Intercooler - Intercooler

Chłodnica międzystopniowa (górna) sprężarki powietrza 1910 Ingersoll Rand odbiera ciepło odpadowe między dwoma stopniami sprężarki.

Intercooler to urządzenie mechaniczne używane do ostygnięcia na gaz po kompresji. Sprężenie gazu zwiększa jego energię wewnętrzną, co z kolei podnosi jego temperaturę. Intercooler zazwyczaj ma postać wymiennika ciepła, który usuwa ciepło odpadowe w sprężarce gazu . Intercoolery mają wiele zastosowań i można je znaleźć na przykład w sprężarkach powietrza , klimatyzatorów , urządzeń chłodniczych , turbin gazowych i samochodowych silników. Są one powszechnie znane jako chłodnice powietrze-powietrze lub powietrze-ciecz dlasilniki spalinowe wewnętrznego spalania z wymuszonym doładowaniem ( turbodoładowaniem lub doładowaniem ) , stosowane w celu poprawy sprawności objętościowej . Osiąga się to poprzez zwiększenie gęstości powietrza wlotowego poprzez prawie stałe chłodzenie ciśnieniowe .

Motoryzacja: Firma DAF Trucks z Eindhoven w Holandii jako pierwsza wprowadziła turbosprężarkę z intercoolerem w 1973 roku. Technologia została początkowo opracowana w celu zaspokojenia zapotrzebowania na wyższą moc silnika i niższą emisję spalin.

Sprężarki powietrza

Wykres ciśnienie–objętość trzech uciśnięć P1→P2 w układzie otwartym.
Chłodzenie dwustopniowe (kolor niebieski) zmniejsza pracę użyteczną w u powietrza: proces jest bardziej energooszczędny i bliższy idealnej kompresji izotermicznej , ale jego sprawność konwersji energii jest niższa.

Intercoolery służą do odprowadzania ciepła odpadowego z pierwszego stopnia dwustopniowych sprężarek powietrza. Sprężarki dwustopniowe produkowane są ze względu na ich wrodzoną wydajność. Działanie chłodzące intercoolera jest głównie odpowiedzialne za tę wyższą wydajność, zbliżając ją do wydajności Carnota. Usunięcie ciepła sprężania z wylotu pierwszego stopnia powoduje zagęszczenie ładunku powietrza. To z kolei umożliwia drugiemu stopniowi wykonanie większej ilości pracy przy stałym stopniu kompresji. Dodanie intercoolera do konfiguracji wymaga dodatkowych inwestycji.

Dwustopniowa pompa sprężarki pokazująca położenie intercoolera

Silniki z zapłonem wewnętrznym

Chłodnice powietrza doładowującego zwiększają wydajność układu dolotowego, redukując ciepło powietrza dolotowego wytwarzanego przez sprężarkę doładowującą lub turbosprężarkę i promując dokładniejsze spalanie. Usuwa to ciepło sprężania (tj. wzrost temperatury), które występuje w każdym gazie, gdy wzrasta jego ciśnienie (tj. zwiększa się jego masa jednostkowa na jednostkę objętości - gęstość ).

Obniżenie temperatury powietrza dolotowego powoduje, że w wyniku wymuszonego doładowania do silnika stosuje się gęstszy ładunek dolotowy . Obniżenie temperatury powietrza doładowującego eliminuje również niebezpieczeństwo detonacji wstępnej (stuka) ładunku paliwowo-powietrznego przed zapłonem iskrowym . Pozwala to zachować korzyści wynikające z większego spalania paliwa/powietrza na cykl silnika, zwiększając moc silnika.

Intercoolery eliminują również potrzebę stosowania nieekonomicznej metody obniżania temperatury wsadu dolotowego poprzez wtrysk nadmiaru paliwa do komór wlotu powietrza do cylindrów w celu schłodzenia wsadu powietrza dolotowego przed jego wpłynięciem do cylindrów. Ta marnotrawna praktyka (zanim zastosowano intercoolery) prawie wyeliminowała wzrost wydajności silnika spowodowany wymuszonym doładowaniem, ale była konieczna ze względu na większą potrzebę zapobiegania za wszelką cenę uszkodzeniom silnika, które powoduje stukanie silnika przed detonacją.

Między prefiks pochodzi nazwa urządzenia od jego zastosowania jako chłodnica pomiędzy cyklami ściskania. Zazwyczaj w samochodach intercooler jest umieszczony pomiędzy turbosprężarką (lub doładowaniem) a silnikiem (sprężenie tłoka daje kolejny cykl sprężania). Bardziej opisowym lub informacyjnym terminem byłoby chłodnica końcowa/chłodnica doładowania, usuwając w ten sposób wszelkie niejasności, że pojazdy mają sekwencyjne dwustopniowe turbodoładowanie . Silniki lotnicze są czasami budowane z chłodnicami powietrza doładowującego, które były instalowane między wieloma stopniami wymuszonego doładowania, stąd oznaczenie inter . W pojeździe wyposażonym w dwustopniowe turbodoładowanie możliwe jest zastosowanie zarówno chłodnicy międzystopniowej (między dwiema turbosprężarkami), jak i chłodnicy końcowej (między turbosprężarką drugiego stopnia a silnikiem). JCB Dieselmax prędkość ziemia diesel rekord posiadających samochód jest przykładem takiego systemu jest. Ogólnie mówi się, że chłodnica międzystopniowa lub chłodnica końcowa jest chłodnicą powietrza doładowującego.

Intercoolery mogą się znacznie różnić pod względem wielkości, kształtu i konstrukcji, w zależności od wydajności i wymagań przestrzennych całego układu doładowania. Typowe konstrukcje przestrzenne to intercoolery montowane z przodu ( FMIC ), intercoolery montowane od góry ( TMIC ) i intercoolery montowane hybrydowo (HMIC). Każdy typ może być chłodzony systemem powietrze-powietrze, powietrze-ciecz lub kombinacją obu.

W silnikach z doładowaniem

Komora silnika 2003 MINI Cooper S . Zamontowany u góry intercooler jest zaznaczony na czerwono.
Widok z bliska wnętrza intercoolera powietrze-powietrze
Zewnętrzna część tego samego rdzenia intercoolera

Turbosprężarki i turbosprężarki są zaprojektowane tak, aby wtłoczyć większą masę powietrza (a tym samym więcej cząsteczek tlenu) do kolektora dolotowego i komory spalania silnika . Intercooling jest metodą stosowaną do kompensacji nagrzewania spowodowanego doładowaniem, naturalnym produktem ubocznym procesu sprężania póładiabatycznego . Zwiększone ciśnienie powietrza może spowodować nadmiernie gorący ładunek wlotowy, znacznie zmniejszając przyrost wydajności doładowania z powodu zmniejszonej gęstości . Podwyższona temperatura wsadu dolotowego może również zwiększyć temperaturę spalania w cylindrze, powodując detonację , nadmierne zużycie lub uszkodzenie cieplne bloku silnika lub tłoków.

Przepuszczenie sprężonego i podgrzanego ładunku wlotowego przez chłodnicę międzystopniową obniża jego temperaturę (ze względu na oddawanie ciepła) i ciśnienie (ze względu na ograniczenie przepływu żeber). Jeśli urządzenie jest prawidłowo zaprojektowane, względny spadek temperatury jest większy niż względna strata ciśnienia, co powoduje wzrost gęstości netto. Zwiększa to wydajność systemu poprzez odzyskiwanie niektórych strat wynikających z nieefektywnego procesu sprężania poprzez oddawanie ciepła do atmosfery. Dodatkowe chłodzenie można zapewnić przez zewnętrzne rozpylenie drobnej mgiełki na powierzchnię chłodnicy międzystopniowej lub nawet na samo powietrze wlotowe , aby dodatkowo obniżyć temperaturę wlotu poprzez chłodzenie wyparne .

Intercoolery, które wymieniają ciepło bezpośrednio z atmosferą, są przeznaczone do montażu w obszarach samochodu o maksymalnym przepływie powietrza. Te typy są montowane głównie w systemach montowanych z przodu (FMIC). Samochody takie jak Nissan Skyline , Saab , Volvo 200 Series Turbo, Volvo 700 Series (i 900 Series) turbo, Dodge SRT-4 , 1. gen Mazda MX-6 , Mitsubishi Lancer Evolution i Chevrolet Cobalt SS są wyposażone w intercoolery montowane z przodu ) montowany w pobliżu przedniego zderzaka, na wysokości chłodnicy samochodu.

Wiele innych samochodów z turbodoładowaniem, szczególnie tam, gdzie estetyka samochodu nie może zostać naruszona przez górne szufelki, takie jak Toyota Supra (tylko JZA80), Nissan 300ZX Twin Turbo, Nissan Silvia (S13/14/14a/15) , Nissan 180sx , Mitsubishi 3000gt , Saab 900 , Volkswagen , Fiat Turbo diesel, Audi TT i Turbo Mitsubishi Eclipse wykorzystują montowane z boku intercoolery powietrze-powietrze (SMIC), które są montowane w przednim rogu zderzaka lub z przodu jednego z kół. Chłodnice międzystopniowe montowane z boku są zazwyczaj mniejsze, głównie ze względu na ograniczenia przestrzenne, a czasami dwa są używane, aby uzyskać wydajność większego, pojedynczego intercoolera. W samochodach takich jak Subaru Impreza WRX , MINI Cooper S , Toyota Celica GT-Four , Nissan Pulsar GTI-R , Acura RDX , Mazdaspeed3 , Mazdaspeed6 oraz turbodiesle PSA Peugeot Citroën stosowane są górne chłodnice powietrza doładowującego (TMIC ) znajduje się w górnej części silnika. Powietrze kierowane jest przez intercooler za pomocą czerpaka w okapie . W przypadku samochodów PSA powietrze przepływa przez kratkę nad przednim zderzakiem, a następnie przez kanały pod maską. Intercoolery montowane od góry czasami cierpią z powodu dyfuzji ciepła z powodu bliskości silnika, nagrzewając je i zmniejszając ich ogólną wydajność. W niektórych samochodach WRC zastosowano system odwróconego wlotu powietrza, w którym powietrze jest wtłaczane przez kanały w przednim zderzaku do poziomo zamontowanego intercoolera.

Mocowanie płóz przodu zamontowany intercooler do samochodu z zainstalowanego fabrycznie montowane jeden szczycie

Ponieważ systemy FMIC wymagają otwartej konstrukcji zderzaka dla optymalnej wydajności, cały system jest podatny na zanieczyszczenia. Niektórzy inżynierowie wybierają inne lokalizacje montażu ze względu na tę troskę o niezawodność. FMICs mogą być umieszczone przed lub za chłodnicą, w zależności od potrzeb silnika w zakresie rozpraszania ciepła.

Oprócz umożliwienia dopływu większej masy powietrza do silnika, chłodnice międzystopniowe odgrywają kluczową rolę w kontrolowaniu temperatury wewnętrznej w silniku z turbodoładowaniem. W przypadku wyposażenia w turbosprężarkę (jak w przypadku każdej formy doładowania) moc właściwa silnika zostaje zwiększona, co prowadzi do wyższych temperatur spalania i spalin. Spaliny przechodzące przez sekcję turbiny turbosprężarki mają zwykle temperaturę około 450 °C (840 °F), ale w ekstremalnych warunkach mogą osiągać nawet 1000 °C (1830 °F). Ciepło to przechodzi przez jednostkę turbosprężarki i przyczynia się do nagrzania powietrza sprężanego w sekcji sprężarki turbosprężarki. Jeśli nie zostanie schłodzone, to gorące powietrze dostaje się do silnika, dodatkowo zwiększając temperaturę wewnętrzną. Prowadzi to do nagromadzenia ciepła, które ostatecznie ustabilizuje się, ale może to mieć miejsce w temperaturach przekraczających granice projektowe silnika – „gorące punkty” na denku tłoka lub zaworze wydechowym mogą powodować wypaczenie lub pękanie tych elementów. Wysokie temperatury ładunku powietrza zwiększą również możliwość przedwczesnego zapłonu lub detonacji. Detonacja powoduje szkodliwe skoki ciśnienia w cylindrach silnika, które mogą szybko uszkodzić silnik. Efekty te są szczególnie widoczne w zmodyfikowanych lub dostrojonych silnikach pracujących z bardzo dużą mocą właściwą. Wydajny intercooler usuwa ciepło z powietrza w układzie dolotowym, zapobiegając cyklicznemu nagrzewaniu się turbosprężarki, umożliwiając osiągnięcie większej mocy bez uszkodzeń.

Sprężanie przez turbosprężarkę powoduje nagrzewanie się powietrza wlotowego i dodawanie ciepła z powodu niesprawności sprężarki (sprawność adiabatyczna). W rzeczywistości jest to większa przyczyna wzrostu temperatury powietrza w ładunku powietrznym. Dodatkowa moc uzyskana z wymuszonej indukcji wynika z dodatkowego powietrza dostępnego do spalenia większej ilości paliwa w każdym cylindrze. Czasami wymaga to zastosowania niższego stopnia sprężania , aby umożliwić szersze odwzorowanie wyprzedzenia zapłonu przed wystąpieniem detonacji (dla liczby oktanowej danego paliwa). Z drugiej strony, niższy stopień sprężania generalnie obniża sprawność spalania i obniża koszty mocy.

Niektóre firmy zajmujące się tuningiem wysokiej wydajności mierzą temperaturę przed i za intercoolerem, aby zapewnić, że temperatura wyjściowa jest jak najbardziej zbliżona do temperatury otoczenia (bez dodatkowego chłodzenia; zestawy natryskowe woda/gaz).

Intercoolery powietrze-ciecz

Specjalnie skonstruowany intercooler powietrze-woda, taki sam jak w samochodzie typu time-atak
silnik S55 w BMW M3 z 2014 roku ; metalowy element w kształcie prostopadłościanu to chłodnica powietrza doładowującego typu powietrze-ciecz.
Morski intercooler z rurkami miedziano-niklowymi i brązowymi osłonami wody morskiej

Chłodnice powietrza doładowującego powietrze -ciecz, znane również jako chłodnice powietrza doładowującego , to wymienniki ciepła, które przekazują ciepło wlotu do cieczy pośredniej, zwykle wody, która ostatecznie oddaje ciepło do powietrza. Systemy te wykorzystują grzejniki w innych lokalizacjach, zwykle ze względu na ograniczenia przestrzenne, do odrzucania niepożądanego ciepła, podobnie jak w przypadku samochodowego układu chłodzenia chłodnicy. Chłodnice powietrza doładowującego powietrze-ciecz są zwykle cięższe niż ich odpowiedniki powietrze-powietrze ze względu na dodatkowe elementy tworzące system (pompa obiegowa wody, chłodnica, płyn i hydraulika). Toyota Celica GT-Four miał ten system od 1988 do 1989, 1994 do 1999, także w Carlos Sainz Rally Championship wersji od 1990 do 1993. 1989/93 Subaru Legacy z płaskiej-4 silnik 2.0 L DOHC również używany top zainstalowany intercooler powietrze-woda w modelach GT i RS sprzedawanych w Japonii, Europie i Australii.

Dużą zaletą konfiguracji powietrze-ciecz jest krótsza całkowita długość rury i intercoolera, co zapewnia szybszą reakcję (obniża opóźnienie turbodoładowania), dając szczytowe doładowanie szybciej niż większość konfiguracji intercoolera montowanych z przodu. Niektóre konfiguracje mają zbiorniki, które mogą pomieścić lód, wytwarzając temperatury wlotu niższe niż powietrze otoczenia, co daje dużą przewagę (ale oczywiście lód wymagałby ciągłej wymiany).

Ford zastosował tę technologię, kiedy zdecydował się na zastosowanie wymuszonego doładowania (poprzez Supercharger) na swoich platformach ciężarówek Mustang Cobra i Ford Lightning . Wykorzystuje intercooler z mieszaniną wody i glikolu wewnątrz kolektora dolotowego, tuż pod sprężarką i ma zamontowany z przodu długi wymiennik ciepła, a wszystko to zasilane przez pompę Bosch wykonaną dla Forda. Ford nadal używa tej technologii dzisiaj w swoim Shelby GT500 . Chevrolet Cobalt SS Supercharged z lat 2005-2007 również wykorzystuje podobną konfigurację.

Intercoolery powietrze-ciecz są zdecydowanie najczęstszą formą chłodnicy międzystopniowej spotykaną w silnikach okrętowych, biorąc pod uwagę, że dostępny jest nieograniczony dopływ wody chłodzącej, a większość silników znajduje się w zamkniętych przedziałach, gdzie uzyskuje się dobry przepływ powietrza chłodzącego dla powietrza- jednostka naziemna byłaby trudna. Morskie chłodnice międzystopniowe mają postać rurowego wymiennika ciepła, w którym powietrze przepływa przez szereg rur w obudowie chłodnicy, a woda chłodząca krąży wewnątrz rur. Źródło wody do chłodnicy międzystopniowej zależy od dokładnego układu chłodzenia zamontowanego w silniku. W większości silników okrętowych krąży w nich świeża woda, która przechodzi przez wymiennik ciepła chłodzony wodą morską . W takim układzie intercooler zostanie podłączony do obiegu wody morskiej i umieszczony przed własnym wymiennikiem ciepła silnika, aby zapewnić dopływ chłodnej wody. Główne materiały używane do tego rodzaju zastosowań mają być odporne na korozję powodowaną przez wodę morską: miedź-nikiel na rury i brąz na osłony wody morskiej.

Chłodnica powietrza doładowującego

Chłodnica powietrza doładowującego jest używana do chłodzenia powietrza jest po przejściu przez turbosprężarkę , ale przed wejściem do silnika. Pomysł polega na przywróceniu powietrza do niższej temperatury, aby uzyskać optymalną moc dla procesu spalania w silniku.

Chłodnice 4-suwowego silnika wysokoprężnego

Chłodnice powietrza doładowującego różnią się wielkością w zależności od silnika. Najmniejsze są najczęściej określane jako intercoolery i są montowane w silnikach samochodowych lub ciężarowych. Największe są zarezerwowane do użytku w ogromnych okrętowych silnikach wysokoprężnych i mogą ważyć ponad 2 tony (patrz zdjęcie).

Pierwsza chłodnica powietrza doładowującego silnika wysokoprężnego w okrętach została zbudowana przez firmę Vestas aircoil A/S w 1956 roku.

Istnieje pewne zamieszanie w terminologii dotyczącej chłodnicy końcowej , chłodnicy międzystopniowej i chłodnicy powietrza doładowującego . W przeszłości silniki lotnicze uruchamiały turbosprężarki etapami, gdzie sprężarka pierwszego stopnia zasilałaby wlot sprężarki drugiego stopnia, która dodatkowo sprężała powietrze przed wejściem do silnika. Ze względu na ekstremalnie wysokie ciśnienia, które mogą powstać, chłodnica powietrza została umieszczona pomiędzy sprężarkami pierwszego i drugiego stopnia. Ta chłodnica była „intercoolerem”.

Kolejna chłodnica byłaby umieszczona za drugim stopniem, który był końcowym stopniem sprężarki i był to „dochładzacz”. Chłodnica końcowa była chłodnicą, której wylot zasilał silnik.


Lokalizacja chłodnicy powietrza na silniku dwusuwowym
Lokalizacja chłodnicy powietrza na silniku czterosuwowym
Ilustracja lokalizacji chłodnicy międzystopniowej w silniku dwu- i czterosuwowym

Chłodnica powietrza doładowującego to po prostu całościowy termin odnoszący się do układu, który schładza sprężone powietrze doładowujące przed doprowadzeniem go do silnika. Zwykle chłodnica powietrza doładowującego oznacza chłodnicę powietrze-powietrze, w której ciepło jest odprowadzane za pomocą powietrza z otoczenia przepływającego przez wymiennik ciepła, podobnie jak chłodnica płynu chłodzącego silnika. Chociaż wielostopniowe układy turbosprężarek są nadal używane w niektórych klasach ciągników ciągnących się, wybranych wysokowydajnych silnikach wysokoprężnych, a także w nowszych modelach komercyjnych, terminy chłodnica międzystopniowa i chłodnica końcowa są dziś używane jako synonimy. Termin intercooler jest powszechnie używany w znaczeniu pomiędzy turbosprężarką a silnikiem. Oba terminy, chłodnica międzystopniowa lub chłodnica końcowa, są poprawne, ale to jest pochodzenie dwóch terminów, które są używane zamiennie przez ekspertów na wszystkich poziomach.

Intercooler lub „chłodnica powietrza doładowującego” to urządzenie wymiany ciepła powietrze-powietrze lub powietrze-ciecz stosowane w silnikach spalinowych z turbodoładowaniem i doładowaniem (wymuszona indukcja) w celu poprawy ich wydajności objętościowej poprzez zwiększenie doładowania powietrza dolotowego gęstość poprzez chłodzenie izochoryczne. Spadek temperatury wlotu powietrza zapewnia gęstszy ładunek wlotowy do silnika i umożliwia spalanie większej ilości powietrza i paliwa w cyklu silnika, zwiększając moc silnika.

Inter- prefiks w nazwa urządzenia pochodzi od historycznego konstrukcji sprężarek. W przeszłości silniki lotnicze były budowane z chłodnicami powietrza doładowującego, które były instalowane między wieloma etapami doładowania, stąd oznaczenie inter. Nowoczesne konstrukcje samochodów są technicznie oznaczone chłodnicami końcowymi ze względu na ich umieszczenie na końcu łańcucha doładowania. Termin ten jest obecnie uważany za archaiczny w nowoczesnej terminologii samochodowej, ponieważ większość pojazdów z wymuszonym ładowaniem indukcyjnym ma jednostopniowe doładowania lub turbosprężarki. W pojeździe wyposażonym w dwustopniowe turbodoładowanie możliwe jest zastosowanie zarówno chłodnicy międzystopniowej (pomiędzy dwoma turbosprężarkami), jak i chłodnicy końcowej (pomiędzy turbosprężarką drugiego stopnia a silnikiem). Ogólnie mówi się, że chłodnica międzystopniowa lub chłodnica końcowa jest chłodnicą powietrza doładowującego. Tekst zaczerpnięty ze strony internetowej Av-Tekk Charge-Air Coolers

Uwagi