Интеркулер - одна с основных частей системы турбонаддува.
Интеркулер это теплообменник или радиатор , который поставили между компрессором и впускным коллектором. Главная Цель устройства: это извлекать Температуру(тепло) из воздушного потока, который повышаеться(нагреваеться) при сжатии в компрессоре. Из этого следует, качество интеркулера можно оценить возможностью выводить(удалять) это тепло. Максимальное использование полезных свойств и качеств интеркулера при минимуме проблем, которые он создает это уже техническая задача, которую необходимо как то решить прежде, чем удастся создать правильную турбосистему с промежуточным охлаждением.
Есть много критериев, которыми руководствуются при создании интеркулера. Основные среди них это максимальный отвод тепла, и минимальные потери давления наддува, увеличения инерции потока.
ПЛОЩАДЬ ТЕПЛООБМЕННИКА.Площадь теплообменника - сумма всех пластин и оболочек в теплообменнике, которые являются ответственными за отвод тепла из системы. Очень просто заметить, что чем больше площадь теплообменника, тем эффективней интеркулер. Но, при увеличении вдвое площади, КПД интеркулера не удваивается. 10% увеличение площади прибавляет примерно 10% эффективности. А Дальнейшее увеличение будет прибавлять эффективности все меньше и меньше. Например, если существующий интеркулер имеет эффективность 70% то увеличение его еще на 10%, прибавит 10% эффективности от недостающих 30%, иначе говоря полная эффективность будет 73%.
ВНУТРЕННЕЕ ПРОХОДНОЕ СЕЧЕНИЕ.Чем труднее воздуху пройти через интеркулер, тем больше потеря тепла. Но минус в том, что это может создать большие потери давления наддува. Чтобы скомпенсировать затрудненное протекание воздушного потока через интеркулер, внутреннее проходное сечение должно быть достаточно большим, чтобы действительно задержать воздух в интеркулере и чтобы снижение воздушного потока и потеря давления были на приемлемом уровне.
Правило: единственный довольно важный фактор при выборе интеркулера - низкие, внутренние потери давления.
ВНУТРЕННИЙ ОБЪЕМ.Весь объем внутри интеркулера должен заполниться воздухом под давлением прежде, чем это давление возникнет во впускном коллекторе. Хотя этот объем не сильно влияет на турболаг, однако это один из параметров, который необходимо оптимизировать в процессе создания грамотной системы промежуточного охлаждения. Необходимый объем рассчитывается следующим образом: внутренний объем интеркулера делим на воздушный поток через интеркулер при оборотах на которых дроссельная заслонка приоткрыта и умножаем на 2 (Коэффициент 2 - следствие приблизительного удвоения воздушного потока через систему при переходе от спокойного режима движения к ускорению). Если ДМРВ расположен далеко от корпуса дроссельной заслонки, то возможно увеличение времени реакции на нажатие газа. Открытие дроссельной заслонки создает импульс разряжения, который идет к расходомеру. Этому импульсу требуется время, чтобы достигнуть расходомера и заставить его среагировать. Таким образом, время реакции на нажатие газа увеличивается. Этот импульс, должен проделать путь от корпуса дросселя до интеркулера, сквозь интеркулер, к турбине, затем к расходомеру и расходомер регистрирует изменения. Только когда расходомер получит этот импульс, отношение воздух/топливо измениться с учетом новых условий нагрузки двигателя. Тем не менее, обычно, чем дальше дроссельная заслонка от расходомера, тем больше задержка. Таким образом, длину этого пути надо принять во внимание во время проектирования системы. Однако существуют исключения связанные с конструкцией датчика положения дросселя, когда на двигателе нет ДМРВ,(он заменяется map-сенсором ДАД и датчиком температуры воздуха на впуске), длина впускного тракта в этом случае может быть любой без отрицательных последствий. Основная задача в проектировании интеркулера заключается в максимизировании способности системы отводить теплоту от наддувочного воздуха, одновременно не снижать давление наддува и не мешая быстрому нарастанию давления наддува. поэтому, если интеркулер прибавляет приблизительно 19% мощности. Это означает, что в камере сгорания будет на 19% больше смеси. Можно было бы ожидать подобное увеличение мощности, но это невозможно из-за потерь давления, вызванных аэродинамическим сопротивлением в интеркулере. Потери мощности, обусловленные потерей давления наддува, можно оценить, вычислив отношение абсолютного давления с интеркулером к давлению без интеркулера и вычитая результат из 100%. Идея, что потерянный буст может легко быть восстановлен, регулировкой клапана вестгейта, привлекательна, но является не совсем правильной. Конечно, если буст увеличить, мощность повысится, но давление в выпускном коллекторе также повысится при увеличении нагрузки на турбину. Увеличение давления в выпускном коллекторе повышает реверс выхлопных газов в камеру сгорания, увеличивая температуру в ней, которая понижает плотность свежего заряда.
Спроектировать и построить интеркулер имеющий нулевые потери не возможно.
Чтобы посчитать эффективность интеркулера, необходимо сравнить повышение температуры воздуха, вызванного турбиной, с понижением температуры интеркулером. Увеличение температуры при сжатии компрессором: температура на выходе компрессора (Tco) минус температура окружающей среды (Ta).
Temperature rise = Tco - Ta
Теплота, удаленная интеркулером: разница температур воздуха на выходе компрессора (Tco) и на выходе интеркуллера (Tio).
Temperature removed = Tco - Tw
КПД интеркулера - отношение снижения температуры интеркуллером к повышению температуры компрессором.
В настоящее время наиболее распространены два типа интеркулеров: воздух/воздух и воздух/вода. Интеркулер воздух/воздух более простой, у него выше КПД на высоких скоростях, выше надежность, его легче обслуживать.
Интеркулер воздух/вода имеет более высокую КПД на низких скоростях, но сложней и дороже. Отсутствие свободного пространства и сложности с подводом патрубков часто не позволяют применить интеркуллер воздух/воздух.
Интеркулер воздух/воздух оптимальной конструкции со сбалансированными характеристиками получится при соблюдении следующих технических требований:
ВНУТРЕННЕЕ ПРОХОДНОЕ СЕЧЕНИЕ.
Большая часть потери давления, при прохождении воздуха через интеркулер, определяется внутренним проходным сечением (ядра теплообменника).
Формулы для вычисления правильного проходного сечение для данного воздушного потока не существует, однако опыт показал, что используя некоторые приемы можно получить удовлетворительные результаты. Если бы не завихрители интеркулера (turbulator),можно было бы обойтись намного меньшим проходным сечением, но теплопередача была бы значительно меньше. Функции turbulator в том, что бы не допускать ламинарного(слоистого) потока в интеркулере. Если turbulators расположены плотно, то каждая молекула наддувного воздуха получает шанс прижаться к стенкам интеркулера и передать ей тепловую энергию. Чем плотнее turbulators, тем лучше теплообмен, но выше потери потока. И наоборот, при отсутствие turbulators потери потока были бы минимальными, но и теплообмен будет недостаточным. Если места для интеркулера достаточно, можно выбрать ядро с плотными turbulators и скомпенсировать их высокое сопротивление большим внутренним проходным сечением интеркулера. Если пространство строго ограничено, необходимо применить ядро с turbulators с низкой плотностью.
РАЗМЕРЫ ЯДРА.Как только внутреннее проходное сечение рассчитано, можно определить фактический размер ядра и его форму. У большинства ядер каналами для прохода воздуха занято приблизительно 45процентов общей площади. Чтобы найти площадь, через которую будет проходить воздух, разделите внутреннее проходное сечение на эти 45%. Ядра обычно имеют толщину 2 и 3 дюйма, длину каналов 6,8, 10, и 12 дюймов, и ширину 9, 18, и 24 дюйма (ее можно варьировать, отрезая нужный размер). Есть ядра с более длинными каналами, но они имеют тенденцию понижать внутреннее проходное сечение. Если достаточно места ядра толщиной 2 дюйма, КПД окажется немного выше. Хотя более тонкое ядро - лучший выбор, более толстое ядро вполне применимо. Длина вентиляционных каналов (высота), умноженная на ширину ядра - фактическая лобовая площадь.
ЛОБОВАЯ ПЛОЩАДЬ.Во многих отношениях, лобовая площадь отражает количество окружающего воздуха, который проходит через интеркулер, чтобы охладить наддувной воздух. Чем больше масса окружающего воздуха, который может пройти через ядро, тем выше охлаждающая способность. Фактический объем воздуха зависит от лобовой площади интеркулера и скорости движения автомобиля.
Таким образом, очевидно, что из 2х интеркулеров с фактически равным внутренним проходным сечением тот, что имеет большую лобовую площадь, будет лучше.
ОБТЕКАЕМАЯ ФОРМА ЯДРА.Чем легче охлаждающий воздух проходит сквозь интеркулер, тем больший объем воздуха пройдет и, следовательно, лучше охлаждающий эффект. Например, если каналы в ядре имеют скругленный край со стороны поступающего окружающего воздуха, объем проходящего воздуха будет больше.
ПОДВОД ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА.Каналы для подвода воздуха должны улучшить характеристики интеркулера. Они заставляют поток идти сквозь ядро, а не огибать его. Не надо недооценивать способность каналов улучшить КПД интеркулера. Полагают, что возможно 20% улучшение КПД при использовании хорошего канала по сравнению с отсутствием специального подвода охлаждающего воздуха. При создании каналов, стоит особенно обратить внимание на то, чтобы поток не имел возможности миновать интеркулер. То есть уплотнения стыков, граней, углов, соединений. Отверстие для забора воздуха не всегда должно быть такой же площади, как и интеркулер. Исходя из практики, вход канала может быть, по крайней мере, равным 1\4 площади интеркулера. Это объясняется тем, что лишь четверть потока пройдет через интеркулер, если не принимать ни каких мер для направления потока через него.
ТОЛЩИНА ЯДРА.Выбор толщины ядра интеркулера дает меньшую возможность для манипуляций, чем turbulators. Дело в том, что вторая половина любого ядра делает только одну четвертую часть работы. Добавление толщины к ядру действительно улучшит КПД, но прирост будет все меньше и меньше. Другой отрицательный эффект: увеличивая толщину, мы затрудняем прохождение через интеркулер окружающего воздуха. С увеличением толщины, коэффициент лобового сопротивления ядра повышается.
Правило: При рассмотрении различных вариантов интеркулера, толстое ядро - не самый подходящий вариант.
НАПРАВЛЕНИЕ ПОТОКА В ЯДРЕ.Оно должно быть ориентировано таким образом, чтобы внутреннее проходное сечение было максимальным.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ БАЧКОВ ИНТЕРКУЛЛЕРА.Есть несколько факторов, учитывая которые при проектировании бачков, можно улучшить КПД интеркулера и уменьшить потери потока. Ошибочно считать, что весь поток воздуха может сам легко и удобно найти путь в и из интеркулера. Направляя, мы облегчаем прохождение потока через интеркулер.
ВХОДНАЯ КРЫШКА.Серьезное улучшение КПД интрекулера возможно, если мы сможем получить равномерное распределение воздушного потока сквозь каналы ядра. Это может быть достигнуто соответствующими направляющими (заслонками), смонтированными во входной крышке. При определении положения входного отверстия в крышке - основное требование: равномерное распределение и свободное прохождение воздушного потока.
ВЫПУСКНАЯ КРЫШКА.После того, как работа по распределению воздуха сделана входной крышкой, задача крышки на выходе интеркулера: собрать весь поток и направить его к двигателю. При этом необходимо свести потери к минимуму. Направьте поток к выходу, дайте некоторый объем, не допуская внезапной перемены направления/резких поворотов.
РАЗМЕР И ФОРМА ТРУБ.Есть число, которое скорость воздушного потока в трубе не должна превысить, по причине быстро увеличивающегося сопротивления и нарастающих потерь потока. Считают, что это приблизительно 450футов в секунду. Сопротивление и, следовательно, потери потока, значительно возрастают при превышении этой скорости. Правильность выбора диаметра труб можно проверить: вычисляем максимально-достижимый воздушный поток, затем делим его на площадь патрубка, взятую в квадратных футах, полученное значение делим на 60, чтобы преобразовать к футам в секунду. Приближенное значение для максимального воздушного потока может быть получено умножением желаемой мощности на 1,5.
Таким образом, труба диаметром 2,5 дюйма будет соответствовать потоку 600cfm, не оказывая заметного сопротивления. Не пытайтесь использовать трубки большего диаметра, чем необходимо, т.к. небольшое сопротивление, созданное в плавных изгибах, все равно останется. Большие трубы только увеличат общий объем системы, а это совсем ни к чему.
Правило: большая труба не обязательно лучше малой.
ИЗГИБЫ И ПЕРЕХОДЫ СЕКЦИЙ.Любой изгиб в трубе или резкое изменение поперечного сечения нужно рассматривать как потенциальную потерю потока и источник увеличенного сопротивления. Каждый раз, когда воздушный поток поворачивает на 90 градусов, происходит потеря приблизительно 1% потока. Три изгиба в 30 градусов дадут в сумме 90. Всегда используйте наибольший возможный радиус для любого изменения направления. Конечно, в изгибе 90 градусов с малым радиусом потери воздушного потока будут большие, чем при изгибе 90, но с большим радиусом закругления. Переход от трубы одного диаметра к другому часто необходим при соединении с корпусом дроссельной заслонки турбины или интеркулера. Эти переходы секций нарушают плавность потока и создают потери. При плавных переходах между секциями лучше использовать конические сегменты.
ПАТРУБКИ И СОЕДИНЕНИЯ.Все патрубки и соединения доставляют проблемы, т.к. считаются слабенькими местами в системе впуска. Негерметичность соединения патрубка вызовет потерю давления наддува. Где используется система с датчиком массового расхода воздуха, двигатель не будет работать в стабильном(нормальном) режиме. Когда патрубок рвется, двигатель сосет воздух в обход ДМРВ, и таким образом датчик не может измерить весь воздух, поступающий в двигатель. Проблемы с патрубками, возникают вследствие нагрузок. Каждое соединение испытывает нагрузку, которая стремится разорвать соединение. Эта нагрузка равна отношению давления наддува к площади поперечного сечения трубы. Если давление наддува 20psi а патрубок интеркулера имеет диаметр 2 дюйма, то сила стремящаяся разъединить это соединение будет равна 63 фунта. Эта сила стянет патрубок с трубы, если шланг не закреплен. Во многих случаях патрубок может выдержать усилия, приложенные к трубе, но тогда патрубок может подвести в любой момент. Самый легкий способ этого избежать: соединительная тяга между трубами, которая будет нести нагрузку вместо шланга. Ресурс патрубка тогда становится более высоким. Слабому патрубку трудно выдержать эту нагрузку в горячей, агрессивной среде насыщенной углеводородами. Необходимо чтобы материал патрубка был устойчив к бензину и маслу, а так же выдерживал повышенную температуру. Эти патрубки делают из силикона.
РАЗМЕЩЕНИЕ ИНТЕРКУЛЛЕРА.Размещение интеркулера всегда сводится к поиску места(пространства), где его можно разместить, т.к. он достаточно большой. Пробуйте избежать размещения интеркулера в моторном отсеке и позади радиатора охлаждения не очень удачно. Запомните, что воздух, после радиатора имеет температуру 30 градусов и поэтому больше не может охлаждать. Турбина при низком давлении наддува не может нагреть наддувной воздух до температуры воздуха под капотом, которым пытаемся охладить впускной заряд. Когда это случается, интеркулер становится промежуточным нагревателем. Если бурст повышается к уровню, при котором температура зарядки превышает подкапотную температуру, интеркулер будет иметь низкую КПД. Нагрев интеркулера от тепла под капотом машины может стать очень серьезной проблемой. Изоляция и продуманное размещение труб могут помочь справиться с ней, но, в общем, моторный отсек довольно плохое место для интеркулера.
Правило: межнагреватель это злодей. В ситуации, где пространство лобовой площади для интеркулера ограничено, но достаточно глубины, интеркулер можно расположить со смещением или под наклоном к набегающему потоку.
