اینترکولر در ژنراتورهای دیزل یک قطعه مبدل حرارتی است که حرارت تولید شده در موتور دیزل را کاهش می‌دهد. این اقدام باعث می‌شود که هوا به سیلندرهای موتور با دمای پایین‌تر وارد شده و از عملکرد بهتر و بدون مشکل برخوردار شود. این فرآیند از طریق سیستم خنک کردن Air-Air انجام می‌شود.
درصورتی که اینتر کولر به درستی کار نکند، افزایش دما جدای از تأثیر مخرب بر حداکثر فشار درون سیلندر، موجب می شود مولکول های هوا کمتر از آن مقداری باشند که در طراحی خودرو در نظر گرفته شده است. به همین دلیل از یک خنک کننده استفاده می شود تا بدون افت محسوس فشار هوا، دمای آن به مقدار قابل توجهی کاهش یابد. بدین ترتیب می توان با اطمینان خاطر و بدون نگران بودن از پیش شعله، فشار مخلوط هوا و سوخت را به حداکثر رساند.
اینترکولر یا همان Intercooler همانطور که قبلا نیز گفتیم، یک مبدل حرارتی است. در اینتر کولر، دو یا چند سیال (مایع/گاز) که به طور فیزیکی با هم تماس ندارند منجر به انتقال حرارت یا انرژی می شود.
در حالت تمام بار و دریچه گاز کاملا باز، دمای هوای فشرده خروجی از توربوشارژ بین ۱۲۱ تا ۱۷۶ درجه سانتی گراد است که بستگی به ضریب تقویت فشار، دمای هوای محیط و موارد دیگر دارد.
ما می خواهیم با استفاده از اینترکولر دمای هوای ورودی به موتور را پایین آورده و آن را خنک کنیم که حجم آن کاهش یابد بنابراین می توانیم تعداد بیشتری از مولکول های هوا را به درون سیلندر وارد کرده و احتمال ایجاد انفجار در موتور را کاهش دهیم.
تاریخچه و خواستگاه اینتر کولر
اصطلاح اینترکولر از زمانی به وجود آمد که برای اولین بار در موتورهای دوقلوی هواپیماها از توربو استفاده شد. با دو توربو، شارژ هوا بسیار گرم می شد. برای مقابله با این دمای بالا، یک مبدل حرارتی را بین دو توربو قرار دادند و آن را اینترکولر یا مبدل میانی نامیدند چراکه محل بین دو توربو را خنک می کرد.
وقتی که این نوع مشابه از مبدل حرارتی بر روی یک توربو واحد یا سوپرشارژر استفاده شد، از آن به بعد این مبدل بعد از سوپرشارژر قرار داده شد و به طور تکنیکی افترکولر یا خنک کننده پسین نامیده شد چراکه موقعیت پس از توربو یا سوپرشارژر را خنک می کرد.
اصطلاح اینترکولر به دست آمده و به طور عموم برای همه مبدل های حرارتی استفاده می شود بدون توجه به این که موقعیت آن چه باشد.
افتر کولر چیست؟
اصطلاح افترکولر یا خنک کننده پسین معادل با کولرهای هوا به آب در نظر گرفته شد چرا که این یک اصطلاحی است که Vortech برای تشریح کولرهایش استفاده کرد و توسط آب خنک می شد بنابراین در حالی که از لحاظ تکنیکی غلط است ما هنوز از اصطلاحات عمومی اینترکولر به معنی خنک کننده با هوا و افترکولر به معنی خنک کننده با آب استفاده می کنیم.
نقش اصلی اینترکولر
هدف از تعبیه اینترکولر خنک کردن هوایی است که در توربو شارژ یا سوپرشارژر فشرده شده است. وقتی که هوا فشرده می شود دمای آن به مقدار زیادی افزایش می یابد (تا ۱۵۰ درجه سانتی گراد) که این پدیده سبب تراکم کمتر می شود. اینترکولر شباهت زیادی به یک رادیاتور دارد و در انواع موتور دیزل به کارگرفته شده در دیزل ژنراتور نقش مهمی در افزایش راندمان و عملکرد ژنراتور برق دارد.
انواع اینترکولر در موتور دیزل
اینترکولر یک رادیاتور بزرگ است که هوای فشرده گرم خروجی از توربوشارژر وارد آن شده و دمایش را پایین می آورد، درنتیجه می توان آن را متراکم تر کرد.
دو نوع اصلی از اینترکولرها عبارتند از:
- هوا به هوا.
- هوا به آب.
اینترکولر هوا به هوا
اینترکولر هوا به هوا از هوای خارج برای انتقال حرارت استفاده می کند در حالی که اینترکولر هوا به آب از آب برای انتقال دادن حرارت استفاده می کند در اینترکولر هوا به هوا، هوای خنک در طول لوله های اینترکولر عبور کرده و لوله ها سرانجام پره های در حال خنک شدن را گرم می کند. در همین زمان هوا از خارج در طول پره های اینترکولر عبور کرده و گرمای ناشی از لوله ها را به هوای در حال عبور به خارج منتقل می کند.
خروجی و ورودی های اینترکولر هوا به هوا، در ابعاد و اندازه های مختلف وجود دارد. محل های نصب اینترکولر شامل نصب جلو، کنار و بالا هستند. محل قرار گرفتن اینترکولر زمانی که چگونی انتقال حرارت موثر مد نظر است، مهم خواهد بود.
موقعیت بهینه، نقطه ای است که اینترکولر هوای خارج را برای به جریان افتادن به طور مستقیم و بی واسطه تقویت کرده و به داخل پره ها می راند. به همین دلیل است که اینترکولرهای نصب شده در جلو انتقال حرارت موثرتری دارند.
آن ها در جلوی خودرو به طور مستقیم گذاشته شده و بنابراین به طور مداوم در برابر هوای خارج قرار گرفته و خنک می شوند. معمولا تنها نکته منفی اینترکولرهای نصب درجلو، افت فشار آن ها است.
افت فشار به علت طولانی و غیرمستقیم بودن مسیری که هوا باید برای عبور از توربو به اینترکولر طی کند اتفاق می افتد. بسیاری از کولرهای نصب جلو امروزه برای کمک کردن به جریان هوا و کاهش افت فشار تا حد قابل قبول آن طراحی شده اند.
دیگر سیستم خنک کننده هوا پرتاب کننده کلاهکی است که هوا را به طور مستقیم به اینترکولر نصب شده در بالا، درست شبیه به یک پرتاب Surbaru Wrx می کند.
یک عیب این سیستم این است که اینترکولر نزدیک به موتور قرار گرفته و موجب بالا رفتن دمای اینترکولر به مقدار زیادی شده و کارایی آن را برای انتقال حرارت کاهش می دهد. یک مزیت آن این است که مسیر جریان هوا از توربو به اینترکولر و درنهایت به موتور کوتاه بوده و باعث بالا رفتن راندمان سیستم می شود.
اینترکولر هوا به آب
اینترکولر آب به هوا بسیار شبیه به هوا به هواست اما این سیستم از آب به عنوان سیال عامل انتقال حرارت به جای هوا استفاده می کند. از آن جایی که آب در انتقال حرارت بهتر از هوا عمل می کند می توان خنک کننده ای با ابعاد کوچک تری داشت که این امر سبب می شود، نصب و یافتن محل نصب آن آسان تر شود.
در این مجموعه آب به درون واحد هوا/آب پمپاژ می شود و در آن با هوای فشرده شده برخورد می کند. در این جا حرارت از هوا به آب منتقل می شود.
بعد از آن که آب گرم شد یک مسیری را به سوی یک تبادلگر حرارت دنبال می کند، شبیه به یک اینترکولر یا رادیاتور که در آن حرارت به خارج از آب انتقال می یابد. برخی از معایب آشکار آن شامل وزن زیاد و عدم انجام وظیفه صحیح مکانیکی آن است.
اینترکولر که در بعضی از خودروها به جای آن از افتر کولر ( این نوع مبدل ها بعد از این که هوا توسط توربو یا سوپر شارژ فشرده شد، هوای ورودی به موتور را خنک می کند ) استفاده مى کنند درست شبیه به یک رادیاتور عمل می کند.
هوا به پره ها، میله ها، بادگیرها و صفحات کنار مبدل برخورد کرده و سبب می شود هوای ورودی به موتور نسبت به قبل خنک تر شود. خنک کردن هوا باعث افزایش جرم حجمی و در نتیجه افزایش راندمان حجمی موتور می شود.
این مزیت سبب افزایش توان و گشتاور تولیدی موتور می شود. کاهش دمای هوا سبب می شود تا قدرت بیشتری قبل از این که انفجار رخ دهد با همان اکتان سوخت به وجود آید.
نحوه عملکرد توربوشارژر با اینترکولر
توربو شارژ قابلیت راندن و عملکرد خودرو را تغییر می دهد و به فرایندی گفته می شود که طی آن با استفاده از انرژی گازهای خروجی اگزوز، هوا متراکم و به داخل سیلندر هدایت می شود.
توربوشارژ چیست و توسط چه کسی اختراع شد؟
اولین حق امتیاز توربوشارژ در سال ۱۹۰۵ میلادی و به نام دکتر آلفرد بوچی ثبت شده است. توربوشارژر نوعی سیستم دمنده است که هوا را با فشار زیاد به درون سیلندر می دمد. هنگامی که پیستون در حالت عکس قرار دارد، مخلوط هوا و سوخت (در موتور دیزلی، هوا) را به درون سیلندر می مکد.
هر چه فشار هوا بیشتر باشد مقدار مولکول های هوا بیشتر خواهد بود و در نتیجه مخلوط هوا و سوخت بیشتری در سیلندر جای خواهد گرفت. هر چه سوخت بیشتر باشد، قدرت ناشی از احتراق هم بیشتر خواهد بود.
وقتی هوا فشرده می شود دمای آن بالا می رود و درپی آن هوا گرم و منبسط می شود. این معضل هدف توربوشارژر را تحت الشعاع قرار می دهد زیرا انبساط به این معناست که موتور هوای کمتری را نسبت به آن چه بتواند دریافت می کند.
اجزای اصلی یک توربوشارژ
شامل: توربین، کمپرسور، اینترکولر (Inter cooler) یا افترکولر (After cooler) و کنترلرهاست. توربوشارژ وظیفه دارد هوای تازه را وارد پیستون بکند. در یک دیزل ژنراتور هوای ورودی و تخیله با سرعت یکسانی عمل می‌کند.
موتورهای توربوشارژ نسبت به موتورهای معمولی چه برتری دارند؟
یک موتور با شارژ هوای اضافی می تواند صدها اسب بخار بیشتر نسبت به موتوری که توربوشارژ شده نیست تولید کند. نحوه عملکرد اینترکولر بدین گونه است که هوای گرم از توربوشارژ به درون لوله های ورودی اینترکولر جریان یافته و هوای خروجی از توربوشارژ گرمای خود را به لوله های مبدل انتقال می دهد تا دمایش کاهش یابد.
بدین ترتیب موتور مجهز به توربوشارژر قدرت بیشتری نسبت به موتور معمولی تولید می کند. توربوشارژر به سادگی می تواند نسبت قدرت به وزن موتور را بهبود ببخشد؛ یعنی با قدرت مساوی خودروی مجهز به توربو شارژر از موتوری با وزن و حجم کمتر سود می برد، در نتیجه حجم و وزن خودرو نیز کمتر می شود و این بدان معنی است که شتاب خودروی مجهز به توربوشارژر بیشتر است و سریع تر به سرعت مناسب دست پیدا می کند.
هوای خارج (یا آب) از لوله ها عبور کرده و بین پره ها که به لوله ها متصل هستند جریان می یابد. گرما از لوله های داغ و پره ها به هوای خنک خارج انتقال یافته و سبب خنک شدن لوله ها می شود.
در نتیجه گرما از هوای خروجی از توربوشارژ به لوله ها و از آن جا به هوای محیط انتقال می یابد. معادلاتی وجود دارد که به ما کمک می کند تا عواملی را که در انتقال حرارت دخیل هستند درک کنیم.
این معادلات برای هر مساله انتقال حرارتی مناسب است؛ از قبیل رادیاتورها و کمپرسور سیستم تهویه ( متراکم کننده های AC).
محدودیت های توربوشارژر فشار
فشار حداکثر درون سیلندر نباید از یک مقدار مجاز بیشتر شود. هنگامی که مخلوط هوا و سوخت در سیلندر یک خودروی بنزینی متراکم می شود، دمای آن نیز همراه با فشار افزایش خواهد یافت.
فشار بیش از اندازه به دیواره های سیلندر، سرسیلندر و حتی پیستون و میل لنگ موجب کاهش عمر مفید آن ها می شود.افزایش دما اثری به مراتب بدتر دارد.
اگر دما از حد مشخصی بالاتر رود، مخلوط هوا و سوخت می توانند پیش از زدن جرقه دچار احتراق شوند. بدین ترتیب نه تنها چرخه منظم موتور دچار اخلال می شود بلکه ضربه ناشی از احتراق می تواند آسیب های جدی به موتور وارد آورد. از این رو برخی با کاهش دادن نسبت تراکم سیلندر، حداکثر فشار و دما را در محدوده مجاز نگه می دارند البته برخی دیگر سوختی با اکتان بالاتر را برای موتور پیشنهاد می کنند.
زمان تاخیر در توربو شارژر
یکی از مهم ترین مشکلات توربوشارژر این است که نمی توانند افزایش قدرت را به طور ناگهانی اعمال کنند. هنگامی که به پدال گاز فشار می آورید، حدودا یک ثانیه طول می کشد تا توربین به سرعت لازم دست پیدا کند و افزایش قدرت اعمال شود بنابراین افزایش قدرت با کمی تاخیر حاصل می شود.
یکی از روش های کاستن این زمان تاخیر، پایین آوردن اینرسی قطعات است که معمولا از طریق سبک کردن قطعات به دست می آید؛ بدین ترتیب توربین و پمپ سریع تر شتاب می گیرند و قدرت سریع تر اعمال می شود.
اندازه توربوشارژر
اندازه توربوشارژر هم مزایا و معایبی به همراه دارد. هر چه توربوشارژر کوچک تر باشد، زمان تاخیر کمتری دارد و سریع تر قدرت را اعمال می کند ولی در سرعت های بسیار بالا که باید حجم زیادی از هوا را وارد سیلندر کند، کم توان و گاه خطرناک ظاهر می شود. در مقابل، توربوشارژر بزرگ می تواند به خوبی از عهده پمپ کردن حجم زیاد هوا برآید ولی زمان تاخیر آن بیشتر خواهد بود.
تفاوت بین اینترکولر و افترکولر
برای خنک کاری موثرتر، خود اینترکولر باید توسط برخی وسایل خارجی خنک شود. بیشتر اینترکولرها درست شبیه به رادیاتور موتور خنک می شوند. هوا به خارج پره های اینترکولر جریان یافته و به نوبه خود هوای داخل اینترکولر را خنک می کند، بدین ترتیب تحت نام اینترکولر هوا به هوا شناخته می شود.
کارایی افترکولری که هوا از آن عبور می کند می تواند بیشتر از اینترکولرهای هوا/هوای سنتی باشد و اگر آب سرد و یخ برای خنک کردن اینترکولر استفاده شود باز هم می توان راندمان آن را بالا برد.
برخی اینترکولرها حتی بعد از این که هوا توسط سوپرشارژر فشرده شد دمای هوا را تا زیر دمای هوای عادی خنک می کند.
دلیلی که افترکولرها در خنک کردن هوای فشرده شده موثرتر هستند، این است که یک هدایت کننده بسیار بهتر گرما را نسبت به هوا عبور مى دهد. در حقیقت آب چهار برابر هوا گرما را هدایت می کند.
عیب آشکار، زمانی است که هوای گرم، دمای آب عبور کننده از آن را بالا برده و توانایی آن را برای خنک کردن هوای ورودی به موتور کاهش می دهد. به هر حال برخی افترکولرها از یک رادیاتور برای خنک کردن آبی استفاده می کنند که در طول سیستم عبور می کند و آن را ایده آل برای استفاده شهری و مسابقات می کند.
برای کاربردهای مسابقه، افترکولرها با یخ پر می شوند تا به خوبی کار کنند زیرا آن ها تنها نیاز است حدود ۱۰ ثانیه کار کنند تا نتیجه مطلوب را به دست آورند.
برای مسابقات ساده تر و کاربردهای شهری، اینترکولرهای هوا/هوا یا افترکولرهایی با رادیاتور کاربرد بیشتری دارند چرا که توانایی آن ها در خنک کردن هوای ورودی با گذشت زمان کاهش نمی یابد.
موارد استفاده از اینترکولر
آشکار است که اینترکولرها تنها با وسایل نقلیه سوپرشارژ شده یا توربوشارژ شده کار می کنند که در آن ها یک اختلاف اساسی در دمای بین هوای ورودی به موتور و محیط خنک کننده وجود دارد.
از آن جایی که سوپرشارژرها هوا را به طور قابل توجهی در هنگام فشرده کردن آن گرم می کنند، ممکن است تفاوت دمایی بسیار بالایی بین اینترکولر (دمای هوای محیط ۲۷ – درجه سانتی گراد یا بیشتر) و هوای فشرده شده (۱۷۷-۹۳درجه سانتی گراد) وجود داشته باشد.
سوپرشارژرهایی با قدرت بیشترهوای خروجی گرم تری را ایجاد می کنند و همان طور که قدرت را افزایش می دهند اثرات اینترکولر بیشتر و بیشتر ملموس می شود.
به طور کلی اینترکولرهایی با کمتر از psi 8-9 افت فشار برای موتورهای سوپرشارژ شده توصیه نمی شود و می توان از مزایای آن صرف نظر کرد. عمدتا اینترکولر زمانی که قدرت ماکزیمم برای اکتان خاصی از سوخت مد نظر است مورد استفاده قرار می گیرد.
اینترکولرها در اقلیم های گرم و خنک به خوبی عمل می کنند و در کاربردهای مناطق آبی به خاطر دست یابی آسان به آب خنک مناسب است.
سوال اساسی این است که آیا اینترکولر جریان هوا به موتور را محدود می کند؟ در پاسخ باید گفت: بله! هر زمانی که مانعی در مسیر جریان هوا به درون موتور وجود داشته باشد (شبیه یک پره یا بادگیر اینترکولر)، افت فشار ایجاد خواهد شد.
اینترکولرهای امروزی در کاهش این نقصان بهینه شده اند به طوری که مزایای به دست آمده از خنک کردن دمای هوای ورودی به موتور بر از دست دادن ۱-۲ psi فشار برتری دارد به طوری که دوباره می توان توسط یک مکانیزم ساده آن را بازیافت کرد.
در حالی که اینتر کولرها به خوبی بر روی سوپر شارژرهای با فشار خروجی بالاتر کار می کنند برای قدرت پایین تر توصیه نمی شوند. اگر نیاز به عملکرد استثنایی موتور بخصوص در ژنراتور برق وجود باشد، اضافه کردن اینترکولر به موتور توصیه می شود.
یا کیت سوپر شارژری که دارای یک اینتر کولر باشد. اغلب سیستم های ATI ProCharger داراى اینترکولر و قیمت مناسبی هستند. Paxton نیز چندین اینترکولر را معرفی کرده که بسیار متناسب با سیستم های سوپر شارژی هستند در حالی که Vortech دارای اینتر کولر هایی با چندین کیت است.
نتیجه گیری
اینترکولر، نقش بسیار حیاتی در بهبود عملکرد و کارایی موتورهای داخل سوزان دارد. با افزایش فشار ورودی هوا به موتور و خنک کردن آن، اینترکولر باعث افزایش حجم هوای داخل موتور می‌شود. این عمل باعث افزایش قدرت خروجی موتور و کاهش مصرف سوخت می‌شود، که نتیجه بهبود کارایی سیستم می‌شود.
در نتیجه، می‌توان گفت که اینترکولر به عنوان یک قسمت مهم در تجهیزات موتور، به بهبود عملکرد و کارایی موتورهای داخل سوزان کمک می‌کند و در نهایت می‌تواند به افزایش کارایی و کاهش مصرف سوخت در وسایل نقلیه و ماشین‌آلات منجر شود.
