Chłodzenie powietrza doładowującego

Tendencja do zwiększania mocy silników oraz do downsizingu prowadzi do coraz większego udziału silników z turbodoładowaniem w samochodach osobowych, przy czym powietrze doładowujące jest z reguły chłodzone. Uzyskana w ten sposób większa gęstość powietrza doładowującego powoduje wzrost mocy i sprawności silnika. Rośnie jednak nie tylko popularność silników z doładowaniem. Ze względu na dążenie do obniżenia zużycia paliwa i poziomu emisji zwiększają się także wymagania w zakresie wydajności układów chłodzenia powietrza doładowującego. Mogą one być spełnione przez chłodzenie powietrza doładowującego płynem chłodzącym zamiast powietrzem. 

Jednak ze względu na koszty technologia ta była wcześniej stosowana tylko w segmencie droższych samochodów osobowych. Nowe rozwiązania pozwalają również regulować chłodzenie powietrza doładowującego. Dzięki temu jest możliwe obniżenie emisji związków NOx oraz HC, przy równoczesnej poprawie skuteczności oczyszczania spalin. 

Oprócz zwiększenia wydajności chłodzenia, w  zakresie chłodzenia powietrza doładowującego dochodzi dodatkowe wymaganie: ustalenie temperatury powietrza zasilającego silnik poprzez regulację chłodzenia powietrza doładowującego. 

Ustalanie temperatury staje się konieczne ze względu na wciąż rosnące wymagania związane z oczyszczaniem spalin. Temperatura powietrza doładowującego odgrywa przy tym ważną rolę. Chłodzenie powietrza doładowującego płynem chłodzącym przynosi istotne korzyści również w pojazdach użytkowych.

Rodzaje:
Chłodzenie powietrzem i płynem, bezpośrednio i pośrednio.

Zadanie:
Zwiększenie mocy silnika przez zwiększenie gęstości powietrza doładowującego (więcej powietrza do spalania, wyższa zawartość tlenu).

Właściwości:

• większa dynamiczna wydajność chłodzenia
• wyższa sprawność silnika dzięki zwiększeniu gęstości powietrza doładowującego
• niższa temperatura spalania, zapewniająca lepsze wartości emisji spalin
• zmniejszenie zawartości tlenków azotu w zakresie od -40 °C do 160 °C
• Ciśnienie kontrolne = 20 bar przy ciśnieniu rozrywającym 50 bar

Wzrost wydajności uzyskany dzięki zastosowaniu nowej koncepcji wstępnego i pośredniego chłodzenia powietrza doładowującego jest widoczny w porównaniu z dominującymi obecnie kompaktowymi oraz wydajniejszymi płaskimi chłodnicami powietrza doładowującego:

• Chłodzenie powietrza doładowującego jest znacznie lepsze;
• a  przy pośrednim chłodzeniu powietrza doładowującego znacznie zmniejsza się spadek ciśnienia powietrza doładowującego.

Rosnące obciążenia ciśnieniowe i termiczne chłodnic powietrza doładowującego wymagają stosowania nowych konstrukcji i nowych materiałów kraty chłodnicy oraz skrzynek powietrznych.  W samochodach osobowych powietrze doładowujące na wlocie chłodnicy ma obecnie temperaturę sięgającą nawet 150 °C i ciśnienie 2,2 bar. W przyszłości wartości temperatury i ciśnienia wzrosną do 200 °C i nawet 3 bar. Aby sprostać temu wyzwaniu, skrzynki powietrzne są produkowane z tworzyw sztucznych o dużej wytrzymałości termicznej.  Alternatywnie produkowane są chłodnice powietrza doładowującego wraz ze skrzynkami powietrznymi, wykonane w całości z aluminium.

W przypadku pojazdów użytkowych przewidywane obciążenia są jeszcze większe. W stosunku do obecnych wartości 200 °C i  3 bar, w wyniku niższych wartości granicznych emisji wg normy EURO-5, przewiduje się odpowiednio wzrost temperatury nawet do 260 °C i ciśnienia do 4 bar. W następstwie zmian konstrukcyjnych chłodnic powietrza doładowującego, poziom naprężeń występujących przy obciążeniu ciśnieniowym zostaje obniżony na tyle, że bez problemu możliwe jest uzyskanie wytrzymałości na zwiększone obciążenia. Dzięki swej kompaktowej konstrukcji, chłodnica powietrza doładowującego z płynem chłodzącym oferuje dodatkowe możliwości zwiększenia wytrzymałości.