Как сделать интеркулер для автомобиля
Сообщества › Diesel Power (Дизельные ДВС) › Блог › Разрушители легенд. Турбонаддув дизеля. Часть №2. Интеркулер.
Для чего нужен интеркулер?
Для того чтобы ПОЛНОСТЬЮ сжечь 1кг горючего(любого углеводородного) нужно около 3,5 кг кислорода. Такое количество кислорода содержится в 15кг воздуха.
Двигатель для приготовления горючей смеси не взвешивает ни топливо, ни окислитель. И то и другое в цилиндры поступает отмеренное ОБЪЁМАМИ. На примитивных двигателях никто и не пытался измерять сколько реально входит воздуха в цилиндры или впрыскивается топлива. По большому счёту на дизелях это и сегодня нафиг не нужно. Но ужесточение экологических норм с одной стороны и желание производителя заявить как можно бОльшую мощность двигателя с другой стороны — заставляют таки обвешивать дизель кучей датчиков. Что же делают эти датчики? Эти датчики позволяют понять сколько у нас на каждом такте поступает в камеру сгорания воздуха в ГРАММАХ и сколько поступает топлива в ГРАММАХ. И очень прецизионно ограничить подачу топлива в двигатель — буквально на грани от разрешённого законодательством.
Плотность и вязкость углеводородного топлива очень сильно зависит от температуры:
Плотность воздуха ещё сильнее зависит от температуры:
Потому для прецезионного смесеобразования нужно знать и температуру топлива и температуру воздуха. Но цель данной статьи не смесеобразование(этот вопрос мы уже разобрали в предыдущих статьях), а вполне прикладная задача — как напихать в цилиндры двигателя максимальное количество МОЛЕКУЛ воздуха.
Для сжатия воздуха обычно используется турбокомпрессор. Именно он позволяет удвоить, а то и утроить ДАВЛЕНИЕ воздуха во впускном коллекторе двигателя — соответственно удвоить, а то и утроить количество поступающего в цилиндры воздуха, а значит — позволит спалить и топлива больше и получить в итоге повышенную мощность с неизменного объёма двигателя.
Ну а при чём же здесь интеркулер?
При быстром(адиабатическом) сжатии воздуха его температура пропорционально растёт.
При сжатии воздуха до давления в 0.5атм избытка воздух нагреется на 45С просто в результате сжатия. Если сжимать воздух до давления 1атм избытка — то он нагреется уже на 85С. В современных высокофорсированных дизелях воздух сжимается до 2-3 атмосфер и его температура увеличивается до 200 градусов. Понятно, что за счёт теплопередачи от раскалённых лопаток, корпуса турбины и стенок впускного коллектора воздух будет нагрет ещё заметно сильнее.
Но с ростом температуры снижается ПЛОТНОСТЬ воздуха.
Если проанализировать грубо — то получается приблизительно такая зависимость при сжатии воздуха температурой +20С:
наддув 0,5атм — повышение темп воздуха на 45С — падение плотности воздуха на 15%
наддув 0,7атм — повышение темп воздуха на 65С — падение плотности воздуха на 23%
наддув 1атм — повышение темп воздуха на 85С — падение плотности воздуха на 30%
наддув 1,5атм — повышение темп воздуха на 100С — падение плотности воздуха на 34%
наддув 2атм — повышение темп воздуха на 125С — падение плотности воздуха на 42%
наддув 3атм — повышение темп воздуха на 160С — падение плотности воздуха на 55%
Считаем на пальцах:
Если турбина у нас качает 1атм избытка — то мы надеемся на удвоение количества(массы) воздуха, загоняемого в цилиндры. Но без эффективного интеркулера из-за снижения плотности воздуха при сжатии мы получим не удвоение МАССЫ воздуха, а лишь: Х*2\100*70=1,4Х
Увы и ах!
Именно поэтому старые безинтеркулерные дизеля с примитивными турбинами(с давлением в прыжке до 0,7атм) и не блещут приростом мощности. Ибо — Х*1,7\100*77=1,31Х
30% прироста МАКСИМУМ даже теоритически.
Практически всё обычно намного хуже из-за организации топливоподачи на этих дизелях.
Интеркулер позволяет заметно снизить температуру сжатого воздуха и таким образом повысить его плотность. Понятно, что охладить воздух после турбины обратно до температуры забортного воздуха практически не реально, но стремится к этому стОит. Правда на серийных автомобилях производитель этим вопросом редко заморачивается — потому мы и наблюдаем интеркулеры смешных размеров, нахлобученные поверх двигателей не в самом удачном с точки зрения охлаждения месте — сбить пиковую температуру(и вписаться в эконормы) хватает и таких. Именно из-за понижения выбросов азотистых соединений интеркулер и стал стандартным узлом любого турбодизеля — до такой степени стандартным(как и сам ТУРБОдизель), что надписи типа «2.8 intercooler turbo» давно исчезли с кузовов автомобилей.
Существует ещё один интересный момент.
В отличие от турбонагнетателя, где на «утрамбовку» воздуха затрачивается довольно существенная мощность(не верьте утверждениям, что турбина утилизирует «дармовую» энергию выхлопных газов — ничего дармового в этом мире не бывает), на «утрамбовку» воздуха интеркулером таких колоссальных затрат энергии обычно не требуется. Потому на режимах частичной мощности эффективный интеркулер позволяет значительно «разгружать» турбонагнетатель — ведь давление на впуске в двигатель можно снизить пропорционально росту плотности воздушного заряда.
Опять считаем на пальцах:
Пусть турбина давит 0.7атм избытка. Воздух нагревается на 65С. Плотность воздуха при этом падает на 23%.
Если установить интеркулер, который обеспечит снижение температуры сжатого турбиной воздуха хотя бы на 40-45С — то плотность воздуха после интеркулера возрастёт на 15%. Можно снизить давление турбины на эти 15% — до 0,45атм избытка. Мощность двигателя останется прежней — воздуха в граммах поступает одинаковое количество, а вот расход топлива заметно снизится — ведь сжимать воздух приходится до существенно меньших значений.
На допотопных турбинах с вестгейтом эффект экономии топлива за счёт этого эффекта выражен слабо — ведь энергия выхлопных газов за счёт установки интеркулера снижается незначительно и турбина давит ровно столько, сколько может. На турбинах с управляемой геометрией, регулируемой механическим клапаном(или примитивным электронным контроллером), тоже выигрыш не велик — все эти системы стремятся обеспечить максимально возможное давление(то самое при котором начинает открываться клапан сброса) невзирая на то, нужно ли на данном режиме работы настолько высокое давление или нет. Давайте ещё раз вспомним — ТУРБИНА на распространённых ТУРБОдизелях обеспечивает от 20 до 35% тяги. Другими словами — при нажатии на газульку до 2\3 её хода нам давление турбины НЕ НУЖНО ВООБЩЕ!
Поэтому на частичных нагрузках из-за ненужного наддува заметно страдает общий КПД двигателя. А вот при управлении геометрией турбины компьютером поумнее — можно получить значительную экономию топлива за счёт точного дозирования наддува. Речь идёт о реальных 10-15% расхода — именно столько получали владельцы ZD30 просто крутя регулировку штока геометрии турбины в сторону снижения давления. Но тупое снижение давления турбины вызывает и снижение максимальной мощности двигла.
По фуншую же нужно ВСЕГДА поддерживать давление на впуске всего лишь ЧУТЬ ВЫШЕ необходимого для полного сжигания топлива(количество потребного топлива определяется газулькой) — тогда будет доступна и ВСЯ ВОЗМОЖНАЯ(турбина ZD30 качает без вреда для себя до 1,7атм избытка — что даёт момент до 620Нм долговременно при наличии эффективного интеркулера) мощность двигателя и экономия топлива на режимах частичной мощности. Турбина с изменяемой геометрией как раз позволяет ХУДО-БЕДНО вытворять такие вещи.
Почему худо-бедно?
Об этом читайте в следующих статьях.
Что такое интеркулер: особенности, виды, нюансы установки
Интеркулер – важная часть системы турбонаддува двигателя. Он представляет собой теплообменник, устанавливаемый между впускным коллектором и компрессором. Устройство это необходимо для охлаждения потока воздуха, нагреваемого в процессе сжатия в компрессоре. Чем качественнее интеркулер, тем больше тепла он отводит.
Уменьшать температуру надувочного воздуха просто необходимо, ведь даже небольшое охлаждение воздушного потока дает существенный прирост мощности. Кроме того, это позволяет экономить горючее и сокращать выбросы в атмосферу. В среднем, используя интеркулер, можно повысить мощность движка на 20%.
Однако не все так просто, как кажется. Интеркулер, охлаждая воздух, уменьшает степень его прохождения. Соответственно, давление наддува уменьшается. Вот почему применение данной детали можно назвать компромиссом между достижением эффекта и потерями, связанными с выполнением этой задачи.
Существуют интеркулеры двух типов:
Воздушные охладители
Такие системы пользуются спросом, поскольку имеют простую конструкцию. Они состоят из трубок, перемежающихся пластинами. Благодаря трубкам проходимый воздухом путь увеличивается, поэтому он охлаждается сильнее. Пластины увеличивают площадь охладителя, повышая теплоотдачу. К слову, пластинки и трубы чаще всего производятся из алюминия. Иногда его заменяет медь.
Устанавливать воздушные охладители можно над двигателем, за передним бампером и в боковых частях крыльев.
Интеркулеры водяного типа
Они имеют свои достоинства по сравнению с воздушными системами. Прежде всего, водяные интеркулеры компактны, поэтому могут устанавливаться в любом месте под капотом. Вода отводит тепло лучше, чем алюминиевые трубки, соответственно, такие охладители работают эффективно. Но вода имеет свойство нагреваться, а для ее остывания требуется время.
Недостатком водяных интеркулеров является и сложность конструкции. Помимо водяного теплообменника, они оснащаются большим количеством патрубков, водяным насосом, воздушным радиатором и блоком управления. Из-за такого большого количества составляющих охладители водяного типа используются лишь в случаях, когда простые воздушные системы установить невозможно.
Нюансы установки интеркулера
Решив оборудовать своего «железного коня» интеркулером, хорошенько подумайте, где его лучше расположить. Неправильно установив конструкцию, вы получите обратный результат: вместо охлаждения она станет нагревать воздух. Под капотом машины достаточно высокая температура, поэтому устройство не должно ее поглощать.
Оптимальное место для монтажа интеркулера – перед радиатором. Чтобы охлаждение проходило более эффективно, можно по краям установить металлический короб, захватывающий большой воздушный поток и направляющий его на интеркулер. Минимизировать потери в давлении системы можно, заменив штатные трубы, идущие от охладителя то турбины, на более широкие. Их также стоит обернуть алюминиевой лентой, увеличив теплоизоляцию.
Дополнительная опция
Некоторые модели интеркулеров, предназначающиеся для спортивных авто, оснащаются распылителями. Эти распылители время от времени автоматически опрыскивают конструкцию водой, охлаждая ее. Это еще больше уменьшает температуру впускного воздуха.
Осторожно! Зима
В нашем отечестве зимой дороги активно посыпаются песком и солью. В холодное время года интеркулер подвергается опасности, если он установлен перед основным радиатором. Вся грязь и соль, летящая из-под колес идущих впереди вас транспортных средств, будет попадать на интеркулер. В результате его оксидная пленка будет разрушаться. Чтобы продлить термин эксплуатации охладителя, его нужно время от времени промывать снаружи водой.
На любой вкус
Магазины предлагают автомобилистам огромный выбор интеркулеров различных размеров и конфигураций. При желании можно для любого транспортного средства подобрать подходящий охладитель. Случается, правда, что система никак не хочет устанавливаться. Но при должной смекалке ее можно подогнать, например, заменив трубки или переварив их. Важно не только установить интеркулер, но и грамотно подвести к нему воздушные магистрали.
Статья про интеркулер, выбор, расчет, установка — техно теория
Хотя критерии выбора интеркуллера, устанавливаемого в турбосистеме, многочисленны, основной вытекает из целей его установки — охлаждение воздушного заряда. Естественно, как в технике вообще, существуют факторы, ограничивающие диапазон поиска оптимальной конструкции. Как 6ы ни было соблазнительно охладить наддувный воздух до уровня окружающего (а может и ниже), это может привести к негативным последствиям. Слишком низкая температура приведет к значительному падению давления. Компенсация последнего посредством настройки вестгейта или же применения чарджера большей производительности повлечет пересмотр параметров всего мотора из-за возросшей нагрузки.
автор: Алексей Романов
Расчет размера интеркуллера
Компоновка подкапотного пространства современных автомобилей, как правило, не позволяет особо развернуться в фантазиях самостоятельных доработок. Несмотря на компактность воздушно-жидкостных теплообменников, места даже для их установки найти крайне тяжело, если оно не было предусмотрено производителем. Воздуховоды фронтальных интеркуллеров «упаковать» в моторном отсеке несколько проще. У каждой из применяемых на автомобилях конструктивных схем теплообменников есть свои преимущества и недостатки. Интеркуллер типа воздух/воздух намного проще по конструкции и имеет большую тепловую эффективность на высоких скоростях. Кроме того, такой тип теплообменников более надежен, дешевле и обладает лучшей ходимостью, поскольку его каналы не подвержены коррозии и накапливанию отложений жидкостной системы охлаждения.
Жидкостные интеркуллеры эффективней на низких скоростях, что дает преимущество машинам на старте и в соревнованиях на коротких дистанциях. Отклик на педаль акселератора с ними тоже лучше. Поскольку конфигурация подобной схемы, как правило, более компактна, в них меньше падение давления. К тому же, такая система меньше подвержена износу компрессорной части чарджера. Но сложность жидкостной системы все же не способствует ее распространенности, тем более, среди машин с самостоятельно построенными системами наддува.
Поэтому рассматривая формулу расчета системы охлаждения надувного воздуха, будем ориентироваться на теплообменники воздух/воздух, расположенные на автомобиле фронтально.
Теплопередача интеркуллера
При сегодняшнем развитии технологий способ изготовления теплообменника в первую очередь влияет на его цену, срок службы и ремонтопригодность, главными же показателя-определяющими эффективное снижение температуры надувного воздуха, являются размеры интеркулера. Точнее, его площадь теплообмена.
С крайне малыми допущениями можно утверждать, что площадь теплообмена для внутреннего и внешнего потоков воздуха одинакова. Определить необходимую ее величину можно, исходя из количества тепла, передаваемого от горячего воздуха к холод-ному, уравнение, описывающее теплопередачу, для каждого потока для внутреннего ( либо для внутреннего, либо для внешнего ). выглядит так:
При подсчете параметров внешнего потока необходимо учитывать, что воздух, покидающий интеркулер в направлении моторного отсека, нагревается неравномерно. Та его часть, что обдувает сторону, которая 6лиже к турбине, горячее, а с ближней к дросселю стороны — холоднее, уравнении же фигурирует средне арифметическое значение этих температур. Связь между объемным и массовым показателями расхода воздуха описывается уравнением идеального газа:
Поскольку большинство фирм, выпускающих продукцию для турбосистем, представляют характеристики своей продукции в системе единиц, используемой США и Великобритании, то. как и в расчетах при подборе турбочарджера, переводить все в метрическую систему не имеет смысла.
Для вычисления отдаваемой тепловой энергии надувным воздухом известны все параметры. Основываясь на уровне ожидаемой мощности, при выборе характеристик турбочарджера были определены необходимые для ее получения величины расхода, давления и температуры во впускном коллекторе.
Была также определена и температура на выходе из турбокомпрессора по формуле:
Фронтальная площадь интеркулера
Анализ уравнения теплопередачи применительно к охлаждающему воздуху наглядно демонстрирует зависимость мощностных показателей турбированного мотора от режима функционирования теплообменника. При равенстве величины тепловой энергии, отдаваемой наддувным воздухом
и получаемой набегающим потоком, а также равной теплоемкости сред. расход и, как следствие. температура охлаждающего воздуха на выходе из кулера зависят от скорости потока и его начальной температуры.
То есть, иначе интерпретируя эту мысль, мощность мотора, работающего на одних и тех же оборотах, не одинакова при разной температуре окружающей среды и на разных скоростях движения автомобиля. Расход внешнего потока через тепло-обменник является не только функцией
скорости, которую. кстати, можно корректировать установкой вентиляторов охлаждения, он зависит и от фронтальной площади корпуса:
Площадь теплообмена интеркулера
Площадь теплообмена — сумма площадей пластин, ребер и трубок в конструкции корпуса теплообменника, которые ответственны за отвод температуры из системы. Определение оптимальной площади может опираться на ее зависимость от расхода воздуха в турбо-системе, полученную экспериментально-статистическим путем. Это наиболее простой способ, хотя и он и предоставляет довольно большой разброс искомых величин, более определенные цифры дает вычисление площади теплообмена. исходя из количества передаваемой тепловой энергии от наддувного воздуха к внешнему:
Численная характеристика теплопроводности материала равна количеству теплоты, проходящей через материал толщиной 1 фут (ft) и площадью 1 квадратный фут (ft2) за час,
при разности температур на двух противоположных поверхностях в 1 °F. В выбранной системе единиц ψ для воздуха равен 0,015 ВТU/(ft hr°F). Погрешность результатов вычислений из-за отсутствия в уравнении теплопроводности материала, из которого
изготовлен теплообменник, критична при проектировании нового узла. При подборе же
готовой продукции ею можно пренебречь;
F определяется по графику (рис) на основе расчетов двух величин:
Основываясь на опыте производителей теплообменников для турбосистем. можно утверждать, что оптимальный размер фронтального габарита интеркулера должен быть на 45% больше его площади теплопередачи для внутреннего потока.
Внутренний объем теплообменника интеркулера
Выбирая интеркулер на основе рассчитанных габаритных размеров, необходимо помнить и о его внутреннем объеме. Слишком малый теплообменник создаст сильное сопротивление воздуху, которое вызовет значительное падение давления наддува. Чрезмерный объем увеличивает время отклика на педаль акселератора. По длительности турбоямы можно приблизительно оценить потолок емкости теплообменника: tL=2kV/Gv, где
Насколько превалирует важность длительности задержки реакции машины на дроссель над уровнем максимальной отдачи двигателя, или наоборот, зависит от поставленных задач при постройке машины. Необходимо лишь помнить, что турбо-яма длинной более трети секунды станет серьезным препятствием на старте в гонках и при движении в плотном трафике городского потока.
Обтекаемость внутренних и внешних каналов интеркулера
Чем тяжелее для воздуха пройти через недра интеркулера, тем больше он потеряет тепла. Но, с другой стороны, плохая обтекаемость сказывается на снижении давления наддува. Чтобы компенсировать плохую обтекаемость внутренних каналов. площадь их сечения должна быть достаточно большой, чтобы замедлить течение воздуха и тем самым сократить сопротивление. Если обтекаемость внутренних каналов может ухудшить теплообмен, то меньшее сопротивление конструкции интеркулера набегающему потоку приводит к улучшению теплообмена.
Чем проще воздуху пробираться через тело интеркулера, тем большее количество охлаждающего воздуха пройдет через внешние каналы и вступит в процесс теплообмена. Как бы ни были обтекаемы внешние каналы, примерно четвертая часть набегающего потока отклоняется завихрениями и не участвует в процессе теплообмена. Причем величина эта не меняется при уменьшении площади вырезав бампере вплоть до размеров на туже четверть меньше, чем фронтальная площадь теплообменника, если к нему по бокам выреза от выреза организовать плоскости, направляющие поток на ребра охлаждения.
Размер диаметра впускного тракта интеркулера
С ростом скорости надувного воздуха в подводящем и отводящем патрубках впускной системы растет и сопротивление его движению, и развиваются резонансные процессы. При чрезмерно больших диаметрах кардинально возрастает инерционность турбосистемы. так как прибавляют объем общей системе. Существует некий скоростной оптимум, равный примерно 0.25-0,28 от скорости звука, или 450 ft/сек, при котором негативные явления не переходят критический уровень. Исходя из этих значений, теперь можно вычислить подходящий диаметр впускного тракта.
Потери в интеркулере
При подборе чарджера по турбокартам необходима коррекция значений расхода и давления на впуске вследствие потерь в интеркулере. Их можно оценить по изменению плотности воздуха:
Из связи параметров среды в уравнении идеального газа можно вычислить падение давления во впускном коллекторе:
Эффективность интеркулера
Эффективность близких по размерам интеркулеров не одинакова вследствие их конструктивных особенностей. Производители иллюстрируют техническое описание своей продукции графиками эффективности в зависимости от плотности надувного воздуха. проходящего через теплообменник. Эффективностью интеркулера (Ei) называют отношение падения температуры в теплообменнике (ΔT) и нагрева воздуха в компрессоре (ΔTс):
Еi= ΔT/ ΔTс=(Т1-Т2)/(Т1-Та1).
По графикам эффективности производится окончательный выбор оптимального теплообменника из предварительно составленного по вычисленным габаритам ряда.
ПЛОЩАДЬ
Разница в площади теплообмена интеркулеров может быть следствием конструктивных нюансов. Например, к ее сокращению ведет уменьшение числа каналов и увеличение их сечений при сохранении объема тепло-обменника. Подобная конструкция приведет к снижению сопротивления, что отразится на меньшем падении давления, но эффективность охлаждения снизится. Такие конструкции предпочтительнее включать в системы малого давления.
И наоборот, чем выше предполагаемое давление наддува, тем более плотную структуру с высоким значением площади тепло-обмена следует выбирать. Если же уменьшение площади теплообмена происходит вследствие уменьшения объема интеркулера (меньше длина или количество каналов), то в первую очередь это отражается на падении давления вследствие как увеличения скорости потока, так и из-за ухудшения охлаждения. Но турбо-яма становится менее заметной.