案比较瞬态响应结果可知，集成式WCAC方案优于外置式WCAC方案，外置式WCAC方案优于整车风冷中冷方案。(3)集成式WCAC方案与整车风冷中冷方案比较瞬态响应冷却能力，集成式WCAC方案瞬态冷却能力明显优于整车风冷中冷方案。(4)集成式WCAC方案与整车风冷中冷方案比较瞬态响应扭矩，集成式WCAC方案瞬态响应扭矩高于整车风冷中冷方案，有利于改善驾乘体验。

上述结论证明，水冷中冷方案在瞬态响应各方面均优于整车风冷中冷方案，在发动机小型化趋势下，水冷中冷方案有助于改善瞬态响应。

由于条件尚不成熟，水冷中冷方案与风冷中冷方案均在台架上完成试验，外置式WCAC和集成式WCAC进气管路设计存在一定局限性。待水冷中冷方案设计成熟后，计划在整车上进一步验证水冷中冷与传统风冷中冷的差异。