Промежуточный охладитель (интеркулер) медленно, но уверенно признается как неотъемлемая составная часть системы турбонаддува. Его использование должно рассматриваться не просто как добавление льда к нашему лакомству. Правильный промежуточный охладитель означает большее количество этого лакомства.

Общая схема системы турбонаддува с промежуточным охлаждением.

Промежуточный охладитель это радиатор или, используя более правильную терминологию, теплообменник, расположенный между турбонагнетателем и впускным коллектором. Основная его задача состоит в том, чтобы забрать ненужную теплоту из нагнетаемого воздуха, которую туда добавил турбонагнетатель в процессе сжатия. Очевидно, что качество промежуточного охладителя должно оцениваться его способностью по переносу этой теплоты. К сожалению, это только верхушка айсберга, поскольку простое по сути добавление промежуточного охладителя создает множество разнообразных проблем. Извлечение большей пользы от установки промежуточного охладителя при уменьшении проблем, которые он может принести — техническая задача, которая должна быть решена прежде, чем можно будет создавать систему турбонаддува с промежуточным охлаждением воздуха.

Будет ошибкой думать, что «любой интеркулер лучше, чем отсутствие интеркулера «.

Отвод теплоты от нагнетаемого воздуха имеет два огромных достоинства. Во-первых, понижение температуры увеличивает плотность воздуха. Увеличение плотности пропорционально изменению температуры (измеренное по абсолютной шкале). Более плотный воздушный заряд производит больше энергии. Вторым, но не менее важным эффектом является потрясающий выигрыш в процессе сгорания, вызванный уменьшением вероятности возникновения детонации вследствие пониженных температур воздушного заряда. Эти два достоинства являются причиной того, что правильно выбранный промежуточный охладитель может увеличить мощность и/или запас прочности двигателя с турбонагнетателем. Чтобы уточнить, какие испытания проводятся при оценке системы промежуточного охлаждения, обратитесь, пожалуйста, к главе «Испытания системы».

Оптимальная конструкция интеркулера

Факторов, определяющих оптимальность конструкции при создании промежуточного охладителя много, и они различны по своей природе. Эти факторы определяют направления приложения инженерной мысли для постройки промежуточного охладителя, который максимизирует отвод тепла и минимизирует потери давления наддува и любые негативные проявления инерционности.

Жидкостное охлаждение на Toyota Celica

Площадь теплопередачи.

Площадь теплопередачи — сумма площадей всех пластин и оболочек в ядре теплообменника, которые отвечают за передачу теплоты из системы. Легко заметить, что чем больше площадь теплопередачи, тем более эффективен промежуточный охладитель. Не ждите, однако, что вдвое большая площадь удваивает эффективность. Увеличение ядра на 10% даст вам уменьшение приблизительно на 10% «неполноты эффективности». То есть, увеличение на каждые 10% станет все менее и менее весомым. Например, если существующее ядро промежуточного охладителя имеет эффективность 70%, увеличение ядра на 10% должно дать  приблизительно 10% от отсутствующих 30%, другими словами, эффективность увеличенного ядра составит 73%.

Два наиболее популярных варианта ядра промежуточного охладителя — «пластинчатый» (сверху) и «трубчатый» (снизу). Пластинчатый промежуточный охладитель обеспечивает меньшее сопротивления потоку, в то время как трубчатый промежуточный охладитель имеет тенденцию быть более эффективным с точки зрения теплообмена. » Трубы » обычно делаются 1/4 11 толщиной и 1 1/2-3 » шириной.

Внутреннее проходное сечение.

Конструкция с прямым потоком воздуха через ядро плоха с точки зрения эффективности. Чем более извилист путь воздуха сквозь ядро, тем более вероятно, что он отдаст свою теплоту, а это и есть наша главная задача. Обратной стороной медали является то, что плохая обтекаемость внутри ядра может создавать большие потери давления наддува. Для компенсации плохой обтекаемости внутреннее проходное сечение должно быть сделано достаточно большим, чтобы замедлить скорость движения воздуха внутри ядра промежуточного охладителя и свести потери давления к приемлемому уровню.

Сейчас практически все after-market производители предлагают комплекты для установки интеркулеров. Комплект интеркулера воздух-воздух от Greddy.

Наиболее важный аспект конструкции промежуточного охладителя — низкие внутренние потери давления.

Внутренний объем.

Сначала весь внутренний объем системы промежуточного охлаждения должен наполниться воздухом под давлением, и лишь тогда какое-то давление будет создано во впускном коллекторе. Хотя этот объем вносит не самый существенный вклад в задержку (лаг), однако и этот аспект конструкции неплохо бы оптимизировать в процессе создания хорошей системы промежуточного охлаждения. Весьма полезно в процессе конструирования представлять себе объем системы и постоянно пытаться убрать излишек. Чтобы количественно представить взаимосвязь между объемом и задержкой, предлагается разделить внутренний объем на расход воздуха через систему на определенных оборотах двигателя и умножить результат на 2. (Коэффициент 2 — результат приблизительного удвоения расхода воздуха через систему при переходе от простой езды к работе двигателя с наддувом). Приблизительное время задержки в этом случае равно

Пример: Пусть объем системы впуска 8,2 литра. Расход воздуха — 8,415 м3/мин на режиме приблизительно 5000 оборотов в минуту. Тогда

Совершенно точно можно сказать, что приемистость будет плохой, если двигатель оборудован датчиком расхода воздуха, размещенным слишком далеко от корпуса дроссельной заслонки. Открытие дроссельной заслонки формирует импульс низкого давления, перемещающийся к датчику расхода воздуха. Как правило, этот импульс должен пройти расстояние от корпуса дроссельной заслонки до промежуточного охладителя, сквозь промежуточный охладитель, назад к турбонагнетателю, потом на расходомер, чтобы тот зарегистрировал изменение. Только когда расходомер получит этот импульс, отношение воздух/топливо может измениться топливным контроллером с учетом новых условий нагрузки на двигатель. Надо заметить, что в этой схеме возможны усложнения, связанные с наличием датчика положения дроссельной заслонки, которым может быть оборудован двигатель. И всё-таки, как правило, чем дальше дроссельная заслонка отдатчика расхода воздуха, тем хуже приемистость. Таким образом, длине этой траектории необходимо также уделить некоторое внимание на этапе проектирования.

Серьезный подход к промежуточному охлаждению.

Когда двигатель оборудован системой впрыска, оснащённой датчиком давления во впускном коллекторе, и при этом не используется датчик расхода воздуха, либо же речь идёт о двигателе с карбюратором, установленным после турбонагнетателя, длина впускного тракта может быть достаточно длинной без отрицательных последствий, поскольку приемистость при этом не пострадает.

Таким образом, основная задача при проектировании системы промежуточного охлаждения состоит в том, чтобы максимизировать способность системы по отводу теплоты от сжатого воздуха и при этом снизить такие неблагоприятные воздействия, как потеря давления наддува, потеря приемистости или любая задержка при повышении давления наддува.

Расчёт параметров промежуточного охладителя

Изменение плотности впускного воздуха может быть вычислено относительно изменения температуры, вызванного промежуточным охладителем. Например, предположите, что турбонагнетатель имеет компрессор, повышающий температуру на 90°С выше температуры атмосферного воздуха, то есть до 383° абсолютной температуры при нормальной температуре 20°С (ноль градусов Цельсия соответствует 273° по абсолютной шкале температуры; прибавьте 20°С, получим 293°, 90° С выше этой температуры — 383° абсолютной температуры). Если мы используем в системе промежуточный охладитель с эффективностью 60 %, мы понизили бы температуру воздуха на 0,6 х 90″С = 54()С, уменьшив повышение температуры до 36°С в отличие от первоначальных 90°С или абсолютную температуру 293° + 36° = 329°. Изменение плотности в этом случае может быть вычислено из отношения первоначальной абсолютной температуры к конечной абсолютной температуре:

Вычисление эффективности промежуточного охладителя.

Поэтому, этот промежуточный охладитель даст увеличение плотности воздушного заряда приблизительно 16 %. Это означает, что на 16 % большее количество воздушных молекул окажется в камере сгорания, нежели при отсутствии интеркулера. При неизменных прочих условиях можно было бы ожидать пропорциональное увеличение мощности. Этого, к сожалению, не происходит вследствие потерь давления, вызванных аэродинамическим сопротивлением внутри промежуточного охладителя. Соответствующее уменьшение мощности, вызванное потерей давления, может быть оценено посредством вычисления отношения абсолютного давления с использованием промежуточного охладителя к давлению без промежуточного охладителя и вычитанием результата из 100%.

Пример: Если из 0,68 бар, созданного компрессором давления, 0,14 потеряны из-за сопротивления промежуточного охладителя:

Этот расчёт показывает, что потери при прохождении воздушного потока сквозь промежуточный охладитель составляют 8 %. Мысль о том, что потерянное давление наддува может легко быть восстановлено путем регулирования вестгейта, является не совсем правильной, несмотря на всю свою притягательность. Конечно, если давление наддува будет увеличено, мощность увеличится, но последствием этого будет то, что давление на входе в турбину увеличится, поскольку Вы попытаетесь заставить турбину работать при большей нагрузке. Большее давление на входе в турбину создает большее обратное давление, которое увеличивает количество теплоты в камере сгорания, которая понижает плотность воздуха на впуске и так далее, и так далее. Таким образом, можно видеть, что идея восстановления потерянной, из-за наличия интеркулера, мощности, путем повышения давления наддува — это, в некотором роде, попытка ухватить собственный хвост. Слишком бесполезной затеей будет попытка разработать и изготовить мифический промежуточный охладитель с нулевыми потерями.

Промежуточные охладители воздух /воздух, установленный на GTR35.

Вычисление КПД промежуточного охладителя.

Идея состоит в том, чтобы сравнить увеличение температуры воздуха, вызванного турбонагнетателем, с понижением температуры при прохождении воздуха через промежуточный охладитель. Увеличение температуры после компрессора — это разность температуры воздуха на выходе из компрессора (Т_со) и температуры окружающей среды (Т_a).

Увеличение температуры = Т_со— Т_a;

Количество тепла, отведенного промежуточным охладителем характеризуется разностью температуры воздуха, выходящего из компрессора (Т_со) и температуры воздуха, выходящего из промежуточного охладителя (Т_iо).

Уменьшение температуры = Т_со— Т_iо;

Эффективность промежуточного охладителя (Е_j) определяется как отношение понижения температуры к увеличению температуры:

Пример: Пусть Т_a = 20° С, Т_со= 120° С, иТ_iо= 40⁰ С. Тогда:

Выбор типа промежуточного охладителя

В настоящее время имеются два типа промежуточных охладителей, подходящих для использования: воздух/ воздух и воздух/жидкость. Каждый имеет свои особенности. Решение, о том, какой из них является наиболее подходящим для конкретного приложения, должно основываться на достоинствах и недостатках каждого из типов применительно к конфигурации транспортного средства.

Агрегат воздух/воздух будет проще, имеет большую тепловую эффективность на высоких скоростях, большую надежность, более простое обслуживание, и, наконец, низкую стоимость. Агрегат воздух/жидкость будет иметь лучший термический к.п.д. на низких скоростях, обеспечивает лучшую приемистость в случаях, когда система впрыска оборудована измерителем массового расхода, меньшую потерю давления и снижает вероятность работы компрессора на неустойчивых режимах. Габаритные ограничения или сложности прокладки воздуховодов могут диктовать невозможность использования агрегатов воздух/воздух. В подобных случаях выбор осуществляется сам собой.

Ядро промежуточного охладителя трубчатого и «plate & bar» вида обеспечивает хороший теплообмен за счет развитых турбулизаторов, но меньшую внутреннюю площадь проходного сечения.

Промежуточный охладитель воздух/воздух

При конфигурировании промежуточного охладителя воздух/воздух необходимо в равной степени уделять адекватное внимание самым разнообразным факторам. Хорошо сбалансированная и оптимизированная конструкция может получиться только вследствие кропотливой работы над деталями, пока все нюансы конструкции не будут соответствовать техническим требованиям, перечисленным в следующих параграфах.

Внутреннее проходное сечение.

В первую очередь потери давления при прохождении воздуха сквозь промежуточный охладитель зависят от внутреннего проходного сечения ядра теплообменника. Не существует никакой волшебной формулы для вычисления правильного проходного сечения при заданном расходе воздуха, но опыт показал, что следование рекомендациям, отражённым на рисунке, приносит удовлетворительные результаты. Если бы не завихрители, которые будто палка о двух концах, мы могли обойтись намного меньшими проходными сечениями, но тогда теплопередача была бы значительно меньшей. Задача завихрителей состоит в том, чтобы внутри ядра не существовало никакого ламинарного течения. Если эта задача выполнена, каждая молекула впускного воздуха получит шанс достигнуть стенки ядра и передать ей часть своей энергии в виде теплоты. При частом расположении завихрителей теплообмен лучше, но и потери давления выше. Если имеется пространство для размещения большого ядра, вполне можно выбрать ядро с частыми завихрителями и найти компромисс между высоким сопротивлением завихрителей и большим внутренним проходным сечением. В противном случае: там, где пространство строго ограничено, должно быть выбрано ядро с низкой плотностью завихрителей.

Компоненты ядра промежуточного охладителя. Воздух из турбонагнетателя подается в каналы для нагнетаемого воздуха. Сторона окружающего воздуха размещается так, чтобы набегающий воздух охлаждал ядро. Крайние пластины, паянные к внешней поверхности, обеспечивают зазор и жесткость. Завихрители способствуют передаче тепла от труб к разделительным пластинам и оттуда к окружающему воздуху сквозь каналы охлаждающего воздуха.

Выбор размера ядра.

Как только внутреннее проходное сечение будет рассчитано, могут быть определены габаритные размеры ядра и его форма. У большинства ядер воздух может пройти через примерно 45% площади стороны для нагнетаемого воздуха. Чтобы найти заданную площадь стороны для нагнетаемого воздуха, разделите внутреннее проходное сечение на это число 45 %. Ядра обычно имеют толщину 50 и 75 мм, длину (высоту) каналов 150, 200, 250, и 300 мм, и ширину 225, 450, и 600 мм (которая может быть уменьшена до конкретного точного размера). Существуют ядра с более длинными каналами, но они имеют свойство ухудшать внутреннее проходное сечениею.

Пусть расход воздуха составляет 14 м³ Рисунок  показывает, что типичный промежуточный охладитель требовал бы внутреннего проходного сечения приблизительно 170 см².

Поэтому, для ядра толщиной 75 мм. — Ширина =170 см²/7,5см = 22,7см

для ядра толщиной 50мм. — Ширина =170 см²/5см = 34см

Если имеется пространство для ядра толщиной 50 мм, эффективность окажется немного больше, поскольку увеличится ширина и, следовательно, возрастёт лобовая площадь. Хотя более тонкое ядро является лучшим выбором, тем не менее, толстое ядро также полностью работоспособно. Длина воздушных каналов каналов (высота), умноженная на ширину ядра — фактическая лобовая площадь.