Hlađenjem usisnog zraka, zagrijanog stlačivanjem nakon prolaska kroz turbopunjač, povećava mu se gustoća, pa ga se više može ugurati u cilindre, a uz više zraka i ubrizgati više goriva te snagu povećati za 10 do 20 posto…
Vjerojatno ste imali priliku uočiti razliku u radu motora, odnosno odzivu na gas, između vožnje u svježoj noći i vrućem ljetnom danu. Po noći motor bolje radi, ima više snage i bolji odziv na gas. Zašto? Zbog niže temperatura zraka kojeg motora usisava. No zašto niža temperatura pogoduje radu motora? Hladniji je zrak gušći te se u istom obujmu (ciklusu) može se usisati veća masa i u njemu može izgorjeti više goriva.Time se povećava snaga. Sva nastojanja za povećanjem snage motora svode se na jedno, povećati količinu izgorjelog goriva u cilindrima.
Na prvi pogled to i ne zvuči osobito teško, ali povećanjem količine goriva raste i potreba za zrakom. Da bi izgorio jedan gram dizelskog goriva potrebno je 14,5 grama zraka, a benzinskog 14,7 grama (to je stehiometrijski omjer) pa povećanjem količine goriva proporcionalno raste potreba za zrakom, što nije lako osigurati. Koriste se razni ‘trikovi’, povećanje broja usisnih ventila, smanjenje otpora strujanja…, a najvažniji je prednabijanje, odnosno stlačivanje zraka koji se šalje u cilindre.
Prednabijanjem se povećava tlak zraka, čime se u istom obujmu nalazi veća masa. Upravo je masa zraka bitna u procesu izgaranja. Problem je što se povećanjem tlaka povećava i temperatura zraka, koji se time širi i smanjuje gustoću, što je suprotno od onoga što želimo postići. Zrak se u kompresoru (turbo ili mehaničkom) stlačivanjem na 2 bara zagrijava na 150 Celzijevih stupnjeva. Zbog toga je, za povećanje mase zraka koji se upuhuju u cilindre, nužno smanjiti temperaturu.
Hladnjak (intercooler) se nalazi između kompresora i motora te stlačeni usisni zrak na putu prema motoru prolazi kroz njega i hladi se. U osnovi je riječ o izmjenjivaču topline kakav se, primjerice, nalazi u kućnom hladnjaku. Dvije su osnovne izvedbe, ‘zrak-zrak’ i ‘zrak-voda’. Izvedba zrak-zrak je jednostavnije i češća, stlačeni zrak struji kroz izmjenjivač (saćasti sustav cijevi) oko kojih struji okolni zrak i hladi ga. Kod nekih (većinom sportskih) izvedbi po izmjenjivaču se šprica voda, čime se povećava intenzitet hlađenja.
Izvedba ‘zrak-voda’ za hlađenje stlačenog zraka koristi vodu u zatvorenom sustavu, koja se također hladi zrakom.To je složenije i skuplje. Stlačeni usisni zrak hladi se oko 50 Celzijevih stupnjeva. Kod visokoopterećenih motora s dva intercoolera sniženje temperature može iznositi i 100 Celzijevih stupnjeva. Premda se hlađenjem stlačenog zraka istodobno smanjuje tlak za oko 0,1 bar, učinak na povećanje snage je vrlo pozitivan. Intercooleri se više koriste kod turbodizelskih motora, zbog većih zahtjeva za zrakom i, obvezno, u trkaćim turbobenzincima.
Rješenje dvojbe: Intercooler ili aftercooler? Premda se uređaj za hlađenje stlačenog zraka uobičajeno naziva ‘intercooler’ to nije uvijek točno. Intercooler je uređaj koji služi hlađenju zraka između dva stupnja prednabijanja. dok većina današnjih uređaja hladi zrak nakon stlačivanja, pa je točnije ‘aftercooler’. Stoga je hladnjak stlačenog zraka najprimjereniji naziv, bez obzira gdje se nalazi. Potrebno je kvantificirati učinak: Evo formule iz 80-ih: Volkswagen Golf 1.6 D, Dvojka, imao je 54 KS, 1.6 TD s turbopunjačem 70 KS, a s intercoolerom 80 KS (ugrađivao se i u Volkswagen Passat B2).
A sada podaci za trkaće motore s turbokompresorom. Motor je pri 10.000/min i tlakom prednabijanja od 4 bara razvija oko 900 KS. Strujanjem kroz kompresor, odnosno punjač usisni se zrak zagrijava i prijenosom topline s vruće turbine, čija temperatura doseže i 1000°C. Temperatura zraka na izlazu iz kompresora je 250 Celzijevih stupnjeva, a masa upuhanog zraka je oko 450 kg/h. Uz uporabu intercoolera temperatura na usisu je smanjena na 145 Celzijevih stupnjeva.
Otpori strujanja u intercooleru i pad temperature rezultiraju nešto manjim tlakom na izlazu iz hladnjaka, no unatoč tome ukupna masa upuhanog zraka se povećava na 480 kg/h. Specifična snaga turbodizelaša je intercoolerom nabijena do čak 127 KS/l. Hladnjaci voda-zrak su kompaktniji i skuplji, zbog potrebe za dodatnim dijelovima: pumpom, vodovima, priključcima, ventilima. Snižavanjem temperature stlačenom se zraku povećava gustoća te ga je moguće više ugurati u cilindre, čime se postiže efekt tuniranja.
Efikasnost intercoolera je omjer iznosa smanjenja temperature unutar intercoolera i temperature zraka prije intercoolera. Iznosi od 60 do 75 posto za izvedbe zrak-zrak i 70 do 90 posto za zrak-voda. Prva ugradnja hladnjaka stlačenog zraka datira 1910. i nije se koristio u motoru već u kompresoru zraka. Prva masovnija upotreba intercoolera bila je u motorima borbenih aviona u II. svjetskom ratu, a 1956. intercooler je ugrađen u prvi brodski motor. Ugradnjom prvog turbokompresora u automobil 1962. (Oldsmobile Jetfire) počela je i masovnija upotreba u automobilima.
UGRAĐUJE SE IZA PREDNJE MASKE – Iznad samo kod bokser motora, kod ostalih nemoguće zbog propisa o zaštiti pješaka.
TEKUĆI CO2 – U drag-race utrkama u hladnjacima stlačenog zraka koristi se tekući CO2 koji je na -60 Celzijevih stupnjeva, radi intenzivnijeg hlađenja.
VODA ZA STAKLA – Neki vodu za pranje vjetrobrana špricaju u intercooler kako bi povećali efikasnost hlađenja, što je jeftino i razmjerno učinkovito.
STRAGA TEŽE – Kod auta s motorom straga češći su hladnjaci voda-zrak zbog problematičnog smještaja izmjenjivača u struju zraka.
NE POMAŽE UVIJEK – Loša izvedba može dovesti do nedovoljnog hlađenja te značajnijeg pada tlaka stlačenog zraka što u konačnici smanjuje snagu.
VODA BOLJE HLADI – Izvedba voda-zrak u pravilu brže snižava temperaturu zraka i pomaže uklanjanju turbo-rupe.
