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Intercoolers – Explained

Les pièces de performance du moteur améliorent les performances du compresseur…

Je compile un guide sur la façon de choisir les pièces de performance exactes du moteur pour répondre à vos besoins de puissance cibles. Fondamentalement, je veux éliminer toutes les conjectures de réglage et vous faire économiser de l’argent en évitant de devoir refaire les choses encore et encore.

Pendant que je faisais des recherches pour “acheter le bon intercooler”, je me suis perdu, honnêtement. Vous y trouverez deux types d’informations :

1-Une classe d’articles est écrite par des ingénieurs parlant de différentiels de pression, d’efficacités thermiques, d’enthalpie et d’équations à plusieurs variables qui sont très éloignées du débit, de la puissance, du couple, du régime du compresseur ou d’autres choses que nous SAVONS que nous pouvons utiliser comme entrée à nos équations. (Fondamentalement, cette science doit être traduite en termes simples)

2-L’autre classe est un groupe de conseils d’essais et d’erreurs aléatoires par des passionnés, des communiqués de presse et d’autres documents que vous trouvez en ligne.

Voici ce que nous savons :

Parlons d’abord du fonctionnement des intercoolers. Il y a un débat pour savoir si le refroidisseur intermédiaire est comme un dissipateur de chaleur dont la fonction est d’absorber l’énergie thermique de l’air entrant pour empêcher la chaleur d’atteindre le moteur, ou si le refroidisseur intermédiaire est comme un radiateur, où le flux d’air sur le refroidisseur intermédiaire est responsable de l’extraction de la chaleur de la charge d’air d’admission.

La vraie réponse est que les deux sont corrects…

L’air qui traverse l’intercooler passe très peu de temps à l’intérieur de l’intercooler et le ralentir pour plus d’échange thermique (comme nous le ferions avec du liquide de refroidissement dans le radiateur) reviendrait à empêcher l’air d’atteindre le moteur, ce qui limite la puissance. Parce que l’air passe peu de temps dans le refroidisseur intermédiaire, le refroidisseur intermédiaire a généralement plusieurs passages, nervures internes et ailettes à l’intérieur pour maximiser la surface de contact entre l’aluminium du refroidisseur intermédiaire et les molécules d’air comprimé. En ce sens, le volume global du refroidisseur intermédiaire et la surface globale de ses surfaces internes ressemblent à un dissipateur thermique qui absorbe l’énergie thermique de l’air comprimé. Dans cet aspect, il est logique que plus notre refroidisseur intermédiaire soit grand, mieux c’est. En outre, il est également logique que plus les passages internes de notre noyau sont complexes et compliqués, plus nous pourrons extraire de chaleur de l’air de suralimentation. Bien sûr, le revers de la médaille est que des passages internes très complexes peuvent créer des turbulences et restreindre le flux d’air, de sorte qu’il existe finalement un équilibre dans une bonne conception entre la complexité interne et la capacité de débit.

Lorsque nous commençons, l’intercooler est froid, et avec notre première mise sous tension, lorsque l’air comprimé chaud traverse l’intercooler, la chaleur est transférée à notre dissipateur de chaleur (qui est l’intercooler) et il reste de l’air frais pour entrer dans le moteur. Après la première course, le refroidisseur intermédiaire est chaud ; et si nous devions faire une deuxième course de puissance dos à dos, le refroidisseur intermédiaire ne pourra pas DISSER beaucoup de chaleur car il est déjà un peu chauffé. C’est là qu’intervient le refroidisseur intermédiaire en tant que radiateur, la chaleur qui a été transférée de l’air au noyau du refroidisseur intermédiaire doit être évacuée soit par un flux d’air croisé dans un refroidisseur intermédiaire air-air, soit par un fluide de refroidissement dans un air-eau. refroidisseur intermédiaire, ou même par un bain d’eau glacée pour les applications de course de dragsters. Sans récupérer la chaleur que le refroidisseur intermédiaire a absorbée de l’air comprimé, le refroidisseur intermédiaire chauffera course après course jusqu’à ce que sa température soit la même que celle de l’air comprimé qui le chauffe. À ce stade, il n’y a pas de différence de température entre l’air et le noyau de l’intercooler et nous ne pouvons plus DIRIMER de chaleur.

Certaines voitures ont leurs refroidisseurs intermédiaires situés sous le capot de la voiture (comme la Mazda Sentia / 626). Dans ce type d’installation, le refroidisseur intermédiaire est principalement un dissipateur de chaleur et sera utilisé pour quelques passages jusqu’à ce qu’il s’imprègne, une fois qu’il s’imprègne, il doit être laissé refroidir jusqu’à ce qu’il revienne à des températures sous le capot avant de pouvoir être à nouveau efficace en tant que refroidisseur intermédiaire. . Nous en déduisons que tout refroidisseur intermédiaire, aussi petit soit-il mal placé, vaut mieux que pas de refroidisseur intermédiaire, car au moins pour cette première mise sous tension, il augmentera potentiellement la puissance.

Maintenant, j’aimerais que vous gardiez cette information à l’esprit pendant que nous parlons des dimensions de l’intercooler…

Il y a trois dimensions principales pour le refroidisseur intermédiaire, la hauteur (H), la largeur (W) et la profondeur (D) et sur cette base, il y a quelques concepts physiques auxquels nous voulons réfléchir :

Zone transversale :

Hauteur x Profondeur = la section transversale du refroidisseur intermédiaire et est liée à la façon dont le refroidisseur intermédiaire s’écoulera et s’il pose ou non une restriction au débit d’admission. Il s’agit de la zone de la surface faisant face à l’air comprimé lorsqu’il se déplace à travers le refroidisseur intermédiaire. Tout comme les admissions à écoulement libre, les corps de papillon et les échappements, si cette zone est sous-dimensionnée, cela posera une restriction de débit et réduira les performances.

Largeur:

Largeur = la longueur du refroidisseur intermédiaire et si vous avez un refroidisseur intermédiaire d’entrée/sortie du même côté, la longueur de votre refroidisseur intermédiaire est effectivement de 2 * W. Il s’agit de la distance que l’air doit parcourir à travers le noyau turbulent et complexe du refroidisseur intermédiaire. Plus cette longueur est longue, plus il y a de chute de pression dans l’intercooler, il n’est donc pas conseillé d’avoir un intercooler trop large car nous perdrions la compression du turbocompresseur dans la chute de pression de l’intercooler, il n’est pas non plus conseillé d’avoir le même côté entrée/sortie intercooler où l’air doit parcourir une longue distance dans le noyau.

Zone frontale :

Largeur x Hauteur = zone frontale de l’intercooler qui fait face à l’air ambiant entrant, une zone frontale de bonne taille est nécessaire pour s’assurer que l’intercooler ne chauffe pas et que le flux d’air qui se précipite est capable de refroidir efficacement l’intercooler (comme un radiateur ) pour que vous puissiez effectuer des courses de puissance consécutives. Au fur et à mesure que nous augmentons cette zone, nous nous attendons à ce que le refroidisseur intermédiaire ait un meilleur contrôle sur sa température de fonctionnement maximale et ait une meilleure répétabilité, peu importe combien de temps nous restons en boost (bon pour les courses debout sur un kilomètre par exemple ou les courses sur route toute la journée).

Profondeur:

Profondeur = la profondeur de l’intercooler, généralement l’intercooler est monté à l’avant devant le radiateur… si vous augmentez trop la profondeur (et surtout sans conduit d’air approprié vers l’intercooler et les profils aérodynamiques entre l’intercooler et le radiateur) alors vous pouvez ralentissez suffisamment l’arrivée d’air ambiant pour que votre radiateur commence à surchauffer. Ainsi, l’augmentation de D nous donne de meilleures performances du refroidisseur intermédiaire et une plus grande capacité de débit (H * D est la section transversale mentionnée ci-dessus), mais cela réduit l’efficacité du refroidissement du moteur, il doit donc également être contrôlé.

Enfin et surtout:

Volume total:

Hauteur x Largeur x Profondeur = le volume total de l’intercooler, qui est une mesure indirecte de la surface interne de l’intercooler. Plus le volume est grand, plus la surface d’échange de chaleur est grande, plus nous pouvons évacuer la chaleur de l’air en un laps de temps extrêmement court (les 100 millisecondes environ que l’air passe à l’intérieur du noyau). Évidemment, plus le volume est grand, meilleur est le refroidissement et pire est la chute de pression. Encore une fois, ce nombre doit être contrôlé.

Comment puis-je savoir si le refroidisseur intermédiaire que j’ai maintenant est adéquat ?

L’efficacité du refroidisseur intermédiaire peut être testée de deux manières :

1-Performances thermiques

a. Mesurez la différence de température entre l’air d’entrée du refroidisseur intermédiaire et l’air de sortie du refroidisseur intermédiaire et utilisez ce delta T pour comparer les refroidisseurs intermédiaires dont vous disposez. Les meilleurs refroidisseurs intermédiaires peuvent faire chuter la température de l’air de plus de 100*F et vous amener à moins de 20* des températures de l’air ambiant. Si votre refroidisseur intermédiaire d’usine peut déjà obtenir des résultats similaires, il n’est peut-être pas nécessaire de le mettre à niveau.

b.Suivez la température de votre refroidisseur intermédiaire lors d’un fonctionnement prolongé ou lors de cycles d’alimentation consécutifs. La conception et l’emplacement de l’intercooler doivent être adéquats pour que l’augmentation de la température au fil du temps (avec, par exemple, plus de 60 mph d’air frappant l’intercooler) soit contrôlée, si l’augmentation de la température est trop forte, vous aurez peut-être besoin d’un meilleur noyau «radiant» avec plus zone frontale, de meilleurs guides d’air et des feuilles d’air, et un meilleur placement avec de l’air à haute pression devant et de l’air à basse pression derrière… nous expliquerons plus à ce sujet plus tard.

Performances à 2 flux

a. Mesurez le débit à travers le noyau de l’intercooler à 28″ d’eau (standard pour la plupart des débitmètres), ou mesurez la chute de pression globale de l’intercooler au débit requis par votre puissance cible. Si l’intercooler est sur la voiture, mesurez le différentiel pression à travers votre refroidisseur intermédiaire aux chiffres de puissance maximale.

Les meilleurs refroidisseurs intermédiaires auront moins de 1 psi de chute de pression (généralement de 0,5 à 0,9 psi) au pic de suralimentation et de puissance. Si votre refroidisseur intermédiaire se situe dans ces chiffres de puissance, il n’est peut-être pas nécessaire de le mettre à niveau.

Revenons maintenant à la sélection du refroidisseur intermédiaire de la meilleure taille pour votre application, il serait très difficile pour moi de comprendre les calculs exacts sur la façon d’optimiser la taille de votre refroidisseur intermédiaire, et ensuite je devrais traduire ces calculs en “ termes de voiture ” de puissance , températures d’air d’admission, températures de sortie du compresseur, rapports de pression et pressions de suralimentation… etc.

Voici une autre solution; une chose que les ingénieurs aiment faire face à ce genre de problème en traçant des données statistiques sur un graphique et en recherchant des tendances…

J’ai trouvé une trentaine de refroidisseurs intermédiaires différents en ligne avec des tests de débit (CFM), des tests Dyno (HP) ou les deux, et comme nous savons qu’il faut environ 1,5 CFM d’air pour produire 1 HP (selon la densité), j’ai combiné les deux ensembles de données à la fois pour les refroidisseurs intermédiaires OEM testés en débit et pour les refroidisseurs intermédiaires “conçus” du marché secondaire pour produire les graphiques suivants :

Flux en CFM par rapport à la tendance de la section transversale : 

Débit (CFM) = 11,63 * Surface en coupe transversale (pouces carrés) – 12,84

Il s’agit d’un graphique du débit en CFM (vertical) par rapport à la section transversale (pouces carrés) pour les 30 cœurs pour lesquels j’avais des données. Comme vous pouvez le voir, il existe une relation linéaire entre le débit et la surface qui est attendue. Nous pouvons donc utiliser cela comme ligne directrice pour déterminer (pour une profondeur D donnée) des noyaux disponibles, quelle doit être la hauteur minimale de notre refroidisseur intermédiaire pour obtenir de bonnes performances de débit.

Une chose à noter ici est que ces mesures de débit ont été prises à 28 “de pression d’eau ou 1 psi. Comme nous le savons d’après la théorie du compresseur, plus la pression de suralimentation (et plus le rapport de pression est élevé), plus l’air est comprimé. Air à 15 psi de boost est en fait la moitié de son volume par rapport à 0 psi (ou 1 psi).Ainsi, faire 700 ch (1050 CFM) à 15 psi (sur un 6 cylindres de 3,5 litres par exemple) peut nécessiter seulement 42 pouces carrés de section transversale (parce que l’air est à la moitié de sa taille d’origine) alors que faire 700 ch (1050 CFM) à 3 psi (sur un 8 cylindres de 7,0 litres par exemple) peut nécessiter une plus grande surface de section transversale de 91 pouces carrés. Assurez-vous donc de prendre en compte votre rapport de pression avant de choisir votre croix zone de coupe.

Voici ma deuxième tendance :

Puissance (ch) = 0,533 * volume du refroidisseur intermédiaire (pouces cubes) + 50,17 

Il s’agit d’un graphique de la puissance (verticale) par rapport au volume total du noyau (pouces cubes) pour les 30 noyaux pour lesquels j’avais des données. Comme vous pouvez le voir, il existe une relation linéaire entre la puissance et le volume qui est attendue. Plus nous voulons produire de puissance, plus nous devons ingérer d’air. Plus il y a de masse d’air; plus la masse peut transporter d’énergie (à la même température par rapport à une masse plus petite) et donc plus le noyau du refroidisseur intermédiaire dont nous avons besoin pour absorber cette énergie dans notre refroidisseur intermédiaire.

Je pense qu’entre ces deux graphiques, il devient maintenant possible de revenir à ma Toyota Celica “double charge” et de dire :

Je voulais faire un pic de 320 ch à 20 psi. Cela équivaut à 480 CFM @ 2,36 Rapport de pression.

En commençant par un noyau d’intercooler standard de 3 “de profondeur, laissez-moi comprendre mes 2 autres dimensions :

Surface transversale minimale = ((480/2,36) + 12,84) /11,63 = 18 pouces carrés = D*H

Hauteur du refroidisseur intermédiaire = 18 / 3 = 6″

Volume total = (320 – 50,17)/0,533 = 506 pouces cubes.

Largeur du refroidisseur intermédiaire = 506/18 = 28″

Donc, ma taille de noyau idéale semble être de 28 “X 6” X 3 “, ce qui est un refroidisseur intermédiaire à montage avant de taille assez raisonnable.

Maintenant, 28 “est une largeur d’intercooler raisonnable pour la chute de pression. Si ce chiffre était trop grand, je reviendrais et utiliserais un noyau de 3,5″ de profondeur par exemple. De même, si la hauteur de mon refroidisseur intermédiaire de 6” ne rentre pas derrière mon pare-chocs, je pourrais revenir en arrière et augmenter légèrement la profondeur et refaire les calculs.

La chute de pression à travers le refroidisseur intermédiaire est vraiment importante à suivre pour une voiture suralimentée car contrairement à un turbocompresseur, nous ne pouvons pas simplement augmenter la pression de suralimentation avec un contrôleur de suralimentation, nous sommes limités avec les compresseurs à l’engrenage dont nous disposons dans notre poulie de compresseur. Donc, gaspiller une partie de ce coup de pouce est vraiment mauvais pour les performances. C’est pourquoi il est vraiment essentiel de ne pas sous-dimensionner l’intercooler pour étouffer le moteur, ni de le surdimensionner au risque de créer une grosse perte de charge.

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