Интеркулер

Во время сжатия воздуха в турбине он нагревается. Попадание горячего во входной коллектор — это не есть хорошо.
Во-первых, теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, а значит и весит он меньше. Важно помнить, что масса (а не объем), воздуха вдохнутого двигателем определяет мощность. Так что если двигатель кормится теплым воздухом, то максимальная мощность падает. Вторая проблема, при поступлении теплого воздуха, — это увеличение детонации. Детонация — это нестабильный процесс сгорания, когда огонь не движется прогрессивно по камере сгорания, а вместо этого смесь воздуха и топлива взрывается. Когда это происходит, поврежлаются поршни, кольца и даже возможно головки блока.

Если удасться снизить температуру воздуха, на выходе из турбины, двигатель потенциально сможет выдать большую мощность. Интеркулеры используются как раз для этой цели.

Повышение температуры
Есть целый ряд факторов, который способствует повышению температуры. Во-первых, чем выше давление, тем больше будет температура. В качестве правила, если вы повышаете давление больше чем на 0.5 bar (~ 7 psi), интеркулер — становится хорошим предметом для инвестиций. Во-вторых, чем ниже эффективность компрессора, тем выше температура. Однако, очень трудно предсказать эффективность компрессора при конкретной установки, даже если есть данные произвожителя на компрессор. Другими словам, это комбинация из многих факторов потока воздуха, давления, работает ли компрессор на пределе или еще есть запас. Оптимальнее всего иметь небольшой запас. В-третьих, турбовый двигатель не работает в постоянных условиях. Типичная дорожная машина, находится "под давлением" примерно 5% от общего времени, и даже при повышении наддува это обычно длится не более 20 секунд. Почти любая турбовая машина при полном наддуве продолжительностью 20 секунд наберет более 160 км/ч с места, что означает что более продолжительный наддув требуется только при подъеме в горы, буксировке прицепа или управлении на максимальной скорости. В то время подразумевается, что все машины должны быть заточены для максимальной нагрузки, в раельность таких машин очень мало. Это означает, что теплоотводящие факторы должны приниматься во внимание.

Если температура воздуха во входном коллекторе при спокойной езде на 20 градучов выше окружающей, то при температуре воздуха в 25 градусов, на вход двигателя будет поступать 45-ти градусный воздух. Через приблизительно 30 минут такой езды, все окружающие компоненты тоже будут иметь такую температуру. Если такая машина, неожиданн выйдет на уровень полного наддува, то температура поступающего воздуха резко повысится, от него начнут греться другие компоненты (турбо-компрессор, входной коллектор), тем самым охлаждая воздух и ограничивая влияние интеркулера на такой вид наддува.

Как результат, на неругулярный короткий наддув, что типично для обычных авто, интеркулер не оказывает такого сильного влияения, как кажется по-началу. (это не означает что интеркулер неэффективен).

Эффективность интеркулера.
Интеркулер делает две вещи — он снижает температуру поступающего воздуха и в тоже время немного уменьшает давление наддува. Последнее происходит из-за сопротивления потока оказываемого интеркулером. Некоторые ограничения являются неустранимами, потому что воздушные потоки в интеркулере должны быть турбулентны, чтобы поддерживать эффективность интеркулера на должном уровне, за счет контакта большего количества воздуха с его поверхностью. Однако если давление падает слишком сильно, то это отразиться на мощности. Уровень падения в 1-2 psi — можно считать приемлимым для хорошего интеркулера.

Эффективность интеркулера измеряется снижением температуры поступающего воздуха. Если интеркулер уменьшает температуру воздуха в сравнении с окружающей, значит такой интеркулер эффективен на 100%.
Это было бы предметом восхищения, потому что в реальности ни один интеркулер не может достичь этого. Обычные цифры для хорошего интеркулера — это 70%.

Виды интеркулеров.
Большинство интеркулеров делиться на две категориии воздух/воздух и воздух/вода. Есть так же специальные виды интеркулеров, которые охлаждают воздух ниже окружающей температуры за счет использования льда или закиси озота (нитроса), но они здесь рассматриваться не будут.

Интеркулеры воздух/воздух
Это наиболее распространенный вид интеркулеров, из предлагаемых в качестве заводских и в качестве тюнинговых. Технически они очень просты, грубы и надежны. Такого вида интеркулер состоит из трубы и пластинчатого радиатора. Воздух проходит через тонкие трубчатые пластины радиатора, соединенные в верхней части друг с другом. Часто внутри тонких трубок располагают небольшие перегородки, чтобы создавать турбулентность и таким образом повышать теплообмен. Между трубками находятся другие перегородки обычно уложенные зиг-загом. Практически все интеркулеры изготовлены из аллюминия. Поступающий при движении вперед поток воздуха способствует охлаждению воздуха внутри радиатора, унося избыток тепла в атмосферу.

Помимо описанной вверху основной части интеркулера, есть еще другие которые тоже влият на теплообмен.
Для обеспечения распределения воздуха по всем крохотным трубочкам используются конечные резервуары, которые приварены с обоих сторон радиатора. Некоторые производитель используют дизайн в двойным проходом — и вход и выход на одной стороне и разделены между собой перегородкой.

Хороший производитель обычно указывает как минимум две спецификации — это падение давлени для заданного потока воздуха (или для определенной мощности) и эффект от охлаждения (как падение температуры). Так как такого вида интеркулера используют для охлаждения окружающий воздух, то они не могут быть слишком эффективны — просто чем больше — тем лучше. Как правило размер ограничиваеться наличием свободного места на Вашем авто и толщиной Вашего бумажника.

Многие заводские интеркулеры установлены меньшего размера, чем требуется. Мне приходилось видеть интеркулеры размером с книгу установленные на машинах с мощность выше 150 киловатт, такие автомобили могут находиться на пике своей мощности только очень короткое время. С другой стороны, например Nissan Skyline GT-R имеет интеркулер размером 60x30x6 и при температуре воздуза в 35 градусов обеспечивает темепературу 45 градусов во входном коллекторе при давлении в 1 бар и продолжительной езде с нажатой в пол педалью при скорости 250 км/ч.

Установка интеркулера
Основное при установке — это выбрать правильное место. Первое что требуется принять во внимание — это температура окружающего воздуха. Интеркулер вбирает в себя тепло также быстро как и защищает от него. Это означает, что расположенный в подкапотном пространстве интеркулер может очень быстро превратиться в грелку для воздуха, если об этом специально не позаботиться. Турбовые машины имеют особенно высокие температуры под капотом и требует особого внимания к потокам воздуха под капотом. Особенно важно это становиться когда вы останавливаетесь во время очередной светофорной гонки. В этот момент тепло активно проходит прямо через интеркулер.

На данный момент наиболее удачное расположение интеркулера это впереди перед радиатором двигателя. Производитель автомобиля уже аэродинамически протестировал машину, чтобы через это место проходили достаточно большие воздушные потоки для охлаждения двигателя. Примите во внимание, что интеркулер должен быть впереди других радиаторов также (например впереди радиатора кондиционера, если он у Вас есть).

Интеркулер типа воздух/воздух должен пропускать через себя как можно больше воздуха. Многие просто размещают интеркулер впереди машины, надеясь что этого достаточно. Однако, если для воздуха имеються более легкие пути — он пойдет ими. Чтобы избежать этого, возможно полезно установить металлические пластины — направляющие воздух сквозь защитную сетку на интеркулер, и полоски из пенообразной резины помогут перекрыть воздуху пути для отступления.

Трубы должны оказывать минимальное влияние на давление в системе. Обычно заводские турбоавтомобили часто используют плавно расширяющиеся трубы от 50 мм на выходе компрессора до 80 мм на входе. Это полезно знать и придерживаться того же принципа. Трубы интеркулера должны быть по возможности короткими с очень плавными сгибами. Не забудьте также (если вы переносите интеркулер вперед), что двигатель и турбина подвижны во время езды, в то время как сам интеркулер будет относительно жестко зафиксированы. Это означает, что следует использовать резиновые или лучше силиконовые трубы.

Возвратная от интеркулера труба должна быть теплоизолирована насколько это возможно. Обшивка труб стекловолокном или керамическим волокном — хорошо помогают и это легкие материалы. Сверху можно обернуть аллюминиевой лентой. Также учтити при установке, что компрессор можно легко повернуть, что изменит угол выхода и возможно уменьшит число необходимых сгибов труб.

Некоторые верят, что если они установили очень большой интеркулер, то объем воздуха необходимый для его заполнения очень большой и это ухудшает отдачу при нажатии педали акселератора. Как правило, это не так — обычно влияют другие факторы — например большой лаг, от установки большой турбины.

Какой интеркулер поставить?
Как уже упоминалось выше Nissan Skyline иммеет очень хороший интеркулер, так же как и Mitsubishi Evolution. Также возможна установка двух соединенных интеркулеров, например очень хороший интеркулер на Mazda RX-7, хоть он и маленький. Можно даже смастерить интеркулер самому, например их старых промышленных холодильников, если у них был поврежден компрессор. Там как правило используются медные трубы и аллюминиевые ребра. Такой интеркулер получается достаточно эффективный (сам проверял) и очень очень дешевый. Другая альтернатива найтие интеркулер от турбодизельных грузовиков — они просто огромные!

Интеркулеры вида Вода/воздух
Все вокруг говорят про интекулеры вида воздух/воздух, так в чем же достоинства и недостаки интеркулеров вода/воздух?
Интеркулеры типа вода/воздух ипользуются реже чем вида воздух/воздух. Однако они имеют несколько неоспоримых достоинств, особенно для тесных моторных отсеков. Водно-воздушный интеркулер использует компактный теплообменник, расположенный под капотом, и обычно расположенный рядом с компрессором. Тепло передается воде (охлаждающей жидксти), и затем вытягивается наружу через отдельно установленный небольшой радиатор, расположенный впереди. Таким образом, водно-воздушный интеркулер состоит из следующих частей: теплообменник, радиатор, насос, блок управления и трубы.

Технически, водно-воздушный интеркулер имеет ряд достоинств для обычных (дорожных) машин. Вода лучше проводит тепло чем воздух. Что-то имееющее более высокое тепловое значение чем воздух, может очень хорошо вбирать в себя тепло из воздуха. Значение теплового коэффициента воздуха равняется 1.01 (при постоянном давлении), в то время как у воды этот коэффициент равен 4.18. Для каждого увеличения температуры воздуха на 1 градус, таже масса воды может поглотить 4 градуса тепла. Кстати, чистая вода лучше всего поглощает тепло, и добавление в нее антифриза снижает эффективность на 6-23 процентов. Другие жидкости даже близко не подходят к этому значению.

Водно-воздушный теплообменник сконструирован так, чтобы в нем было достаточно воды чтобы поглатить рост тепрературе при пике давления наддува. Даже до того, как насос вступит в действие, подавая холодную воду, теплообменник уже поглотит достаточное количество тепла из поступающего в коллектор воздуха. Это то, что делает такие системы более эффективными для каждодневной езды. Но если вода нагрелась, то требуется время, чтобы она могла остыть.

Теплообменник
Водно-воздушные интеркулеры достаточно редкое решение, однако оно использовалось несколькими производителями — это Lotus, Subaru и Toyota. Некоторые тюнинговые фирмы тоже производят таке системы. (Если вы хотите сделать такую систему самостоятельно то лучше всего в качестве теплообменника использовать обычный воздушный интеркулер одев его в корпус). Внутри обычно размещены специальные маленькие перегородки, для обеспечения правильной циркуляции воды.

Хорошее готовое решение предлагает FHI для своих Subaru Legacy, установленный там интеркулер прекрасно справляется с мощность в 150 киловатт, и способен выдерживать вплоть до 210 киловатт. Помните, что для эффективной работы водно-воздушного интеркулера необходимо иметь хотя-бы 2-3 литра воды для сглатывания пиков температуры.

Радиатор и насос
Смонтированный впереди радиатор должен быть полностью отдельным от радиатора двигателя. Подходящие радиаторы — это большие маслянные радиаторы и радиаторы от кондиционеров. Мощность радиатора должны быть как минимум не хуже, а лучше превышать мощность теплообменника. Для 4-х киловатаного теплообменника на Субару устанавливается совсем маленький радиатор размером 45x35x3 см.
Электрический насос — это простейший способ обеспечить циркуляцию воды. Некоторые системы используют постоянно работающий на маленькой скорости насос, увеличивающий производительность при повышении наддува. Другие включают насос только при определенном положении дроссельной заслонки и выключают по таймеру (Скажем спустя 30 секунд, после падения давления).
Насосы бывают двух видов с крыльчаткой и с дифрагмой. Последние обычно производят большее давление и отличаються повышенным уровнем шума — их следуют монтировать с использованием резинок. На субару устанвливается насос с крыльчаткой с довольно низкой производительностью (порядка 15 литров в минуту), который автоматически переключается с низких оборотов на высокие.

Блок управления
Как уже было указано выше, существует несколь режимов работы насосов. Простейший способ управления включать и выключать насос в зависимости от давления. Если наддув используется часто и на короткие переоды, то это работает эффективно. Однако, лучше использовать таймер, чтобы насос работал некоторое время после падения давления во впускном коллекторе.
Другой вариант — это использовать микропереключатель, включающий насос при определенном положении педали газа.
Когда требуется двухскоростное управление насосом, он может быть запитан с использованием резистора (сопротивления) для маленькой скорости. Резистор должен быть керамического типа, расчитанный на большую мощность (мощно использовать комбинацию из нескольких резисторов). Помните, что резистор будет сильно нагреваться и лучше его разместить на каком-нибудь подходящем радиаторе (например от транзистора) где-нибудь впереди чтобы обеспечить хороший обдув.
Еще один вариант — использовать показания датчика температуры и включать насос тогда, когда он действительно нужен.

Водные трубы
Наиболее подходящее место для размещение насоса — сразу после радиатора, чтобы он омывался водой с относительно низкой температурой. Однако, не всегда это возможно. Вы можете рассмотреть разные варианту установки насоса — основная задача обеспечить лучшую циркуляцию воды, даже если для этого придется поставить насос сразу после теплообменника (на практике — температуры воды в этом месте не так уж и высока).
Резервуар с водой должен быть расположен как можно выше, он должен иметь крышку и может быть совмещен с теплообменником.
В системе не должно быть воздуха — она ухудшает производительность системы и может привести к проблемам с насосом. Хорошая идея разместить фильтр перед насосом.

Выбор системы
Обе системы воздух/воздух и вода/воздух имеют свои преимущества и недостатки. Системы воздух/воздух обычно легче, особенно если учитывать массу воды. Системы воздух/воздух проще устроены и например если произойдет утечка — это будет сразу заметно по изменившимуся поведению двигателя, и как следствие этого такие системы обычно дешевле.
Водно-воздушные интеркулеры — очень помогают, чтобы сэкономить место в моторном отсеке. Такие системы больше подходят для обычных гражданских применений, когда масса воды позволяет поглощать температурные пики даже без включения насоса. Однако если быстро ехать, а потом остановиться, то вода в теплообменнике нагрееться, что приводит к снижению эффективности системы, в том случае, если машина поехала снова.