Конструкции с двумя охладителями

Конструкции с двумя охладителями

Если пространства слишком мало и компромисс между сохранением интенсивности потока и теплоотдачей недостижим, тогда к решению проблемы нужно подходить с другой стороны. Мы можем использовать либо два воздушных охладителя, либо объединить воздушный и водяной охладители. Если вы планируете использовать два воздушных промежуточных охладителя, рассмотрите все возможные варианты. Часто их устанавливают перед передними или задними шинами в зависимости от расположения двигателя, но может быть и более выгодное положение, например, вертикально установленный промежуточный охладитель с горизонтально установленным промежуточным охладителем и радиатором (рис.10.5). На турбированных двигателях с небольшим промежуточным охладителем, установленным над двигателем, дополнительный промежуточный охладитель можно установить перед радиатором. Еще одно альтернативное решение для автомобилей со свободным пространством – между передней частью кузова автомобиля и радиатором, но, если передняя часть кузова заострена, что значительно ограничит размер промежуточного охладителя, необходимо использовать шахматное расположение промежуточных охладителей (см.рис.10.6).

Рис. 10.5. Два промежуточных охладителя можно расположить следующим образом.

Рис. 10.6. Когда промежуточные охладители расположены в шахматном порядке, воздуховоды для охлаждения потока воздуха необходимо располагать очень осторожно и точно.

Достаточно сложно сказать, какая из конструкций будет оптимальной. Если мы устанавливаем промежуточные охладители с серийных турбированных двигателей, интенсивность потока не будет слишком высокой, поэтому в таком случае лучше всего не подсоединять их последовательно, так как при этом впускной заряд будет проходить сначала через один промежуточный охладитель, а затем через второй. Лучше разделить впускной заряд, чтобы он попадал в два промежуточных охладителя одновременно, а затем снова соединить поток перед впускным коллектором, чтобы обеспечить тщательное размешивание. Если один промежуточный охладитель не будет охлаждать впускной заряд так же эффективно, как второй, и этот впускной заряд будет попадать в определенные цилиндры, очень скоро в них начнется детонация.

Однако, если места для установки трубопроводов предостаточно, в некоторых случаях можно достичь оптимизации теплоотдачи без значительных потерь интенсивности потока, направив впускной заряд сначала через один промежуточный охладитель, а затем через другой. Частично это тот случай, когда можно совместить воздушный и водяной промежуточные охладители.

Рассуждение о толщине сердечника промежуточного охладителя

На этом этапе некоторые могут спросить: «Зачем устанавливать два промежуточных охладителя в шахматном порядке, если намного проще просто поместить их рядом, один перед другим?». Тут важно помнить, что воздух, перемещаясь по промежуточному охладителю, забирает тепло. Следовательно, его температура повышается, поэтому он не сможет так эффективно отводить тепло впускного заряда в задней части охладителя, как в передней. К тому же ребра между трубопроводами, способствуя отводу тепла, затрудняют прохождение воздуха через сердечник. На самом деле, если сердечник радиатора будет слишком плотным, поток впускного заряда может быть заблокирован, и не забывайте, что часто есть еще водяной радиатор и, возможно, конденсор системы кондиционирования за промежуточным охладителем.

Если вы хотите проверить это на практике в мастерской, установите хороший вентилятор перед радиатором и зафиксируйте длинную узкую ленту за радиатором. При этом необходимо обратить внимание на то, как она реагирует на поток воздуха через сердечник. Теперь объедините три радиатора вместе и убедитесь, что циркуляция воздуха значительно уменьшится, то есть лента будет двигаться очень медленно. Однако стоит прикрепить ленту вверху, внизу или на одной из сторон, и она «взлетит». На самом деле сердечник практически перекрыл поток воздуха, поэтому он остановился перед первым радиатором и обошел его по краям. Позже мы поговорим о правильном направлении труб, но даже при соответствующем расположении воздуховодов, если воздух будет перемещаться слишком быстро, поток может быть заблокирован.

Также, когда дело доходит до выбора толщины сердечника промежуточного охладителя, мы не должны упускать из вида тот факт, что охлажденный воздух забирает меньше тепла, а интенсивность потока снижается при увеличении толщины сердечника охладителя. Поэтому по возможности ограничьте толщину сердечника до 63 мм в автомобилях, оснащенных сердечником радиатора от 76 до 100 мм, или в любом серийном автомобиле, оснащенном конденсором системы кондиционирования, установленным за промежуточным охладителем. Только если промежуточный охладитель установлен отдельно, можно использовать сердечник толщиной 89 мм. Но даже тогда необходимо помнить, что задняя часть сердечника будет охлаждать впускной заряд только на одну треть. В любом случае толщина сердечника не настолько важна в водяных промежуточных охладителях, если охладитель погружен в воду (водяная рубашка), так как вода почти в 12 раз эффективнее, чем воздух, если говорить о снижении температуры впускного заряда. Если конструкция работает по обратному принципу, когда вода протекает через трубопроводы, а впускной заряд циркулирует вокруг сердечника, лучше избегать сердечников глубиной более 152 мм, чтобы не снижать интенсивность потока.

На разборке можно найти большое количество небольших малоэффективных промежуточных охладителей, которые никому не нужны. Однако, соединив два охладителя вместе, предварительно изготовив подходящие верхний и нижний бачки, можно добиться увеличения интенсивности потока в два раза, а также увеличить эффективность теплоотдачи.

Требования относительно площади трубопроводов

Как только мы выяснили необходимую толщину сердечника, мы можем приступить к расчетам необходимой площади трубопроводов, чтобы обеспечить низкое сопротивление движению потока впускного заряда. Если длина трубопровода составляет 203–304 мм, необходимо обеспечить площадь примерно в 51см³ на 100 л.с. в промежуточных охладителях с балками и пластинами, если плотность турбулизаторов достаточно высока. Для промежуточных охладителей с трубопроводами и ребрами, где плотность турбулизаторов ниже, площадь должна составлять около 32 см³ на 100 л.с. Однако запомните, что по мере увеличения длины трубопровода площадь потока также должна возрастать.

Поэтому, если вы планируете установить промежуточный охладитель в легковом автомобиле мощностью 400л.с., оснащенном системой кондиционирования, площадь трубопроводов охлаждения должна составить 206,5 см³. Если толщина сердечника составляет 63,5 мм, ширина промежуточного охладителя около впускного воздушного отверстия составит 716 мм (206,5 х 2,2 / 63,5 = 7,16 см = 716 мм). А если бы толщина сердечника составляла 89мм, мы бы получили следующее значение ширины: 89 х 2,2 / 89 = 5,11 см = 511 мм.

Если у вас есть доступ к гидростенду, данные могут быть более точными. На глубине 76,2 мм пропускная способность промежуточного охладителя должна составлять примерно 0,85 м³/мин на 100 л.с. в гоночном автомобиле. При этом значение должно понижаться до 0,65 м³/мин при высоком давлении наддува, когда снижение температуры впускного заряда более важно, чем интенсивность потока впускного заряда. Если значения будут еще ниже, стоит спросить себя, нужно ли увеличивать давление наддува, чтобы компенсировать ограничение интенсивности потока. Не стоит устанавливать большой промежуточный охладитель, если при этом давление наддува будет снижаться.

Оптимизация интенсивности потока и эффективности

Конечно же, не только размер и количество трубопроводов определяют пропускную способность и тепловой КПД. Другие факторы также стоит учитывать. Например, мы можем улучшить интенсивность потока в трубопроводах, сформировав закругленное впускное отверстие. Некоторые механики экспериментировали с конусными отверстиями, но они обеспечивали не более 1% увеличения интенсивности потока по сравнению сдругими более дешевыми и простыми конструкциями. На рис. 10.7 показана возможность увеличения интенсивности потока на 5–7% посредством крепления половины сечения трубы между каждым трубопроводом. Если вас беспокоит вес, в таком случае трубу с круглым сечением можно разрезать пополам и припаять на место, вместо того чтобы использовать целую полосу алюминия. Как только отрезок будет припаян на место, осторожно согните трубы по окружности.

Рис. 10.7. Сопротивление потока в промежуточном охладителе уменьшится, если отверстия будут закруглены.

Возможно, еще больший потенциал для оптимизации заключен в конструкции бачков по краям промежуточного охладителя. В данном случае неправильный подход может негативно сказаться на интенсивности потока воздуха и эффективности промежуточного охладителя. Здесь необходимо думать прежде всего о равновесии интенсивности потока впускного заряда в каждом трубопроводе. Учтите, что снижение интенсивности потока будет значительным в трубопроводах, пропускающих большие объемы воздуха. Также, так как объем будет выше, а поток будет двигаться быстрее, эти трубопроводы будут забирать меньше тепла.

Промежуточный охладитель автомобиля Nissan Skyline GT-R оснащен отлично сконструированными бачками по краям.

В некоторых типах конструкции промежуточных охладителей в передней части трубопроводы обладают большей пропускной способностью (рис. 10.8). Одним из способов увеличения пропускной способности трубопроводов, если промежуточный охладитель очень высокий (споперечным потоком воздуха) или очень широкий (с нисходящим потоком воздуха), является изменение конструкции впускного трубопровода, чтобы он сужался при входе в бак, а также установка дополнительной пары дефлекторов, чтобы увеличить интенсивность потока по краям бака.

Рис. 10.8. Дефлекторы балансируют интенсивность потока впускного заряда между трубопроводами, оптимизируя пропускную способность промежуточного охладителя и теплоотвод.

Распространенной проблемой в широких промежуточных охладителях с нисходящим потоком является то, что впускной трубопровод соединяется с баком в боковой части, при этом нет возможности сбалансировать поток между трубопроводами (рис. 10.9). Эту проблему можно устранить следующими способами. Если это конструкция с двумя турбокомпрессорами на V-образном двигателе, я бы предпочел добавить еще одно впускное отверстие с противоположной стороны, а также установил бы разделительную пластину в центральной части бака, чтобы разделить промежуточный охладитель на две секции с одним общим выпускным отверстием. Затем я добавил бы дефлектор на оба впускных отверстия, чтобы разделить верхний бак на четыре секции.

Рис.10.9. Чтобы увеличить интенсивность потока и сбалансировать его.

Если конструкция оснащена одним впускным отверстием, верхний впускной бак можно разделить на две или три секции в зависимости от ширины промежуточного охладителя. Если ширина промежуточного охладителя не превышает 457 мм, я бы предпочел использовать один дефлектор, но при ширине промежуточного охладителя более 508мм рекомендуется использовать два дефлектора.

Также обратить внимание следует на угол, под которым впускная или выпускная труба соединяется с краем бака. Не стоит допускать соединений под острым углом. Это негативно влияет на интенсивность потока и создает целый ряд проблем с распределением потока (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Необходимо избегать острых углов при подсоединении труб.