Chłodzenie powietrza doładowującego – Intercooler

Każdy nowoczesny silnik diesla posiada układ doładowania, co spowodowane jest koniecznością spełnienia norm emisji spalin z jednoczesnym zachowaniem pożądanych na rynku (na którym de facto nie brakuje konkurencji) właściwości silnika. Turbosprężarka nie obniża produkcji spalin (zwiększona ilość powietrza w komorze spalania pozwala na dokładniejsze spalenie oleju napędowego i przez to zmniejszenie ilości trujących związków, jednak ilość spalin pozostaje taka sama – prawo zachowania masy), co więcej okazało się, że jeśli do silnika tłoczy się powietrze o wysokiej temperaturze, to podnosi się temperatura środowiska pracy silnika, co nie tylko niekorzystnie wpływa na jego żywotność, ale również na produkcję najbardziej trujących związków w gazach wydechowych, w wysokim ciśnieniu i temperaturze środowiska pracy silnika powstaje znacznie więcej tlenków azotu niż w przypadku kiedy temperatura jest niższa. Dlatego bezpośrednią wypadkową, zwłaszcza w silnikach o dużej mocy i dużym zapotrzebowaniu na powietrze z układu doładowania okazała się międzystopniowa chłodnica powietrza, czyli intercooler.

1. Intercooler – co to jest?

Intercooler jest chłodnicą, czyli wymiennikiem ciepła zbudowanym głównie z aluminium cechującym się doskonałą przewodnością cieplną – było to niezbędne w uzyskaniu odpowiednich wyników jej pracy, ponieważ jest to chłodnica chłodzona przepływem powietrza. Ze względu na fakt niewykorzystania w konstrukcji intercoolera żadnej cieczy chłodzącej (chłodzone cieczą chłodnice to chłodnica oleju i chłodnica EGR), materiał, z którego wykonany jest intercooler musi być jak najlepszym przewodnikiem ciepła, aby przepływ powietrza na zewnątrz chłodnicy mógł chłodzić układ z odpowiednią skutecznością. Również istotną rolę w skuteczności pracy intercoolera odgrywa jego położenie. Większość samochodów ma intercooler umieszczony w przedniej części samochodu, tak aby, jak najlepiej wykorzystać pęd powietrza. Koniecznością stało się również pogodzenie odpowiedniej lokalizacji intercoolera i dostępnego miejsca, dlatego niektóre chłodnice międzystopniowe wykorzystują bardzo innowacyjne rozwiązania, niespotykane nigdzie indziej, jak zraszanie wodą w silnikach 4.2 Mercedesa czy wlot powietrza na masce, które chłodzi intercooler w Subaru Imprezie.

2. Czy intercooler jest niezbędny?

Aby uzyskać poziomy emisji spalin w akceptowalnym pułapie niestety intercooler jest niezbędny. Jest to tak istotne urządzenie, że aby uzyskać pełną wydajność, zwłaszcza w dużych silnikach, niekiedy stosowano więcej, niż jedną chłodnicę. Obniżanie temperatury powietrza tłoczonego do silnika zapewnia uzyskanie optymalnych warunków pracy w silniku, jednak jednocześnie nie wolno tej temperatury obniżyć zanadto, aby nie spadły osiągi silnika z turbo. W silnikach wyposażonych w doładowanie turbosprężarkowe intercooler jest bardzo częstym widokiem, nieco rzadszym w silnikach doładowywanych przez kompresor, jednak tarcie tłoczonego powietrza w przypadku bardzo mocnych kompresorów sprawia, że niekiedy taka chłodnica jest niezbędna również przy kompresorze mechanicznym. Warto tu nadmienić, że koniecznie o stan intercoolera trzeba zadbać, ponieważ w przypadku uszkodzenia intercoolera konsekwencje może nie są poważne, ale "powikłania" mogą przyprawić o nie lada problem.

3. Co może się zepsuć w intercoolerze?

W samym intercoolerze, chłodnicy złożonej z rurek aluminiowych o dużej powierzchni a niewielkim prześwicie, niewiele, jednak problemy mogą dotknąć połączeń między turbosprężarką a intercoolerem oraz między intercoolerem a dolotem w silniku. Połączenia te wykonane są zazwyczaj z elastomerów, rzadziej z metalu i jeśli intercooler pracuje w naszym silniku już od dłuższego czasu, może dojść do zużycia materiału, z jakiego wykonanego są połączenia, tak zwanego parcenia gumy i mogą pojawić się nieszczelności. Innym przykładem są zużycia samego intercoolera, które wiążą się z niebezpieczeństwem rozerwania intercoolera, zwłaszcza w silnikach diesla, których turbosprężarki rzadko wyposażone są w zawór upustowy blow off valve. Jeśli ciśnienie w intercoolerze wzrośnie za bardzo, nadwyrężone kanały chłodnicy mogą takiego ciśnienia nie wytrzymać. Bezpośrednio połączona z turbiną chłodnica jest wrażliwa również na uszkodzenia turbosprężarki. Jeśli uszkodzeniu uległy uszczelnienia dynamiczne w turbosprężarce i do intercoolera tłoczony jest olej silnikowy, może on doprowadzić do poluzowania się połączeń intercoolera z silnikiem i z turbosprężarką, dlatego też stan turbo jest bardzo ważny dla bezusterkowej pracy intercoolera.

4. Jakie są objawy uszkodzenia intercoolera?

Głównymi objawami uszkodzenia intercoolera jest pojawienie się dymienia na czarno oraz niezwykłe dźwięki pochodzące spod maski samochodu, na przykład nieuzasadnione syczenie, zwłaszcza przy zwiększaniu prędkości obrotowej silnika. Sytuacja taka ma miejsce zwłaszcza przy utracie uszczelnienia w przewodach łączących. Z kolei dymienie wywołane jest poprzez niewłaściwą dawkę paliwa do powietrza dostarczanego do silnika. Zadana ilość paliwa potrzebuje odpowiedniej ilości powietrza i jeśli na trasie między turbosprężarką a komorą spalania w silniku są straty tego tłoczonego powietrza, to w komorze spalania będzie go brakować, a spalanie będzie przebiegać niecałkowicie i powstaną znaczne ilości czarnego dymu. Jest to jednocześnie informacja dla osoby eksploatującej silnik, że wymagana jest ingerencja w stan układu doładowania.

Jakie jest więc główne zadanie chłodnicy międzystopniowej?

Z głównych zadań intercoolera na pierwszym miejscu do wymienienia jest zmniejszenie emisji NOX w spalinach. Niekorzystny bilans termiczny, wynikający z emitowania przez pracujący silnik spalinowy temperatury, wymusza zastosowanie intercooler, który ma za zadanie chłodzić powietrze zasilające jednostkę napędową. Miejsce montażu intercooler’a może być różne, podobnie jak układ dolotowy. Niektórzy producenci stosowali dodatkowo natrysk wody na powierzchnię czynną intercooler’a w celu lepszego chłodzenia powietrza. Takie rozwiązanie spotykane było w seryjnych odmianach Mitsubishi Lancer EVO VI a także Subaru Impreza STI. Obaj producenci umieścili swoje intercoolery w innych miejscach. Subaru instaluje chłodnicę powietrza nad silnikiem, tłumacząc to lepszymi parametrami przepływu czynnika, który możliwy jest przez wlot na pokrywie silnika.

Intercooler w Subaru Impreza STI:




Odmienną koncepcją chłodnicy powietrza doładowującego jest zastosowanie intercooler wodnego. Rozwiązanie takie zastosował Mercedes w modelu S 420 CDI. Ładunek powietrza zostaje wstępnie sprężony w układzie BiTurbo, a potem przepływa przez umieszczoną z przodu silnika wodną chłodnicę, która jest podłączona do układu chłodnicy niskiej temperatury. W rozwiązaniu BiTurbo Mercedes zastosował wspólny dla obu rzędu cylindrów kolektor dolotowy.

Zamontowana tuż za intercoolerem przepustnica sterowana elektroniczne ma za zadanie sterować napływem schłodzonego ładunku do kolektora dolotowego, jednocześnie współpracując z układem recyrkulacji powietrza – AGR. Dzięki zastosowaniu wymiennika ciepła powietrze-woda, uzyskano zwiększenie gęstości sprężonego powietrza o około 25% przy pełnym obciążeniu silnika.

Dwie chłodnice sprężonego powietrza w silniku Audi 4.2 TDI: