Zintegrowane kaskadowe chłodzenie powietrza doładowującego

Zwiększanie specyficznej mocy wyjściowej w turbodoładowanym silniku ze zredukowaną pojemnością skokową jest często spotykanym sposobem osiągania niskich wartości zużycia i emisji bez poświęcenia wydajności jazdy. Jednakże proces spalania, silnik i jego komponenty oraz elementy peryferyjne silnika podlegają znaczącym efektom. Wraz ze wzrostem intensywności obciążeń termicznych i mechanicznych zwiększają się również wymagania technologiczne.

Coraz wyższe wartości ciśnienia powietrza doładowującego i powiązane z tym rosnące wartości temperatury powietrza doładowującego, jak również bardziej wymagające regulacje emisji wymagają bardziej efektywnych systemów chłodzenia powietrza doładowującego, umożliwiające dalszą redukcję temperatury powietrza doładowującego. Firma MAHLE ostatnio opracowała i zaprezentowała zintegrowane kaskadowe chłodzenie powietrza doładowującego w module wlotu powietrza silników benzynowych. System chłodzi powietrze doładowujące w dwóch etapach, najpierw za pomocą obwodu chłodzenia wysokiej temperatury w silniku, a następnie za pomocą obwodu niskiej temperatury do pośredniego chłodzenia powietrza doładowującego. Wyniki testów silnika wykazały, że kaskadowe chłodzenie powietrza doładowującego jest czynnikiem, który umożliwia dalsze zmniejszanie gabarytów i wyższe poziomy turbodoładowania. Niekorzystne efekty obecnie wiązane z wysokim poziomem turbodoładowania (takie jak opóźniony zapłon, wzbogacenie krzywej pełnego obciążenia) są eliminowane dzięki zintegrowanemu kaskadowemu chłodzeniu powietrza doładowującego. Chłodniejsze powietrze doładowujące stanowi odpowiedź na podstawową przyczynę, tj. warunki spalania, tym samym sprawiając, że środki stosowane po stronie wyjściowej stają się niepotrzebne. Oferuje również większą dowolność wyboru stopnia sprężania. Powoduje to oszczędność zużycia w zakresach obciążenia odpowiednich dla cyklu.

Kolejnym krokiem, motywowanym przez pozytywne wyniki, było zbadanie potencjału zintegrowanego kaskadowego chłodzenia powietrza doładowującego w silniku diesla. Testy silników wykazały, że redukcja temperatury powietrza doładowującego zapewnia również fundamentalne korzyści dla silników diesla. Przy częściowym obciążeniu, emisje zostały zredukowane, zaś przy pełnym obciążeniu efekt ten może być wykorzystywany do zmniejszenia zużycia paliwa przy stałej mocy wyjściowej, lub z drugiej strony do zwiększenia wydajności przy stałym współczynniku zużycia. Dodatkowo większy przepływ masowy zwiększa prędkość ładowarki i tym samym poprawia reaktywność silnika.

Korzyści zidentyfikowane przez MAHLE na stanowisku testowym muszą być klasyfikowane zgodnie ze swoją wykonalnością i wymaganym nakładem pracy. Przyjmując jako początkową podstawę bezpośrednie chłodzenie powietrza doładowującego, przejście na rozwiązanie pośrednie zintegrowane z modułem wlotu powietrza zapewnia ogromny potencjał dzięki większej zdolności chłodzenia i możliwości jej regulowania. Straty ciśnienia na trakcie przepływu powietrza dla tego wariantu również są znacząco zredukowane.

Kaskadowe chłodzenie powietrza doładowującego, również zintegrowane z modułem wlotu powietrza, zapewnia jeszcze większy wzrost zdolności chłodzenia, a dodatkowo pełną elastyczność kontroli. Takie podejście jest konieczne, jeśli rozpraszanie ciepła zapewniane przez obwód niskiej temperatury nie jest wystarczające.

Wszelkie korzyści płynące z pomiarów na stanowiskach testowych z pełnym i częściowym obciążeniem mogą również zostać wdrożone w pojeździe: korzystne efekty w zakresie emisji w warunkach częściowego obciążenia mogą zostać uzyskane dzięki wykorzystaniu jednoetapowego, konwencjonalnego, pośredniego, zintegrowanego chłodzenia powietrza doładowującego, zaś dodatkowe korzyści w zakresie zużycia w warunkach pełnego obciążenia wymagają zastosowania wariantu kaskadowego. Zostało to potwierdzone przez wyliczenia dla obwodów pojazdów we wszelkich wariantach. W obu przypadkach warunkiem jest pełny radiator niskiej temperatury z przodu pojazdu. Należy sprawdzić pojemność radiatora LT dla kaskadowego chłodzenia powietrza doładowującego. Ta rezerwa mocy była wystarczająca dla testowanego silnika i zrekompensowana za pomocą kaskadowego chłodzenia powietrza doładowującego, nawet przy pełnym obciążeniu, bez wprowadzania zmian w konstrukcji radiatora. Dodatkowe zwiększenie obciążenia termicznego ze strony równoległego, w pełni obciążonego EGR wymaga dostosowania radiatora wysokiej temperatury. Zarządzanie kondensacją można realizować prostymi środkami dzięki możliwości kontrolowania obu wariantów.

W związku z bardzo dobrymi wynikami w zakresie redukcji emisji przy pracy z częściowym obciążeniem, jak również oszczędnością paliwa przy pełnym obciążeniu, można spodziewać się wzrostu wykorzystania pośredniego zintegrowanego chłodzenia powietrza doładowującego w silnikach benzynowych i diesla, z dużym udziałem w rynku. W średniej perspektywie czasowej, kaskadowe chłodzenie powietrza doładowującego za pomocą kilku obwodów chłodzenia podłączonych rzędowo w celu zapewnienia dodatkowej znaczącej redukcji temperatury powietrza doładowującego również będzie coraz częściej stosowane na rynku.