Know How: Turbo Part XIV

Intercooling stories…

Με εξαίρεση ελάχιστες πολύ “light turbo” εφαρμογές, όπου το μοτέρ πιο πολύ ατμοσφαιρικό παρά υπερτροφοδοτούμενο είναι, το ιντερκούλερ δεν είναι απλά «ένα ακόμα περιφερειακό, που, ΟΚ, καλό είναι να υπάρχει και να είναι σωστό, αλλά δεν θα σκάσουμε κιόλας...», είναι ένα πολύ σημαντικό κομμάτι του πάζλ, που, αν δεν το πετύχουμε σωστά, είτε θα πάρουμε το μοτέρ στο χέρι είτε θα βγάλουμε κουτσουρεμένα άλογα, που θα μπορούσαν να βγουν και με το μισό -σε μέγεθος- τούρμπο: πολλοί τουρμπάτοι επικεντρώνουν σε πεταλούδες, πολλαπλές εξαγωγής και εισαγωγής, μπουζί ή δεν ξέρω εγώ τι άλλο και πετάνε ένα «ΟΚ, μωρέ, έβαλα ένα από S3, καλά είμαστε», «ξεχνώντας» ότι το ιντερκούλερ μπορεί σε κλίματα σαν τα δικά μας να έχει περισσότερη επίδραση απ’ ότι όλα αυτά μαζί.

Το ιντερκούλερ είναι κατά βάση ένα ψυγείο ή πιο επιστημονικά ένας «εναλλάκτης θερμότητας», δηλαδή μία διάταξη που μεταφέρει θερμική ενέργεια από ένα ρευστό (εδώ συμπιεσμένος αέρας μετά το συμπιεστή και πριν την πολλαπλή εισαγωγής) σε ένα άλλο (εδώ ο ατμοσφαιρικός αέρας), ρίχνοντας τη θερμοκρασία του πρώτου και αυξάνοντας αντίστοιχα αυτή του δεύτερου. Όμως τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά: η απαγωγή θερμότητας δεν είναι η μόνη παράμετρος για να κρίνουμε ένα ιντερκούλερ, αφού και μόνο η παρουσία του, σε ποιο σημείο δηλαδή βρίσκεται ως προς τη ροή και το αμάξωμα, δύναται να περιπλέξει άλλες παραμέτρους αρνητικά: δεν ισχύει πάντα ο κανόνας «οποιοδήποτε ιντερκούλερ είναι καλύτερο από καθόλου ιντερκούλερ». Και εδώ λοιπόν, όπως σχεδόν στα πάντα πάνω στο αυτοκίνητο, έχουμε συμβιβασμό μπροστά μας, αφού προσπαθούμε να βελτιστοποιήσουμε τα θετικά περιορίζοντας τα (αναπόφευκτα) αρνητικά. 

Και γιατί τώρα η αφαίρεση θερμότητας από το συμπιεσμένο αέρα εισαγωγής μας βολεύει τόσο πολύ; Πρώτον, γιατί βάσει των θεμελιωδών αρχών της θερμοδυναμικής των αερίων και της καταστατική τους εξίσωσης, είτε ως ιδανικά (P=ρRT) είτε ως πραγματικά αέρια (=ο τύπος των ιδανικών με δυνάμεις και πιο μακρύς είναι και για σταθερή πίεση, όσο μειώνουμε τη θερμοκρασία τόσο αυξάνεται η πυκνότητα (ημιαδιαβατική μετατροπή πιο συγκεκριμένα), δηλαδή έχουμε περισσότερο αέρα στη μονάδα του όγκου. Και περισσότερος αέρας στο δεδομένο όγκο (κύλινδροι, plenum) σημαίνει ότι μπορούμε να κάψουμε περισσότερο καύσιμο και να παράξουμε περισσότερη ισχύ. Φυσικά, όπως θα δούμε, εκτός από μείωση στη θερμοκρασία, η παράπλευρη απώλεια εδώ είναι και μια κάποια μείωση (πτώση) πίεσης στο ιντερκούλερ, σε ένα, όμως, σωστό ιντερκούλερ η σχετική πτώση θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη από τη σχετική πτώση πίεσης κι έτσι ο παραπάνω τύπος P=ρRT μας δίνει τελικά αύξηση στην πυκνότητα του αέρα μας, που είναι και το ζητούμενο.

Δεύτερον και ομοίως σημαντικό είναι η ποιότητα της καύσης και πιο συγκεκριμένα η προδιάθεση για πειράκια/προ-αυτανάφλεξη, η οποία μειώνεται όσο μειώνεται η θερμοκρασία εισαγωγής (και η οποία -χωρίς ιντερκούλερ- θα μειωνόταν μόνο με ανούσια, πολύ πλούσια μείγματα ή water injection, περίπου ένας βαθμός μείωσης στην εισαγωγή άλλωστε μας δίνει και ένα βαθμό μείωσης στη θερμοκρασία καυσαερίων). Επομένως, δεν αυξάνουμε μόνο τα άλογα, αλλά και την αξιοπιστία μας.

Inter-, after-, charge- και το κακό συναπάντημα

Και κάτι σχετικά με την ονοματολογία του εδώ θέματος πριν πάμε στα πιο βαθειά: κάποιοι νεκρόφιλοι, ακόμα συζητάνε, αν το intercooler πρέπει να λέγεται «aftercooler» αντί του καθιερωμένου αλλά, κατ’ αυτούς, όχι και τόσο σωστού «intercooler». Όλα ξεκινάνε από πολύ παλιά, από τους αεροπορικούς εμβολοφόρους κινητήρες, που είχαν υπερτροφοδότηση δύο σταδίων σε διάταξη τοποθετημένων συμπιεστών σε σειρά, όπου η έξοδος της πρώτης βαθμίδας ήταν η είσοδος της δεύτερης (όπου εκεί οι λόγοι πίεσης πολλαπλασιάζονται, θα τα δούμε αργότερα αυτά). Εκεί, λοιπόν, υπήρχε ένας εναλλάκτης ανάμεσα στις δύο βαθμίδες, ο οποίος λεγόταν inter-(ενδιάμεσα)-cooler και ένας δεύτερος μετά τη δεύτερη βαθμίδα και πριν την πεταλούδα, το after-(μετά)-cooler. Με εξαίρεση, όμως, κάτι one-off μη road legal περίεργα diesel ή tractor pulling, δεν υπάρχουν τέτοιες διατάξεις σε αυτοκινητιστικές εφαρμογές: εδώ έχουμε εναλλάκτη μόνο μετά το τούρμπο (ή μετά από κάθε παράλληλο τούρμπο σε παράλληλες διατάξεις) και ακόμα και κάτι τελευταία τρι/τετρα-τούρμπινα diesel παραγωγής από BMW μεριά, τελευταίως δεν έχουν εναλλάκτη ανάμεσα στις βαθμίδες. Με άλλα λόγια, στα χωράφια μας, το intercooler ουσιαστικά «συμπίπτει» με το aftercooler και αφού και τα δύο μπορούν να θεωρηθούν σωστά, δεν έχουμε λόγο να του αλλάξουμε όνομα, δεδομένου ότι έτσι έχει επικρατήσει σήμερα. Στο κάτω κάτω της γραφής, μεγαλώσαμε βλέποντας τράκτορες, που η ίδια η Volvo βρωντοφώναζε ως «TURBO INTERCOOLER» και όχι «TURBO AFTERCOOLER»..!

Σε κάθε περίπτωση και τα δύο ανήκουν στην κατηγορία «charge-air cooler», δηλαδή εναλλάκτες-ψύκτρες συμπιεσμένου αέρα και εδώ το θέμα μπερδεύεται ακόμα περισσότερο, αφού, λανθασμένα τυπικά, ως «chargecooler» έχει επικρατήσει (αφού το έγραφαν ακόμα και κατασκευαστές, όπως η Lotus πάνω στα μοτέρ τους) να λέμε τους εναλλάκτες αέρα-νερού! Πώς θα έπρεπε να λέμε τα «chargecooler» αντί για chargecooler..;! Στην «επίσημη» αυτοκινητοβιομηχανία, γενικώς, τα ιντερκούλερ τα λένε «direct charge-air coolers» (ψύχονται άμεσα από τον αέρα) και τα chargecooler τα λένε «indirect charge-air coolers» (αφού, όπως θα δούμε, ψύχονται έμμεσα από ψυκτικό, που με τη σειρά του ψύχεται σε ξεχωριστό ψυγείο από αέρα), τα οποία με τη σειρά τους μπορεί να είναι είτε «stand alone» (τα παραδοσιακά chargecooler που ξέρουμε) είτε «manifold integrated», όπου η κυψέλη είναι μέσα στο plenum της πολλαπλής εισαγωγής (νέα μόδα στα τελευταία τουρμπάτα κυρίως από Γερμανία μεριά, όπως θα δούμε)! Για να μην μπερδευόμαστε, από εδώ και πέρα όταν λέμε intercooler, θα εννοούμε intercooler κι όταν λέμε chargecooler, θα εννοούμε chargecooler, όπως τα ξέρει η ελληνική πιάτσα!

Σχεδιάζοντας ένα ιντερκούλερ

Με μία φράση, ο σκοπός κάθε σχεδιαστή ιντερκούλερ είναι κοινός με αυτόν ενός σχεδιαστή μόδας: μεγιστοποίηση απαγωγής θερμότητας και ελαχιστοποίηση πτώσης πίεσης και turbo lag. Πάμε να δούμε ένα-ένα τι πρέπει να λάβουμε υπόψη.

Επιφάνεια απαγωγής θερμότητας: πρόκειται για το άθροισμα σε όρους εμβαδού όλων των επιφανειών και στις τρεις διαστάσεις της «κυψέλης» (ανεξαρτήτως μορφής) του ιντερκούλερ, που απαγάγουν θερμότητα εκτός αυτής και προς το περιβάλλον. Όσο αυτή αυξάνεται τόσο πιο αποδοτικό είναι το ιντερκούλερ μας, άλλα όχι αναλογικά, δηλαδή διπλασιασμός της συνολικής επιφάνειας δεν σημαίνει και διπλασιασμός του βαθμού απόδοσης: κάθε αύξηση 10% στη συνολική επιφάνεια, μας δίνει το 10% μόλις του υπόλοιπου βαθμού απόδοσης, που χάσαμε, δηλαδή αν έχουμε ένα ιντερκούλερ με 70% βαθμό απόδοσης και του αυξήσουμε την επιφάνεια κατά 10%, το νέο ιντερκούλερ θα έχει 70% + 30% x 10% = 73%.

Διατομή εσωτερικής ροής: όλοι ξέρουμε ότι, όταν μία ροή την «πάμε βόλτα» από δω κι από κει αντί να την πάμε «καρφί», έχουμε τοπικές και γραμμικές απώλειες πίεσης (το βασικό μέγεθος που πάνω απ’ όλα μας ενδιαφέρει σε ένα ιντερκούλερ), οι οποίες αυξάνονται εκθετικά με την αύξηση της ταχύτητας της ροής (η οποία με τη σειρά της -λόγω Μπερνούλι- μειώνεται με την αύξηση της διατομής). Έλα όμως που από πλευράς μεταφοράς θερμότητας αυτές οι «βολτάδικες» είναι οι ροές (τυρβώδεις) που είναι πιο αποδοτικές... Με άλλα λόγια, θέλουμε πάλι το συμβιβασμό, όπου η ροή μας μέσα στο ιντερκούλερ είναι σχετικά ελεύθερη, για να μην έχουμε μεγάλη πτώση πίεσης, αλλά όχι υπερβολικά ελεύθερη, ώστε να μην μεταφέρεται αρκετή ενέργεια. Αυτό που κοιτάμε τελικά, λοιπόν, είναι η συνολική εσωτερική διατομή της κυψέλης να είναι αρκούντως μεγάλη, ώστε να επιβραδύνει τον αέρα (μείωση πτώσης πίεσης), κάτι που ταυτόχρονα θα βοηθήσει και στο να μεταφέρει πιο εύκολα τη θερμότητά του στα τοιχώματα.

Εσωτερικός όγκος: κάτι που δεν συνειδητοποιεί πολύς κόσμος είναι ότι για να φτάσουμε να έχουμε μία x πίεση στην πολλαπλή εισαγωγής, πρέπει πρώτα η πίεση αυτή να έχει αναπτυχθεί εσωτερικά του ιντερκούλερ, με φουλ ανοικτό γκάζι, μιλάμε, άλλωστε, για το ίδιο ανοικτό κύκλωμα. Ο εσωτερικός αυτός όγκος του ιντερκούλερ συνεισφέρει μ’ αυτόν τον τρόπο στο συνολικό turbo lag, το οποίο φυσικά εξαρτάται και από ένα σωρό άλλους παράγοντες, που είδαμε ή θα δούμε, οπότε πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη. Υπάρχει ένας (πολύ εμπειρικός και χονδροειδής) τύπος που δίνει ακριβώς σε χρόνο το lag, που προσθέτει το σύστημα του ιντερκούλερ μας (μαζί με τον όγκο των σωληνώσεων του πριν και μετά) στο συνολικό και αυτός είναι:

Lag σε συγκεκριμένες rpm σε second = [συνολικός εσωτερικός όγκος του συστήματος σε κυβικές ίντσες / ροή όγκου αέρα στο σύστημα στις rpm αυτές σε cfm] x 60sec/min x 0,000579 x 2

Το x2 το βάζουμε εδώ, έτσι ώστε να πούμε ότι χονδρικά η ροή όγκου διπλασιάζεται στο σύστημα, αν από μισό γκάζι ξετούρμπιστοι, πάμε σε πλήρες τουρμπίζοντας. Αν έχουμε έναν εσωτερικό όγκο συν σωληνώσεις ιντερκούλερ 500 κυβικών ιντσών και μία ροή 150cfm, τότε ο τύπος δίνει (500/150)  x 60 x 0,000579 x 2 = 0,23sec. Με τις υγείες σας.

Ο όγκος του ιντερκούλερ και των σωληνώσεών του επηρεάζει -από την αντίστροφη φορά-άμεσα και την απόκριση του γκαζιού σε σύστημα με air flow meter στην εισαγωγή του συμπιεστή, δηλαδή πολύυυ μακριά από την πεταλούδα: πατώντας το γκάζι και ανοίγοντας την πεταλούδα, δημιουργείται ένας χαμηλής πίεσης παλμός-κύμα, που αρχίζει να ταξιδεύει κόντρα στη ροή, όπου, αφού φτάσει στο ιντερκούλερ από τις σωληνώσεις πεταλούδας-ιντερκούλερ, πρέπει να περάσει από μέσα του, μετά αφού περάσει από τις σωληνώσεις ιντερκούλερ συμπιεστή τούρμπο να περάσει μέσα από το συμπιεστή και στη συνέχεια να φτάσει στο AFM και τελικά αυτό να καταγράψει τον παλμό. Μόνο αφού αυτό λάβει τον παλμό, μπορεί να δώσει εντολή για εμπλουτισμό μείγματος βάσει του νέου φορτίου που κατέγραψε. Σε πιο καινούργια management, όπου στηρίζονται περισσότερο στον αισθητήρα γωνίας πεταλούδας παρά σε AFM ή ακόμα καλύτερα σε MAP sensor και θερμοκρασία εισαγωγής αποκλειστικά, το παραπάνω «ταξίδι» έχει λιγότερο αρνητικό αντίκτυπο και πάλι, γίνεται όμως ορατό ότι γενικότερα ένα ογκώδες και μακρύ σύστημα ιντερκούλερ επηρεάζει όλη τη ροή και την απόκριση ανεξαρτήτως αισθητήρων. Είναι, λοιπόν, τώρα συνολικά κατανοητό πόσο δύσκολο είναι να έχουμε ένα ιντερκούλερ με πολύ καλή θερμοαπαγωγική ικανότητα και ταυτόχρονα χωρίς μεγάλη πτώση στην υπερπίεση-στόχο μας και στην απόκριση του γκαζιού.

Πώς μετράμε την απόδοση του ιντερκούλερ

Όλα τα λεφτά, όπως είπαμε, για ένα ιντεκρκούλερ είναι η αύξηση στην πυκνότητα του αέρα εισαγωγής που επιφέρει. Πώς στο καλό μετράμε πυκνότητα όμως..; Αυτή μπορεί να μετρηθεί πρακτικά έμμεσα μέσω της διαφοράς θερμοκρασιών πριν και μετά: για την ακρίβεια χρειαζόμαστε την απόλυτη (σε Kelvin) θερμοκρασία πριν το ιντερκούλερ και την απόλυτη μετά από αυτό. Αν π.χ. στην έξοδο του συμπιεστή έχουμε θερμοκρασία αέρα 90 βαθμούς Κελσίου και μετά το ιντερκούλερ 25 βαθμούς τότε έχουμε:

Ποσοστιαία αλλαγή στην πυκνότητα = (απόλυτη θερμοκρασία πριν / απόλυτη θερμοκρασία μετά) – 1 = [(273,16+90) / (273,16+25)] – 1 = 0,218 = 21,8% 

Συγχαρητήρια, το ιντερκούλερ σας σας δίνει 21% μεγαλύτερη πυκνότητα. Στην πράξη αυτό πολύ απλά σημαίνει ότι 21% περισσότερα μόρια αέρα θα μπουν στο θάλαμο καύσης σας σε σχέση με ένα setup χωρίς ιντερκούλερ, και, θεωρητικά, αν όλα τα άλλα παραμείνουν ίδια, κάπου εκεί θα είναι και η αύξηση σε ισχύ. Λέμε «θεωρητικά», γιατί, δυστυχώς, στην πράξη υπάρχει πτώση πίεσης μέσα στο ιντερκούλερ, όπως την περιγράψαμε.

Πόσο μας στοιχίζει αυτή η πτώση (υπερ)πίεσης τελικά πρακτικά; Μπορούμε και εδώ να την υπολογίσουμε από το λόγο των απόλυτων πιέσεων (όπως είχαμε υπολογίσει και με το συμπιεστή), όπως αυτή μετριέται με και χωρίς το ιντερκούλερ. Αν π.χ. χωρίς το ιντερκούλερ το εργαλείο μας σηκώνει 10psi / 0,69 bar και με το ιντερκούλερ έχει μία πτώση πίεσης 2psi – 0,14bar, σηκώνοντας μόνο 0,55bar μετά, τότε οι απώλειες ισχύος λόγω πτώσης πίεσης υπολογίζονται:

Ποσοστιαία μείωση ισχύος = 1 – (απόλυτη πίεση με ιντερκούλερ) / (απόλυτη πίεση χωρίς ιντερκούλερ) = 1 – (14,7 + 8) / (14,7 + 10) = 0,08 = 8%

Φυσικά κάποιος θα πει ότι μπορούμε να αναπληρώσουμε τις απώλειες αυτές αυξάνοντας την πίεση π.χ. μέσω της ρύθμισης της wastegate, αλλά έτσι μπαίνουμε σε φαύλο κύκλο, αφού να γλιτώσουμε από τις απώλειες είναι φυσικώς αδύνατο: αν αυξήσουμε πίεση μέσω της wastegate,  η ισχύς θα αυξηθεί μεν, αυτό, όμως, θα οδηγήσει φυσικά σε μεγαλύτερη πίεση στην είσοδο του στροβίλου, αφού λιγότερα καυσαέρια θα τον κάνουν bypass, το οποίο αυξάνει τα φαινόμενα backflow λόγω backpressure, το οποίο αυξάνει τις θερμοκρασίες στο θάλαμο καύσης, το οποίο με τη σειρά του μειώνει την πυκνότητα του μείγματος κλπ. Τελικά, ω ναι, μπορεί κάποιος να αυξήσει έτσι τα άλογα, άλλα αυτό δεν μπορεί να γίνει με ιντερκούλερ ...μηδενικών απωλειών, αυτές θα είναι εκεί πάντα ό,τι και να κάνουμε.

Πάμε τώρα κατευθείαν στο ψητό, στην ταμπακιέρα, που είναι αυτός καθαυτός ο βαθμός απόδοσης του ιντερκούλερ. Η προσέγγισή μας εδώ είναι να συγκρίνουμε το πόση θερμότητα από αυτή που προσδίδει ο συμπιεστής στο ρευστό αφαιρείται τελικά από το ιντερκούλερ. Τα μεγέθη, που χρειαζόμαστε εδώ, είναι τα εξής: θέλουμε κατ’ αρχήν τη θερμοκρασία εξόδου του συμπιεστή (Τc) και τη θερμοκρασία περιβάλλοντος (Τa), έτσι ώστε να έχουμε την αύξηση θερμοκρασίας (Τc – Τa). Η θερμότητα, που αφαιρείται από το ιντερκούλερ, αντικατοπτρίζεται από τη διαφορά θερμοκρασίας εξόδου του συμπιεστή και της θερμοκρασίας εξόδου του ιντερκούλερ (Τi). Η μείωση θερμοκρασίας στο ιντερκούλερ, λοιπόν, είναι (Τc – Τi).

Τώρα ως βαθμό απόδοσης (Εi) του ιντερκούλερ ορίζουμε το λόγο των δύο παραπάνω διαφορών, δηλαδή είναι η διαφορά θερμοκρασίας, που αφαιρείται από το ιντερκούλερ, προς την αύξηση της θερμοκρασίας από το συμπιεστή:

Εi = (Τc – Τa) / (Τc – Τi)

Πάμε να χώσουμε νουμεράκια στον τύπο: πες ότι έξω στην ατμόσφαιρα έχει 25 βαθμούς Κελσίου, ότι ο άτιμος ο συμπιεστής «βράζει» τον αέρα στους 120 βαθμούς και ότι το κακόμοιρο το ιντερκούλερ μας καταφέρνει να τον ρίξει στην έξοδό του στους 45 βαθμούς:

Εi = (120 – 45) / (120 – 25) = 0,789 = 78,9%

Επιλέγοντας τύπο

Από τις δύο μεγάλες κατηγορίες εναλλακτών, που προαναφέραμε, αέρα-αέρα δηλαδή ιντερκούλερ και αέρα-νερού δηλαδή chargecooler, δεν υπάρχει μία ενιαία απάντηση για το πιο είναι καλύτερο, όπως θα δούμε, το καθένα έχει τα καλά και τα κακά του ανάλογα με τη συγκεκριμένη ξεχωριστή εφαρμογή μας σε δεδομένο όχημα, μηχανοστάσιο και setup. Σε πολύ γενικές γραμμές, ένα ιντερκούλερ είναι φυσικά πιο απλό σε εγκατάσταση και λειτουργία (αφού είναι ένα σκέτο ψυγείο, χωρίς τρόμπες και ιστορίες), έχει καλύτερο βαθμό απόδοσης σε μεγάλες ταχύτητες, είναι πιο αξιόπιστο και πολύ φθηνότερο. Ένα chargecooler από την άλλη έχει καλύτερο βαθμό απόδοσης σε χαμηλές ταχύτητες, καλύτερη απόκριση στο γκάζι σε setup με MAF, μικρότερη πτώση πίεσης και επομένως λιγότερη τάση για surge στο συμπιεστή. Και φυσικά είναι πάντα και το χωροταξικό στο μηχανοστάσιο: ένα ιντερκούλερ γενικώς απαιτεί περισσότερο όγκο-χώρο για το ίδιο (μεγαλύτερη κυψέλη) και τις σωληνώσεις του από ένα chargecooler για να πάρουμε το ίδιο αποτέλεσμα, όποτε ο χώρος μπορεί να επαρκεί μόνο για chargecooler, αλλά όχι για ιντερκούλερ. Σήμερα θα μείνουμε στα ιντερκούλερ και σε επόμενη ενότητα θα δούμε πιο αναλυτικά τα chargecooler.

Ως προς τη μορφολογία της κυψέλης τώρα, δύο είναι οι βασικές κατηγορίες ιντερκούλερ: τα bar and plate (ή plate-and-shell), όπου απλά έχουμε πλάκες στιβαγμένες-κολλημένες μεταξύ τους κάθετα, με τον αέρα να περνάει ανάμεσα στις στρώσεις και τα tube and fin (ή extruded-tube), όπου έχουμε έτοιμους-ανεξάρτητους αγωγούς από εξέλαση σε διατομή σχήματος πεπιεσμένου οβάλ. Η πρώτη και πιο αγαπητή -σε εμάς τους άρρωστους- κατηγορία έχει μικρότερες απώλειες πίεσης, πολύ μεγαλύτερη αντοχή σε μεγάλες πιέσεις υπερπλήρωσης, αλλά είναι πιο ακριβή, ενώ η δεύτερη κατηγορία έχει καλύτερο βαθμό απόδοσης ως προς τις θερμοκρασίες και προτιμάται κατά κόρον από «φορτηγατζήδες» και λοιπούς με μεγάλα επαγγελματικά πετρέλαια. Επίσης, τα bar and plate έχουν καλύτερη ισορροπία/λόγο μεταξύ εξωτερικής επιφάνειας, που αγγίζει ο ατμοσφαιρικός αέρας και των εσωτερικών επιφανειών συμπιεσμένου αέρα και επίσης βγαίνουν σε πιο custom διαστάσεις σε σχέση με τα στάνταρντ μεγέθη στα tube and fin.

Και πώς ακριβώς δουλεύει πρωταρχικά μία κυψέλη..; Κατά βάση μέσω συναγωγής ως εξής: έχουμε την επιφάνεια-πρόσωπο της κυψέλης, η οποία «βλέπει» τη ροή του ατμοσφαιρικού αέρα και η οποία χτυπάει τόσο τους αγωγούς, που περνάει εσωτερικά ο συμπιεσμένος αέρα όσο και τα κενά ανάμεσά τους, τα οποία καλύπτονται από τη χαρακτηριστική εξωτερική «σερπαντίνα» (στροβιλιστές), σκοπός της οποίας είναι να μεγιστοποιήσει τη συνολική διεπιφάνεια επαφής του αέρα με την κυψέλη και να βελτιστοποιήσει τη μεταφορά θερμότητας από τα τοιχώματα των αγωγών συμπιεσμένου αέρα. Κοιτώντας την επιφάνεια αυτή έχουμε εναλλάξ αγωγό συμπιεσμένου αέρα, εξωτερική σερπαντίνα, που περνάει ο ατμοσφαιρικός αέρας, αγωγό, σερπαντίνα κλπ. Κάθετα στη φορά του ατμοσφαιρικού αέρα εισέρχεται από την άλλη ο συμπιεσμένος αέρας σε αγωγούς με εσωτερική σερπαντίνα, όπου πάλι έχουμε εναλλάξ αγωγό-σερπαντίνα κλπ. με «διαφορά φάσης» έναν αγωγό-σερπαντίνα σε σχέση με την άλλη επιφάνεια φυσικά.

Διαστασιολογώντας το ιντερκούλερ

Και ξεκινάμε από τη διατομή εσωτερικής ροής, που αναφέραμε πιο πάνω. Ένα πολύ μεγάλο ποσοστό της πτώσης πίεσης στο ιντερκούλερ εξαρτάται από τη διατομή των αγωγών της κυψέλης εσωτερικά, όπου:

Διατομή εσωτερικής ροής = μήκος αγωγών κυψέλης x πλάτος αγωγών κυψέλης x αριθμός αγωγών

Η διατομή εσωτερικής ροής είναι σε άμεση συσχέτιση με τη ροή από το τούρμπο μας και υπάρχουν ειδικά διαγράμματα-καμπύλες, που τα συσχετίζουν (η σχέση είναι πρακτικά γραμμική-ευθεία, όσο αυξάνεται το ένα μέγεθος πρέπει να αυξηθεί και το άλλο), η κλίση των οποίων έχει να κάνει με την πυκνότητα και το μέγεθος της σερπαντίνας. Μιλώντας για τη σερπαντίνα, αν αυτή δεν υπήρχε, θα είχαμε κατασκευαστικά μικρότερη επιφάνεια ροής και επομένως πολύ μικρότερη μεταφορά θερμότητας, αφού δουλειά της είναι να μετατρέπει τη στρωτή-γραμμική ροή σε τυρβώδη, το οποίο με άλλα λόγια σημαίνει ότι περισσότερα μόρια αέρα θα έχουν την ευκαιρία να ακουμπήσουν τοίχωμα. Όσο αυξάνουμε την πυκνότητα στα ελάσματα της σερπαντίνας, ο βαθμός απόδοσης αυξάνεται (εδώ μπαίνει ως επίδραση το οριακό στρώμα στα τοιχώματα, η περιοχή ακριβώς δίπλα από τα τοιχώματα, όπου μειώνεται τοπικά η ταχύτητα της ροής σε σχέση με την υπόλοιπη, αλλά εκεί είναι που η μεταφορά θερμότητας είναι πιο έντονη), αλλά από την άλλη, όπως καταλαβαίνει κανείς, αυξάνονται και οι απώλειες σε πίεση. Φυσικά, χωρίς σερπαντίνα θα μειωνόταν η πτώση πίεσης, αλλά συνολικά θα είχαμε χασούρα, αφού η μείωση στη μεταφορά θερμότητας θα ήταν ακόμα μεγαλύτερη. Φυσικά πάλι είναι και χωροταξικό το θέμα, μία πολύ πυκνή σερπαντίνα αφήνει ελεύθερο χώρο με μεγαλύτερη διατομή εσωτερικής ροής.

Από τη στιγμή τώρα που από το γινόμενο πάνω  έχουμε τη διατομή εσωτερικής ροής, μπορούμε να αρχίσουμε να μιλάμε για τις συνολικές διαστάσεις και το σχήμα της κυψέλης μας. Κατά κανόνα, από την πλευρά εισαγωγής του συμπιεσμένου αέρα, περίπου το 45% της επιφάνειας αυτής αποτελεί την επιφάνεια εισόδου στους αγωγούς του συμπιεσμένου αέρα και το υπόλοιπο «κοντράρει» στους αγωγούς που περνάει ο ατμοσφαιρικός αέρας από την άλλη πλευρά. Για να βρούμε την απαιτούμενη επιφάνεια από την πλευρά του συμπιεσμένου αέρα, διαιρούμε τη διατομή εσωτερικής ροής με 45%. Οι κυψέλες φυσικά δεν βγαίνουν σε όποια διάσταση θέλουμε, αλλά είναι «κβαντισμένων» διαστάσεων, συνήθως σε αγγλοσαξονικό σύστημα, όπως δηλαδή και οι διάμετροι στις εξατμίσεις: έτσι έχουμε τυποποιημένες κυψέλες τυπικά πάχους 2 (51mm), 2,5 (63,5mm) ή 3 ιντσών (76mm), μήκος ή ύψος-πλάτος κυψέλης-αγωγών 6/8/9/10/12/18/24 ιντσών. Για πάμε να δούμε ένα παράδειγμα: έστω ότι έχουμε συμπιεσμένη ροή από το συμπιεστή 500cfm. Από τα εμπειρικά διαγράμματα προκύπτει μία διατομή εσωτερικής ροής της τάξεως των 25 τετραγωνικών ιντσών. Οπότε με το 45%, που είδαμε πιο πάνω, θέλουμε μία επιφάνεια από την πλευρά του συμπιεσμένου αέρα του ιντερκούλερ της τάξεως των 25/0,45=56 κυβικές ίντσες επιφάνεια. Για κυψέλη πάχους 3 ιντσών, λοιπόν, χρειαζόμαστε ένα ύψος-πλάτος κυψέλης 56/3=19 ίντσες και για κυψέλη 2 ιντσών χρειαζόμαστε ένα ύψος-πλάτος κυψέλης 56/2=28 ίντσες.

Αν ο χώρος μας επαρκεί μόνο για πάχος κυψέλης 2 ιντσών, ο βαθμός απόδοσης εμπειρικά θα αυξηθεί, καθώς το μεγαλύτερο ύψος της κυψέλης θα σημαίνει μεγαλύτερη μετωπική επιφάνεια ατμοσφαρικού αέρα από μπροστά. Με άλλα λόγια, για δεδομένη πλαϊνή επιφάνεια υπερπίεσης προτιμούμε, γενικώς, λεπτότερη κυψέλη με μεγαλύτερη μπροστινή επιφάνεια παρά το αντίστροφο. Φυσικά, το μήκος των αγωγών υπερπίεσης πολλαπλασιαζόμενο με το ύψος δίνει το εμβαδόν της μπροστινής επιφάνειας.

Μιλώντας για τη μπροστινή επιφάνεια, αυτή που βλέπουμε μέσα από τον προφυλακτήρα, είναι το μέγεθος, που φανερώνει πόσος ατμοσφαιρικός αέρας περνάει μέσα από την κυψέλη. Φυσικά, όσο αυξάνεται η παροχή αυτής της ροής τόσο βελτιώνεται η ψύξη, όπου η παροχή του εξωτερικού αέρα είναι το γινόμενο της ταχύτητας κίνησης του οχήματος επί το εμβαδόν της επιφάνειας αυτής (και έτσι φαίνεται η επίδραση της επιφάνειας σε σχέση με το πάχος της κυψέλης):

Παροχή =  ταχύτητα κίνησης x εμπρός επιφάνεια

, π.χ. αν πάμε με 100km/h (60mph)  και το ιντερκούλερ μας έχει εμπρός επιφάνεια 0,19 τετραγωνικά μέτρα (2 τετραγωνικά πόδια) έχουμε: Παροχή =  60 x 2 x 5280 (πόδια στο μίλι) x 1/60 (λεπτά στην ώρα) = 10.560cfm

Υπάρχουν και άλλοι παράγοντες, όμως, λιγότερο φανεροί, όπως το πόσο γρήγορα πάμε και πόσο μεγάλο φαίνεται το ιντερκούλερ από μπροστά, και επηρεάζουν την παροχή ατμοσφαιρικού αέρα, επομένως και την ψυκτική ικανότητα: ένα από αυτά είναι το πως το ιντερκούλερ επηρεάζει τα υπόλοιπα ψυγεία στη μετώπη (αν έχει τέτοια μετωπική επιφάνεια που κρύβει τον ...ήλιο σε οτιδήποτε από πίσω του, έχουμε θέμα), ένα άλλο από αυτά είναι η αεροδυναμική της κυψέλης και πιο συγκεκριμένα η εξωτερική μορφή των αγωγών συμπιεσμένου αέρα, στην οποία χτυπάει εξωτερικά ο ατμοσφαιρικός αέρας! Έτσι θα δείτε κυψέλες με στρογγυλεμένες τις άκρες των αγωγών από μπροστά, κάτι που αυξάνει τη ροή διαμέσου της κυψέλης και βελτιώνει το συντελεστή οπισθέλκουσας του ιντερκούλερ και κατ’ επέκταση όλης της μούρης του αυτοκινήτου! Ο συντελεστής οπισθέλκουσας του ιντερκούλερ είναι παλιά και πονεμένη ιστορία: ενώ επηρεάζει πολύ τη συνολική αεροδυναμική του αυτοκινήτου, δεν θα βρείτε συγκεκριμένες τιμές από τους κατασκευαστές ιντερκούλερ, όσο μεγάλοι κι αν είναι, ώστε να συγκρίνετε μεταξύ τους διαφορετικές λύσεις. Κι όταν μιλάμε για ιντερκούλερ-τέρατα που πιάνουν τη μισή και βάλε μάσκα, από κάποια ταχύτητα και πάνω, ο ρόλος της αεροδυναμικής τους συμπεριφοράς είναι άκρως σημαντικός. Φωνάζουν αγωνιστικές ομάδες για δημοσιοποίηση τέτοιων τιμών, φωνάζουν και οι ψαγμένοι βελτιωτές, αλλά τίποτις..