В двигателях, оборудованных турбонаддувом, всасываемый воздух сжимается с увеличением плотности. Вместе с тем, термодинамический эффект от сжатия воздуха приводит к увеличению температуры до 200°С. Этому способствует и сам турбокомпрессор, нагреваемый отработавшими газами. При нагреве плотность воздуха снижается и соответственно снижается давление наддува. В бензиновых двигателях, кроме этого, горячий воздух увеличивает вероятность наступления детонации, а в отработавших газах в большом количестве образуются оксиды азота.
Интеркулер
Для охлаждения, поступающего от турбокомпрессора воздуха, применяется интеркулер (intercooler, дословно – промежуточный охладитель, другое название – охладитель наддувочного воздуха). Интеркулер обеспечивает охлаждение воздуха до 50-60°С, чем достигается лучшее наполнение цилиндров и соответственно увеличивается мощность двигателя.
Как показывает практика, снижение температуры наддувочного воздуха на 10°С дает около 3% прироста мощности. При этом горение топливно-воздушной смеси становится более эффективным, повышается топливная экономичность и снижение вредных выбросов. В целом эффект от использования интеркулера составляет порядка 20% повышения мощности двигателя.
Но не все так гладко с применением интеркулера. Охлаждая наддувочный воздух, интеркулер создает препятствие для этого воздуха, а значит, снижается давление наддува. Поэтому интеркулер в системе турбонаддува это всегда компромисс эффекта и потерь для достижения этого эффекта.
По принципу охлаждения наддувочного воздуха различают два типа охладителей: воздушного охлаждения и водяного охлаждения. Благодаря своей простоте наибольшее распространение получили промежуточные охладители воздушного типа. Интеркулер устанавливается между компрессором и впускным коллектором. Конструктивно охладитель представляет собой теплообменник, состоящий из системы труб и находящихся между ними пластин.
Трубы изменяют свое направление по длине, чем достигается увеличение общей длины теплообменника и лучшее охлаждение воздуха. С другой стороны каждый изгиб трубы представляет собой препятствие для воздуха и приводи к снижению давления наддува. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу. В качестве материала для труб и пластин используется алюминий, обладающей высокой теплопроводностью. Реже применяется медь.
Интеркулер воздушного типа устанавливается в свободном месте в подкапотном пространстве:
в центральной части за передним бампером (в бампере выполняется соответствующий вырез);
над двигателем под капотом (в капоте выполняется воздухозаборник специальной формы);
в боковой части передних крыльев слева и справа (в крыльях выполняются воздухозаборники специальной формы).
Создание интеркулера для нужд конкретного двигателя заключается в определении множества конструктивных параметров: фронтальная площадь теплообменника, внутреннее проходное сечение, внутренний объем, толщина теплообменника, направление потока в теплообменнике и ряд других.
Интеркулер водяного типа имеет ряд неоспоримых преимуществ, в сравнении с воздушным собратом. Благодаря своей компактности водяной охладитель может быть установлен в любом свободном месте в подкапотном пространстве. Вода (охлаждающая жидкость) отводит тепло более интенсивно, поэтому эффективность водяного интеркулера значительно выше. Правда, при нагреве жидкости нужно больше времени для остывания.
За все преимущества приходится расплачиваться достаточно сложной конструкцией интеркулера, которая помимо водяного теплообменника включает воздушный радиатор, водяной насос, систему патрубков, электронный блок управления. Вместе с системой охлаждения двигателя они образуют двухконтурную систему охлаждения.
По причине сложности конструкции система охлаждения наддувочного воздуха водяного типа применяется достаточно редко, в случаях, когда воздушный охладитель применить невозможно. Например, водяной охладитель наддувочного воздуха применяется на некоторых двигателях TSI.