Интеркулер на дизеле: что это такое и зачем он нужен

Интеркулер на дизеле — это охладитель наддувочного воздуха, то есть теплообменник между турбокомпрессором и впускным коллектором. Он остужает воздух, который нагрелся при сжатии. Нужен он потому, что при постоянном давлении плотность воздуха обратно пропорциональна его абсолютной температуре. При отношении давлений 2 воздух после компрессора нагревается примерно до 104 °C. Если охладить его до 40 °C при том же давлении, в каждом литре заряда окажется на 20 % больше воздуха, а значит, и кислорода для сгорания солярки. Интеркулер бывает только на двигателях с наддувом, у атмосферного дизеля его нет. Если интеркулер или патрубок после турбины пробит, часть сжатого воздуха уходит наружу, цилиндры недополучают воздух, и двигатель теряет тягу. Будет ли к этому чёрный дым под нагрузкой, зависит от топливной аппаратуры. Механический ТНВД без корректора по наддуву подачу не уменьшает, и дизель дымит. Корректор по наддуву или блок управления урезают подачу вслед за давлением, и тогда главным признаком остаётся потеря тяги.

Что такое интеркулер и где он стоит

В Википедии интеркулер определён как элемент системы агрегатного наддува, который охлаждает наддувочный воздух. По конструкции это воздухо-воздушный или жидкостно-воздушный теплообменник, и стоит он после компрессора, но до впускного коллектора («Интеркулер», Википедия).

Путь воздуха в турбодизеле такой: воздушный фильтр, компрессор турбины, патрубок, интеркулер, патрубок, впускной коллектор, цилиндры. На грузовиках и тракторах воздушный интеркулер обычно стоит перед радиатором системы охлаждения, в набегающем потоке. Поэтому его соты первыми собирают пыль, мошку и тополиный пух.

Интеркулер не стоит путать с двумя соседними теплообменниками. Радиатор системы охлаждения отводит тепло от охлаждающей жидкости двигателя. Охладитель рециркуляции остужает отработавшие газы, которые клапан EGR возвращает во впуск. Почему этот второй контур зарастает сажей, разобрано в статье «Клапан ЕГР на дизеле». Через интеркулер идёт только свежий воздух после компрессора.

Зачем охлаждать воздух: расчёт по уравнению Менделеева — Клапейрона

Плотность газа определяется уравнением состояния: ρ = p·M / (R·T). Здесь p — абсолютное давление, M — молярная масса воздуха (0,029 кг/моль), R — газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)), T — абсолютная температура в кельвинах. При постоянном давлении плотность меняется обратно пропорционально T. Поэтому важна температура, отсчитанная от абсолютного нуля, а не от нуля по Цельсию. Остывание со 104 до 40 °C сокращает абсолютную температуру с 377 до 313 К, то есть в 1,2 раза.

Отправная точка расчёта — пример из той же статьи Википедии: при начальной температуре 20 °C и отношении давлений 2 воздух после сжатия имеет около 104 °C. Абсолютное давление в расчёте 202,65 кПа, что вдвое выше атмосферного.

Для сравнения: атмосферный воздух при 20 °C и 101,325 кПа имеет плотность 1,20 кг/м³.

Из таблицы видно главное. Турбина, которая удвоила давление, без охлаждения увеличивает массу воздуха в цилиндре не в 2 раза, а только в 1,55 раза: остальное съедает нагрев при сжатии. Интеркулер возвращает часть этого выигрыша. Двукратного прироста можно достичь, только если остудить воздух до температуры улицы, а теплообменник, который сам охлаждается уличным воздухом, до неё не дотягивает. Правило из Википедии сходится с расчётом: около 50 °C каждые 10 °C нагрева при постоянном давлении снижают плотность примерно на 3 %.

Кислород для дизеля — это ресурс сгорания. Топливо, которому в цилиндре не хватило кислорода, не догорает и выходит сажей. Как дизель работает с запасом воздуха и почему даже на бедной смеси часть солярки не догорает, разобрано в статье «Принцип работы дизельного двигателя».

Есть и второе следствие. Чем горячее заряд на входе, тем выше температура в конце сжатия и в зоне горения. Оксиды азота образуются из азота воздуха, и главный фактор их выхода — именно температура. Поэтому охлаждение наддувочного воздуха работает в одну сторону с нормами на выбросы NOx.

Воздушный и жидкостный интеркулер

Воздушная схема устроена как радиатор, только внутри трубок идёт не охлаждающая жидкость, а сжатый воздух. Отдельного контура с насосом и жидкостью у неё нет: всё охлаждение идёт через соты, поэтому грязь на них прямо снижает отвод тепла.

Про жидкостную схему в Википедии сказано, что на тепловозах и дизельных электростанциях воду низкотемпературного контура охлаждают воздушными радиаторами, а на судах — забортной водой. Для таких аппаратов есть отдельный стандарт: ГОСТ 10598-82 распространяется на водовоздушные рекуперативные охладители наддувочного воздуха судовых, тепловозных и промышленных дизелей и газовых двигателей. Стандарт делит их на три типа по устройству охлаждающего элемента: трубы с винтовым или ленточным оребрением, трубы с пластинчатым оребрением и элемент из профильных пластин.

Что происходит при пробое: тяга, дым, нагар

При трещине в интеркулере или слетевшем патрубке под нагрузкой часть сжатого воздуха уходит в атмосферу. Давление во впускном коллекторе не выходит на расчётное, и масса воздуха в цилиндре падает. Тяга падает при любой топливной аппаратуре. Дым зависит от того, что в этот момент происходит с подачей топлива.

Назначение корректора описано в глоссарии производителя двигателей Kubota. Это устройство турбодвигателя, которое регулирует количество впрыскиваемого топлива в зависимости от давления наддува. При низком наддуве, например на резком разгоне, он подавляет лишнюю подачу, чтобы не было чёрного дыма, а при высоком даёт достаточно топлива для полной мощности (Boost compensator, Kubota Engine). Пневматический корректор получает давление из впускного коллектора, поэтому к насосу от коллектора идёт трубка. Если её нет, подача по наддуву не корректируется.

Как блок управления ограничивает подачу при нехватке наддува и как по режиму, на котором дымит дизель, отличить утечку наддува от износа форсунок, разобрано в статье «Чёрный дым из выхлопной трубы дизеля». Сажа, которая не вылетела в трубу, оседает внутри двигателя: на распылителях, в камере сгорания, на клапанах. Где именно и как это выглядит, показано в статье «Нагар в дизельном двигателе». На машине с сажевым фильтром лишняя сажа ложится в фильтр и учащает регенерации. Об этом статья «Сажевый фильтр на дизеле».

Как проверить интеркулер

Проверка идёт от простого к сложному:

1. Считать ошибки блока управления, если он есть: давление наддува, расход воздуха. Они сразу показывают, что воздух теряется между турбиной и коллектором.
2. Осмотреть тракт после турбины: патрубки, хомуты, стыки с интеркулером. Под нагрузкой пробой бывает слышен как свист или шипение, а у места утечки остаются масляные следы.
3. Осмотреть соты снаружи. Забитые грязью или смятые соты не дают утечки, но хуже отводят тепло, и воздух приходит в коллектор горячее. Последствия видны в таблице плотности выше.
4. Опрессовать интеркулер снятым или прямо в тракте: заглушить выход, подать сжатый воздух и проверить, держит ли он давление. Трещину в сотах на глаз часто не видно.
5. Если внутри много масла, проверить турбину и давление картерных газов. Масляный туман приходит во впуск из системы вентиляции картера и через уплотнения вала турбины. Плёнка на стенках встречается и на исправном двигателе, а лужа в нижнем бачке говорит о том, что масла приходит больше, чем должно.

Тягач работает под полной нагрузкой большую часть рейса, поэтому утечка наддува проявляется на нём сразу: в подъём, с полуприцепом, на обгоне. О том, как оборудование ВГА подбирают для грузовой техники, рассказано на странице водородной установки на грузовик.

Вопросы владельцев турбодизелей

Есть ли интеркулер на любом дизеле? Нет. Он стоит только на двигателях с наддувом, потому что охлаждает воздух, нагретый в компрессоре. У атмосферного дизеля воздух в коллектор идёт без сжатия, и охлаждать его незачем.

Будет ли чёрный дым, если пробит интеркулер? Тяга упадёт в любом случае. Дым зависит от топливной аппаратуры. Механический ТНВД без корректора по наддуву продолжает подавать прежнее количество топлива при меньшем количестве воздуха, и под нагрузкой дизель дымит. Корректор по наддуву или блок управления урезают подачу вслед за давлением, и на первый план выходит потеря тяги.

Почему в интеркулере масло? Во впуск попадает масляный туман из вентиляции картера и через уплотнения турбины. Тонкая плёнка на стенках встречается и на исправном двигателе. Если же масло стоит лужей или течёт из патрубков, проверяют люфт вала турбины и давление картерных газов.

Насколько холодный воздух лучше горячего? При постоянном давлении плотность обратно пропорциональна абсолютной температуре. При отношении давлений 2 охлаждение со 104 до 40 °C даёт на 20 % больше воздуха в том же объёме: 2,25 кг/м³ вместо 1,87 кг/м³.

Чем интеркулер отличается от охладителя EGR? Через интеркулер идёт свежий воздух после компрессора. Охладитель рециркуляции остужает отработавшие газы, которые клапан EGR возвращает во впуск. Поэтому интеркулер изнутри обычно покрыт только масляной плёнкой, а охладитель EGR зарастает сажей.

Что делать дальше

Интеркулер — расходная часть тракта наддува, и проверять его нужно вместе с патрубками и хомутами. При потере тяги под нагрузкой начинают с ошибок блока управления и опрессовки тракта, а при масле внутри — с турбины. Пробитый интеркулер устраняют только ремонтом или заменой.

Если двигатель исправен и вы подбираете оборудование для дизельной техники, посмотрите, как работает водородный генератор ВГА на дизеле: это разобрано в статье «Водородный генератор на дизель». Модель подбирают по объёму двигателя и виду техники, варианты показаны в блоке подбора ниже, а модели и цены собраны на отдельной странице. Окупаемость для вашего пробега посчитает менеджер по заявке.