В гонитві за додатковою потужністю автоконструктори прийшли до створення турбокомпресора, який на сьогоднішній день став одним з неодмінних умов спортивного тюнінга. Турбіна жене повітря у впускний колектор під тиском, а значить, його більше потрапляє в камеру згоряння. При дотриманні стехіометричної пропорції досягається максимальна віддача потужності від палива, що спалюється, тож що більше повітря зайде в циліндр – то більше палива можна подати і то більшою буде потужність мотора.
Однак закони фізики не дозволяють просто так отримати приріст потужності. Під час стиснення в турбіні повітря нагрівається, що в свою чергу викликає зменшення його щільності. Що гарячіше повітря, то гірше згоряє паливо і тим вища ймовірність детонації відпрацьованих газів. Для охолодження повітря, що надходить від турбіни в двигун, і використовується теплообмінник – інтеркулер.
Завдання та протиріччя конструкції
На відміну від радіатора охолодження двигуна, інтеркулер вивиконує дещо інші завдання і працює не з рідиною, а з повітрям. Основне протиріччя закладене в самому принципі роботи і поки залишається непереборним для конструкторів.
Повітря, виходячи з турбіни, нагрівається і від стиснення, і від тепла випускної системи. Потім воно проходить в радіатор інтеркулера, і тільки після того, як радіатор повністю заповнений під потрібним тиском, повітря надходить далі. Ця затримка додатково збільшує час турболага – реакції турбіни на натиснення педалі газу. І чим більший об'єм інтеркулера, тим довшим буде турболаг. При цьому робити інтеркулер менше, ніж необхідно для ефективного охолодження повітря, нераціонально.
Друге протиріччя криється у внутрішній конструкції. Трубки, по яких проходить повітря, повинні мати оптимальну форму і площу перетину, щоб дотримати баланс між ефективним охолодженням (а радіатор працює краще, коли трубки плоскі і повітряний потік турбулентний) та мінімальними втратами тиску (а вони менше, коли трубки круглі в перерізі і потік ламінарний). Тут також вираховується оптимальне значення між втратами тиску і якістю охолодження.
Поки що створити інтеркулер зі 100% ефективністю (охолодження повітря до температури навколишнього середовища при збереженні тиску) не вдалося нікому. Найкраще, що пропонують конструктори – компроміс між плюсами і мінусами конструкції, що забезпечує комфортне використання пристрою, при цьому ефективність 70% вважається дуже хорошим показником.
Пристрій і принцип роботи
Конструкція інтеркулера практично така ж, як у інших радіаторів, використовуваних в автомобілі (охолодження двигуна, кондиціонера, печі). Від турбіни стисле (і гаряче) повітря надходить в радіатор інтеркулера, де охолоджується зустрічним повітряним потоком.
Інженери підрахували, що охолодження повітря, що надходить в двигун, на 10°C дає приріст потужності 3%. Хороший інтеркулер знижує температуру на 50-60°C, а це вже додає до 20% потужності до мотору.
Особливості конструкції визначають ефективність охолодження: товщина і форма повітряних каналів, кількість вигинів (що більше поворотів робить повітря, то краще воно охолоджується і то сильніші втрати тиску), матеріал і розташування сот для додаткового охолодження, розташування вхідних і вихідних патрубків і розподіл повітряних потоків в бачках.
Робоча частина інтеркулера (ядро) розрахована таким чином, щоб пропускати вздовж трубок максимальний потік зустрічного повітря. Самі трубки мають всередині пластини-турбулізатори, що практично дублюють за своєю структурою стільникові комірки між трубками. Така система сприяє завихренню повітряних потоків всередині трубок і максимальній їх тепловіддачі. Розташування сот може бути тунельного типу (покращує проходження повітря, але зменшує якість охолодження) або зі зміщенням рядів (краще охолодження, але більший опір повітряному потоку).
Інтеркулер з прямим розташуванням сот
Інтеркулер зі зміщеними сотами
Форма самих трубок теж впливає на проходження повітря. Закруглені торці зменшують опір зустрічному повітрю і покращують обдув.
Ще один фактор, який грає важливу роль при охолодженні, це розподіл повітряних потоків всередині інтеркулера. Для більш рівномірного розподілу конструктори змінюють форму бачків, часто вставляючи всередину розподільні перегородки. Від входу повітря повинне рівномірно розійтися всіма трубками, і на виході воно так само рівномірно має зібратися в вихідний патрубок.
Перегородка всередині бокового бачка (ресівера)
для рівномірного розподілу повітряного потоку
Як правило, розміри інтеркулера визначаються наявністю вільного місця, адже крім самого радіатора необхідно розмістити і товсті патрубки повітроводів. Чим більше фронтальна площа, тим краще охолодження, а ось товщина ядра великого значення не має, оскільки основна маса повітря охолоджується тільки в передній частині. Краще тонкі радіатори, дозволяють розмістити в підкапотному просторі і інтеркулер, і штатний охолоджувач двигуна.
Збалансовані технічні характеристики і визначають вартість інтеркулера. Точно вивірена конструкція, надійність і ефективність роботи вимагають і більш якісних матеріалів, і більш складних технологій виготовлення. А значить, і ціна буде вищою.
Матеріали
Абсолютна більшість интеркулеров робляться з алюмінію (і трубки, і стільники) з пластиковими або алюмінієвими бачками і патрубками. Це оптимальний варіант між вагою і тепловіддачею пристрою. У деяких випадках можна зустріти інтеркулери з міді, але це скоріше виняток з правил. Мідні радіатори використовувалися в перших турбо- автомобілях, і на сьогоднішній момент їх майже повністю замінили алюмінієві моделі.
Недоліком всіх алюмінієвих радіаторів є складний ремонт (не можна запаяти, спрацює тільки зварювання), який додатково ускладнюється дуже тонкими стінками трубок. В результаті поломки інтеркулера практично не ремонтуються.
Розташування
В більшості випадків інтеркулер розташовується фронтально, перед радіаторною решіткою. Він встановлюється перед радіатором охолодження і кондиціонера, приймаючи на себе основний повітряний потік. Або ж інтеркулер встановлюється під радіатором, і в цьому випадку система охолодження працює більш ефективно.
Переднє розміщення інтеркулера
В деяких випадках інтеркулер встановлюється над двигуном, і для обдування в капоті автомобіля передбачений спеціальний повітрозабірник.
Інтеркулер на двигуні
Ще один варіант розміщення – в бічній частині підкапотного простору за крилом, в якому також має бути повітрозабірник для ефективного охолодження радіатора.
Двигун з двома інтеркулерами,
розташованими з боків
Від того, де встановлюють інтеркулер і скільки місця для нього передбачено, залежить його площа і форма. Як правило, конструктори намагаються зробити інтеркулер максимально великим: що більша його площа, тим більше повітря він може охолодити, а значить, тим довше автомобіль може пробути на піку потужності.
Основні причини поломок
Інтеркулер ламається рідко, це досить надійна конструкція. Основними ворогами стають зовнішні пошкодження. З огляду на те, що він розташовується попереду, він часто пошкоджується камінчиками з дороги, а також при ДТП чи наїздах на глибокі вибоїни. Алюмінієва конструкція складно ремонтується, а тонкі трубки лопаються навіть від несильних ударів. Тож найчастіша причина заміни інтеркулера – зовнішні пошкодження.
Для захисту застосовують ті ж методи, що і для радіатора: встановлюється спеціальна сітка за радіаторної гратами, яка приймає на себе удари твердих предметів, а іноді і оберігає від пилу, тополиного пуху і комах (сітку почистити або замінити набагато легше!)
Друга його проблема – засмічення стільникової структури пилом, листям та іншим сміттям. Стільники забиваються і повітря не проходить крізь них. Тут можна обійтися тільки зняттям і очищенням, після чого користуватися далі.
У внутрішню частину радіатора теж потрапляє пил: навіть наявність повітряного фільтра не рятує від проникнення бруду у впускний колектор (часто фільтр пошкоджується через занадто сильного натиску повітря або вологи). Тож при очищенні робиться одночасно і промивка радіатора, при якій видаляються забруднення.
При несправній турбіни в радіатор потрапляє моторна олива (яке використовується для охолодження турбокомпресора). З інтеркулера олива потрапляє у впускний колектор двигуна, а потім і в камеру згоряння, де закоксовуються поршні і свічки запалювання. При перших ознаках оливи в інтеркулері систему потрібно перевіряти і усувати неполадки.
Ну і природне зношення, хоч і повільно, але бере своє. Через вібрації, перепади температур і тиску можуть лопнути патрубки або сам радіатор.
У разі виникнення проблем з інтеркулером двигун недоотримує кисень для повноцінної роботи. Отже, його потужність падатиме, а споживання палива - ростиме.
Цікаві рішення
Інтеркулер не обов'язково повинен бути один. На деяких автомобілях встановлюються два інтеркулера, що доцільно для V-подібних двигунів.
Для поліпшення обдування автолюбителі вдосконалюють конструкцію воздухозаборників. Наприклад, додатково ізолюють їх, щоб повітряний потік не огинав радіатор (шляхом найменшого опору), а був спрямований саме через нього.
В деяких автомобілях (наприклад, в Subaru Imreza WRX STI) для поліпшення охолодження перед інтеркулером встановлюється розпилювач, який поливає радіатор водою. Мокра поверхню остигає набагато швидше!
Рідинний інтеркулер
Порівняно рідко на автомобілі встановлюються інтеркулери з водяним (рідинним) охолодженням, в яких наддувочне повітря віддає тепло не зустрічному потоку повітря, а воді, що циркулює між трубками. Така система має свої плюси: при дуже компактних розмірах ефективність водяного інтеркулера в рази вища, оскільки вода має велику теплопровідність. Водяний інтеркулер встановлюється іноді при тюнінгу, коли немає іншої можливості охолоджувати повітря від турбіни.
Недоліком є необхідність охолоджувати воду (теплоносій), тож потрібна двоконтурна система охолодження. Чим складніше система – тим нижча її надійність, особливо це стосується тюнінгових доробок, не передбачених автовиробником. При цьому для системи використовується загальний розширювальний бачок, але окремі насоси (помпи), кожна з яких включається в міру необхідності. Може використовуватися загальний або окремі радіатори охолодження.
Двоконтурна система охолодження, контур охолодження двигуна.
1. Розширювальний бачок. 2. Зворотний клапан.
3. Радіатор пічки. 4, 5. Термостати.
6. Водяний насос. 7. Оливний радіатор.
8. Радіатор системи охолодження двигуна.
Двоконтурна система охолодження, контур охолодження наддувочного повітря.
1. Розширювальний бачок. 2. Насос охолоджувальної рідини.
3. Інтеркулер. 4. Турбіна.
5. Радіатор системи охолодження інтеркулера.
6. Дросель. 7. Зворотний клапан.
В цілому, водяний інтеркулер встановлюється рідко: доробка системи охолодження вимагає точних розрахунків.
Крім поліпшення динамічних характеристик двигуна і економії палива, інтеркулер ще і продовжує термін служби турбіни, захищаючи від перегріву.
Про те, як правильно вибрати інтеркулер, читайте наш "Гід покупця".