Интеркулер на дизеле¶
Интеркулер — теплообменник, предназначенный для охлаждения сжатого воздуха, поступающего в цилиндры двигателя после турбокомпрессора или механического нагнетателя. Применяется преимущественно на дизельных и турбированных бензиновых двигателях; на дизеле интеркулер является практически неотъемлемым элементом системы наддува, поскольку от температуры заряда напрямую зависит плотность воздуха, а значит — масса кислорода, доступная для сгорания топлива.
¶Принцип работы
При сжатии воздуха в турбине его температура повышается до 150–200 °C (при высокой степени наддува — до 250 °C и выше). Горячий воздух имеет низкую плотность, поэтому в цилиндр попадает меньше кислорода на единицу объёма, чем могло бы быть при той же давлении, но меньшей температуре. Интеркулер отводит часть этого тепла в атмосферу (или в систему охлаждения), охлаждая воздух до 50–70 °C. В результате:
- плотность заряда возрастает на 10–25 %;
- растёт эффективная степень сжатия и мощность двигателя (обычно на 5–15 %);
- снижается нагрузка на поршни и цилиндры, уменьшается риск детонации на бензиновых моторах;
- уменьшается нагрузка на систему охлаждения двигателя, так как часть тепла отводится до попадания воздуха в блок цилиндров.
¶Конструкция и виды
По принципу теплообмена интеркулеры делятся на два основных типа.
¶Воздушный (воздух-воздух)
Наиболее распространённый тип. Представляет собой радиатор из алюминиевых трубок с оребрением, через который проходит сжатый воздух, а снаружи его обдувает набегающий поток. Размещается, как правило, перед основным радиатором системы охлаждения, в зоне максимального аэродинамического потока. Воздушные интеркулеры просты, надёжны, не требуют дополнительных насосов и жидкостных контуров. Недостаток — зависимость эффективности от скорости движения: на холостом ходу и малых скоростях охлаждение почти отсутствует.
¶Жидкостной (воздух-жидкость-воздух)
Сжатый воздух охлаждается во вторичном теплообменнике промежуточной жидкостью (обычно охлаждающей жидкостью двигателя или отдельным контуром). Жидкостной контур, в свою очередь, охлаждается отдельным радиатором. Такая схема обеспечивает более стабильную температуру заряда на любых режимах, позволяет уменьшить длину воздуховодов между турбиной и впускным коллектором (что снижает турбояму) и размещать элементы в удобных местах моторного отсека. Жидкостные интеркулеры активно применяются на современных дизелях с малым объёмом двигателя и высокой степенью наддува, а также на двигателях с двумя турбинами.
¶Дополнительные решения
На некоторых двигателях применяется комбинированная схема: в дополнение к основному интеркулеру воздух перед впускным коллектором охлаждается впускным коллектором с водяной рубашкой. Встречаются также исполнения, встроенные непосредственно в впускной коллектор.
¶Интеркулер и турбояма
Одна из задач интеркулера — минимизировать так называемую турбояму (задержку отклика на нажатие педали газа). Длинные воздуховоды увеличивают объём, который турбина должна заполнить сжатым воздухом до роста давления. Жидкостные интеркулеры позволяют укоротить эти каналы, а улучшение наполнения цилиндров снижает нагрузку на турбину на переходных режимах.
¶Обслуживание и неисправности
Основные неисправности интеркулера:
- Засорение оребрения — пыль, грязь и насекомые забивают соты, ухудшая теплообмен. Решается промывкой или продувкой сжатым воздухом.
- Механические повреждения — пробои от камней, деформация при ДТП.
- Протечки масла — на дизеле воздуховоды между турбиной и интеркулером часто содержат конденсат масла из картера; значительное количество масла указывает на износ турбины.
- Потеря герметичности — утечка сжатого воздуха через трещины или повреждённые патрубки приводит к падению давления наддува, потере мощности, дымности и росту расхода топлива.
Проверка герметичности выполняется подачей сжатого воздуха в опрессовке с контролем падения давления. Повреждённый алюминиевый радиатор подлежит пайке или замене.
¶Применение на дизельных двигателях
На дизелях интеркулер используется повсеместно с начала 1980-х годов, когда турбонаддув стал массовым решением для легковых, коммерческих и грузовых двигателей. Примеры конструкций: интеркулеры грузовых дизелей КамАЗ, ЯМЗ, Cummins, а также турбодизелей Volkswagen, BMW, Mercedes-Benz. На грузовом транспорте интеркулеры, как правило, имеют увеличенную площадь теплообмена и устанавливаются в передней части радиаторной решётки.
¶Историческая справка
Идея промежуточного охлаждения воздуха в системах наддува восходит к морским и авиационным дизелям первой половины XX века. На автомобильном транспорте интеркулеры получили распространение в 1970-е годы, а массовое применение на легковых дизелях началось в 1980-е — в частности, с появлением турбодизелей Volkswagen Golf GTD (1984) и ряда двигателей BMW, оснащённых воздушными интеркулерами.
Источники:
- Кисор В. И., Савельев В. С. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
- Вентцель С. С. «Турбонаддув автомобильных двигателей»
- «Справочник конструктора-машиностроителя», под ред. Чичварина
- Материалы производителей: Garrett, Behr/Mahle, ДААЗ