Ψυγείο αέρα (Intercooler)

Βενζινοκινητήρας με σύστημα υπερπλήρωσης – Intercooler

Ο ατμοσφαιρικός αέρας που διέρχεται από το φίλτρο αέρα έχει μία θερμοκρασία 20° έως 30°C (θερμοκρασία περιβάλλοντος) και πίεση 1 bar. Η θερμοκρασία αυτή του εισερχόμενου αέρα παραμένει η ίδια, μέχρι την είσοδο του στον συμπιεστή. Στην έξοδο του συμπιεστή (στο χρόνο της εισαγωγής), ο εισερχόμενος αέρας έχει αποκτήσει την επιθυμητή πίεση π.χ. 1.5 bar, αλλά και μία θερμοκρασία 100-120°C περίπου. Τα καυσαέρια τα οποία εξέρχονται από τον κύλινδρο και προσπίπτουν στην τουρμπίνα του υπερσυμπιεστή, έχουν μεγάλη πίεση 2 bar περίπου και θερμοκρασία 900-950°C. Η θερμοκρασία εξόδου από την τουρμπίνα, είναι 800°C περίπου, ενώ η πίεση εξόδου είναι η ατμοσφαιρική (1 bar περίπου). Αυτό την παραπάνω σύντομη περιγραφή φαίνεται ότι αν και ο εισερχόμενος αέρας έχει χαμηλή θερμοκρασία εισόδου πριν το συμπιεστή, η θερμοκρασία αυτή αυξάνει υπερβολικά και αυτό δημιουργεί ένα πρόβλημα. Ο αέρας που θερμαίνεται, διαστέλλεται, αυξάνει ο όγκος του και ουσιαστικά εισάγεται λιγότερο οξυγόνο στους κυλίνδρους.

Σύστημα διπλού υπερσυμπιεστή και ψυγείου αέρα- Intercooler

Η θερμοκρασία του εισερχόμενου αέρα, αυξάνεται για διάφορους λόγους:

• Ο σημαντικότερος λόγος είναι η σύγκρουση μορίων του αέρα την ώρα της συμπίεσης και η έκλυση θερμικής ενέργειας.
• Ένας άλλος λόγος είναι η υψηλή θερμοκρασία των καυσαερίων και η μικρή απόσταση της τουρμπίνας (μέσω της οποίας διέρχονται τα καυσαέρια) από τον συμπιεστή.
• Η μετάδοση της θερμότητας από την τουρμπίνα προς τον συμπιεστή μέσω του άξονα, αλλά και του κελύφους του υπερσυμπιεστή επηρεάζει την τελική θερμοκρασία του εισερχόμενου αέρα.

Όλοι οι παραπάνω λόγοι επιβάλλουν τη χρησιμοποίηση ενός μηχανισμού, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να μειώνει τη θερμοκρασία εισόδου του εισερχόμενου αέρα. Ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται μέχρι σήμερα, είναι το intercooler ή πιο απλά ένα ψυγείο του εισερχόμενου αέρα.
Το intercooler σαν λέξη δεν μπορεί να αποδοθεί με ακρίβεια στην Ελληνική γλώσσα. Σαν έννοια όμως μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι ένας εναλλάκτης θερμότητας κάποιου ρευστού (υγρού ή αέρα). Ουσιαστικά πρόκειται για ένα ψυγείο του συμπιεσμένου αέρα, που πρόκειται να εισαχθεί στους θαλάμους καύσης και το οποίο τοποθετείται αμέσως μετά τον υπερσυμπιεστή. Όπως είναι γνωστό, όταν συμπιέζεται ένα αέριο αυξάνεται η θερμοκρασία του, διαστέλλεται και αυξάνει ο όγκος του. Ο συμπιεσμένος αέρας που εξέρχεται από τον υπερσυμπιεστή, έχει πολύ μεγάλο όγκο και δεν μπορεί να εισαχθεί αρκετή ποσότητα οξυγόνου στους χώρους καύσης. Προκύπτει επομένως η ανάγκη ψύξης του συμπιεσμένου αέρα ώστε να μειωθεί ο όγκος του. Η ψύξη αυτή επιτυγχάνεται με το Intercooler. O συμπιεσμένος αέρας αναγκάζεται να περάσει μέσα από το ψυγείο του Intercooler, με αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας του. Για παράδειγμα σ’ ένα πετρελαιοκινητήρα φορτηγού, η θερμοκρασία μειώνεται από τους 150° περίπου στους 50° C. Η μάζα του αέρα συμπυκνώνεται, ο όγκος του μικραίνει και τελικά εισάγεται περισσότερος αέρας άρα οξυγόνο, στους χώρους καύσης, επιτυγχάνοντας καλύτερη καύση.

Σχηματική διάταξη κυκλώματος intercooler

Όταν ο κινητήρας λειτουργεί σε υψηλές στροφές και κλείσει η πεταλούδα του γκαζιού απότομα, κατά την επιβράδυνση του αυτοκινήτου, η πίεση πλήρωσης παράγει μία δυναμική πίεση μέσα στο κύκλωμα εισαγωγής του αέρα. Η δυναμική αυτή πίεση επιβραδύνει απότομα τον υπερσυμπιεστή και μειώνει τις στροφές του. Όταν το αυτοκίνητο επιταχύνει ξανά και ανοίξει η πεταλούδα γκαζιού ο υπερσυμπιεστής θα προσπαθήσει να επανέλθει στις προηγούμενες στροφές του. Τότες δημιουργείται μία υστέρηση του υπερσυμπιεστή γνωστή σαν φαινόμενο “turbo lag”. Για να αποφευχθεί το φαινόμενο αυτό ενεργοποιείται μια πνευματική βαλβίδα παράκαμψης του αέρα εισαγωγής όταν κλείσει η πεταλούδα του γκαζιού και γίνει αποκοπή καυσίμου από την ηλεκτρονική μονάδα έλεγχου, γι αυτό λέγεται και “βαλβίδα αποκοπής καυσίμου”.

Η βαλβίδα αποκοπής καυσίμου βρίσκεται τοποθετημένη στον σωλήνα εισαγωγής του αέρα, μεταξύ της εξόδου του αέρα από τον συμπιεστή και της πλευρά εισαγωγής του αέρα στον συμπιεστή. Ενεργοποιείται πνευματικά με μία βαλβίδα ελατηριωτού διαφράγματος η οποία συνδέεται με την υποπίεση της πολλαπλής εισαγωγής.

Όταν η πεταλούδα του γκαζιού κλείνει, η υποπίεση μέσα στην πολλαπλή εισαγωγή αυξάνει και υπερνικά την δύναμη του ελατηρίου της βαλβίδας. Η βαλβίδα ανοίγει και ο εισερχόμενος αέρας επιστρέφει πάλι στην πλευρά εισαγωγής του αέρα στον συμπιεστή. Έτσι δεν δημιουργείται δυναμική πίεση στο κύκλωμα εισαγωγής και οι στροφές του συμπιεστή μένουν στα ίδια επίπεδα λειτουργίας του.

Όταν η πεταλούδα του γκαζιού ανοίξει ξανά, η υποπίεση μέσα στην πολλαπλή εισαγωγή μειώνεται και το ελατήριο κλείνει την βαλβίδα. Το σύστημα επανέρχεται στην αρχική κατάσταση λειτουργίας του.