Dochładzanie powietrza doładowującego - Chłodzenie powietrza doładowującego oparte na czynniku chłodniczym zapewnia lepszą dynamikę jazdy

MAHLE już zaprezentowało pośrednie i kaskadowe pośrednie chłodzenie powietrza doładowującego, dwie metody jak najefektywniejszego chłodzenia powietrza doładowującego. Temperatura, którą można w ten sposób osiągnąć, jest fizycznie ograniczona tak, że pozostaje powyżej temperatury otoczenia. Po raz pierwszy łącząc obwody chłodziwa i czynnika chłodniczego w systemie chłodzenia powietrza doładowującego, MAHLE przełamało tę barierę i osiąga znaczące postępy w zakresie dynamiki pojazdu bez wpływu na komfort pasażerów i powodowania większego zużycia paliwa.

Powietrze doładowujące, które zostało rozgrzane z powodu sprężania, niekorzystny wpływ na spalanie: większą podatność na spalanie stukowe, większe tworzenie się tlenków azotu i ogólnie zwiększone obciążenie termiczne podzespołów silnika. Gęstość powietrza doładowującego również spada w miarę wzrostu temperatury, redukując tym samym maksymalną ilość tlenu dopuszczoną w komorze spalania. Podwojenie ciśnienia doładowania od punktu startowego 1 bar i 25°C prowadzi do zwiększenia gęstości powietrza doładowującego tylko o 50%. Chłodzenie powietrza doładowującego po stronie wyjściowej do około 15 K powyżej temperatury otoczenia zwiększa gęstość o kolejne 40%. Dochładzanie powietrza doładowującego, np. do 15 K poniżej temperatury otoczenia, zwiększyłoby gęstość powietrza doładowującego o kolejne 21%, co odpowiadałoby zwiększeniu ciśnienia doładowania o 200 mbarów.

Obwód klimatyzacji w pojeździe jest ogólnie zaprojektowany do szybkiego chłodzenia, gdy temperatury na zewnątrz są wysokie. Później jest on dławiony i pracuje ze zredukowanym poborem mocy. Odpowiednio, po wstępnym chłodzeniu, istnieje nadwyżka mocy, często nawet 4 kW. Już teraz moc wyjściowa sprężarki została zredukowana w odpowiedzi na nagłe duże zmiany obciążenia w celu zminimalizowania strat w układzie napędu. Dzięki wysokiej bezwładności cieplnej obwodu chłodzenia, jest to ledwie zauważalne dla kierowcy.

Zamiast tego nadmiar mocy może zostać przekazany do systemu dochładzania powietrza doładowującego. W tym celu, nowa rura wlotowa iCAS (zintegrowanego dochładzania powietrza doładowującego) od MAHLE jest podłączona równolegle z parownikiem klimatyzacji za pośrednictwem schładzacza (wymiennik ciepła czynnika chłodzącego/chłodziwa) z zaworem rozprężnym. Schładzacz wprowadza do zintegrowanego wymiennika ciepła - dochładzacza powietrza doładowującego - „dochłodzone” chłodziwo. Zawór przelewowy umożliwia przełączanie się między funkcją dochładzania a zwykłym bezpośrednim dochładzaniem powietrza doładowującego.

System iCAS MAHLE został przetestowany na stanowisku testowym w warunkach ustalonych w turbodoładowanym, trzycylindrowym, benzynowym silniku 1,0 l z temperaturą powietrza doładowującego 10°C. Pomiary wskazują poprawę momentu obrotowego o 16 do 19% przy niskich obrotach od 1100 do 1300 obr./min. w porównaniu z temperaturą powietrza doładowującego 40°C. Ciśnienie doładowania może zatem zostać zredukowane o 200 mbarów, zaś kąt wyprzedzenia zapłonu może zostać zoptymalizowany pod kątem efektywności poprzez przesuniecie w przód o 3° do 5° CA.

Jednak podczas oceny zużycia paliwa należy rozważyć również dodatkowe zużycie energii sprężarki klimatyzacji. W szczególności warunki klimatyczne będą wpływać na faktyczne korzyści w odniesieniu do elastyczności i oszczędności paliwa. Pomiary pokazują, że przy temperaturze otoczenia 25°C i wilgotności względnej 50%, zużycie energii sprężarki klimatyzacji wynosi około 0,85 kW dla iCAS (dochładzanie 30 K) i zatem jest niższe niż 1/4 mocy uzyskanej z iCAS (przy 1300 obr./min.).

Przy zoptymalizowanej konstrukcji i odpowiedniej „strategii ładowania”, współczynnik może zostać jeszcze poprawiony: gdy iCAS jest odnawialnie ładowany podczas faz hamowania, the zużycie energii sprężarki klimatyzacji może być we właściwym czasie odłączone od iCAS. Poprawiona wydajność przy 1300 obr./min. uzyskana dzięki iCAS może zatem zostać zwiększona do ponad 22%.

System iCAS MAHLE został zainstalowany w kompaktowym pojeździe demonstracyjnym w celu zweryfikowania poprawionej dynamiki oraz przetestowania strategii ładowania opartej na przykład na odzyskiwaniu energii hamowania. W ramach pierwszego testu przy temperaturze otoczenia 30°C (800 W/m2 ładowania słonecznego) i wilgotności powietrza 50%, przeprowadzono symulację przyspieszenia od 30 km/godz. do 50 km/godz. (na czwartym biegu) w tunelu klimatyczno-aerodynamicznym. Z załadowanym systemem iCAS i rozłączoną sprężarką, pojazd osiąga docelową prędkość 0,7 s wcześniej niż wariant bez iCAS. Jednocześnie, wymagane ciśnienia doładowania jest osiągane znacznie wcześniej.

W celu szczególnego zademonstrowania potencjału odzyskiwania energii hamowania za pośrednictwem sprężarki klimatyzacji i przekazywania energii do iCAS, w tunelu klimatyczno-aerodynamicznym dokonano symulacji hipotetycznego profilu jazdy. Pojazd przyspieszył od stałej prędkości 30 km/godz. do 130 km/godz. Następnie utrzymywano przez pewien czas tę prędkość, a później pojazd zahamował znów do prędkości 30 km/godz. Wyniki tego testu pokazują, że energia odzyskana za pośrednictwem w pełni załączonej sprężarki klimatyzacji podczas umiarkowanego hamowania 2 m/s2 może zrekompensować energię zużytą przez system iCAS podczas fazy przyspieszania. Podczas bardziej intensywnego przyspieszania lub krótszego, bardziej intensywnego hamowania energia ta może zostać zrekompensowana tylko częściowo. Niemniej jednak test wykazał, że możliwe i korzystne jest ładowanie iCAS odzyskaną energią hamowania, nawet w cyklu NDEC lub WLPT.

Jednym z podstawowych wymogów dla akceptacji iCAS jest to, że system nie może w zauważalny sposób wpłynąć na komfort pasażerów. Zatem elementy kontrolne obu systemów - klimatyzacji i chłodzenia powietrza doładowującego - muszą być ściśle skoordynowane.

Zatem gdy wymagane jest maksymalne chłodzenie ze względu na wysoką temperaturę otoczenia i wnętrza pojazdu, parownik wnętrza pojazdu ma pierwszeństwo przed iCAS. Dopiero gdy wymagana temperatura wylotowa systemu HVAC zostanie osiągnięta, schładzacz systemu iCAS będzie mógł zostać włączony, by uniknąć wszelkich negatywnych wpływów na temperaturę parownika. Następnie schładzacz jest uruchamiany raz za razem w zależności od temperatury wylotowej. Utrzymuje to zmienność temperatury parownika w zakresie ±3°C i w związku z tym działanie jest niezauważalne dla kierowcy, jednocześnie w pełni ładując system iCAS w ciągu dwóch do czterech minut podczas fazy schładzania. Do tego momentu oba obwody osiągają swoje odpowiednie temperatury docelowe. Sprężarka klimatyzacji może teraz zostać poddana dławieniu w celu utrzymania temperatury wnętrza.

W tych kontrolowanych warunkach operacyjnych, MAHLE wykorzystuje bezwładność cieplną obwodu chłodzenia w celu zharmonizowania różnych wymogów systemu iCAS oraz klimatyzacji wnętrza pojazdu: z jednej strony konieczność stałego chłodzenia wnętrza pojazdu, zaś z drugiej zużycie energii przez system chłodzenia iCAS, zależne od aktualnie wymaganej mocy napędowej. Dzięki bezwładności cieplnej, sprężarka klimatyzacji może zostać odłączona od obwodu chłodzenia na około 15-20 sekund bez zauważalnego niekorzystnego wpływu na klimatyzację wnętrza pojazdu. Czas ten jest ogólnie wystarczający do naładowania systemu iCAS w klimacie środkowoeuropejskim.

Łącząc niegdyś niezależnie systemy klimatyzacji i chłodzenia silnika, MAHLE zdołało jeszcze bardziej poprawić wydajność turbodoładowanych silników benzynowych. W szczególności znacznej poprawie może ulec możliwość jazdy z niską prędkością - czyli z obniżonym momentem obrotowym. Efektywność wykorzystania paliwa zostaje zwiększona dzięki wykorzystaniu nadmiaru energii z systemu klimatyzacji. Mimo zwiększenia mocy, system iCAS nie prowadzi do zwiększonego zużycia paliwa, zwłaszcza dzięki możliwości odnawialnego ładowania podczas faz hamowania. Nie ma to zauważalnego wpływu na komfort klimatyzacji we wnętrzu pojazdu.

  • Systemy klimatyzacji i chłodzenia silnika są ze sobą połączone w celu dalszej poprawy wydajności turbodoładowanych silników benzynowych bez negatywnego wpływu na komfort pasażerów.
  • Znacznemu zwiększeniu ulega przede wszystkim moment obrotowy przy niskich obrotach i poprawia się wydajność paliwa.
  • Na wydajność systemu szczególnie wpływa możliwość odnawialnego ładowania podczas faz hamowania.