Dlaczego musimy schładzać powietrze po opuszczeniu turbosprężarki?

Kiedy używamy turbosprężarki do sprężania dopływającego powietrza, powietrze staje się cieplejsze. Zwykle to gorące powietrze jest chłodzone za pomocą intercoolera, zanim trafi do silnika.

Jaki jest powód chłodzenia tego powietrza?

Dlaczego nie możemy podać go jako gorącego powietrza, skoro w silniku powietrze zostanie sprężone, co i tak je podgrzeje?

tl; dr

• Do walki z detonacją (w silnikach SI)
• Aby zwiększyć moc / wydajność

Detale

Jest tu kilka ważnych czynników.

• Detonacja silnika stanowi poważny problem dla silników o zapłonie iskrowym

  W silniku o zapłonie iskrowym istnieje większe prawdopodobieństwo przedwczesnego zapłonu (czyli pukania lub detonacji) gorącym powietrzem. W rzeczywistości obliczenia w poniższym przykładzie mogą wykazać, że jest to główny powód, dla którego intercoolowanie jest tak dobrym pomysłem.

• Gorące powietrze unosi się, zimne powietrze opada

  Z fizycznego punktu widzenia gorące powietrze jest mniej gęste niż zimne. Oznacza to, że objętość zajmowana przez 1 kg gorącego powietrza jest większa niż objętość zajmowana przez 1 kg zimnego powietrza.

• Silnik spalinowy jest urządzeniem wolumetrycznym

  Oznacza to, że za każdym razem, gdy silnik obraca się i wykonuje cykl, objętość powietrza wprowadzanego do komory (komór) spalania jest ustalona.

• Moc zależy od masy, a nie objętości

  Moc wytwarzana przez silnik jest proporcjonalna do masy powietrza wpuszczanego do komory spalania, a nie do jego objętości. Więcej cząsteczek powietrza = więcej huku.

Powodem, dla którego stosuje się turbosprężarki (lub inne urządzenia o wymuszonej indukcji), jest zwiększenie mocy i / lub wydajności silnika spalinowego. Na poziomie komory spalania osiąga się to poprzez zwiększenie ilości cząsteczek powietrza obecnych podczas spalania.

Turbosprężarka osiąga to poprzez zwiększenie ciśnienia w napływającym powietrzu. Niepożądanym produktem ubocznym tego procesu sprężania jest to, że wychodzące powietrze jest gorące i mniej gęste.

Jeśli to gorące powietrze zostanie doprowadzone do komory spalania w niezmienionym stanie, prawdopodobieństwo detonacji silnika jest większe.

Dzięki chłodzeniu powietrza za pomocą chłodnicy powietrza doładowującego praca silnika jest bezpieczniejsza, ponieważ zmniejsza się stukanie silnika.

Jako dodatkowy bonus powietrze staje się nieco gęstsze, co umożliwia obecność większej liczby cząsteczek powietrza podczas spalania.

Przykład bonusu

To jedno z tych pytań, w których liczby mogą mówić głośniej niż słowa :

Fora wskazują, że zapas Mitsubishi Evo X jest w stanie wygenerować doładowanie 22 psi przy średniej prędkości obrotowej.

Na poziomie morza warunki wlotu turbosprężarki są następujące:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi

Assumed inlet air temperature   = 25 °C
  => air density @ turbo inlet  = 1.184 kg/m^3

Zakładając, że wydajność turbosprężarki wynosi 85%, obliczenia inżynieryjne ¹ pozwolą uzyskać temperaturę rozładowania zbliżoną do 92 ° C:

Air pressure @ turbo outlet     = 14.7 + 22
                                = 36.7 psi 
Air density @ 36.7 psi, 92 °C   = 2.41 kg/m^3

Gdyby nie fakt, że zależy nam na detonacji, wartość gęstości wylotu wygląda raczej smacznie - jest ponad dwukrotnie większa niż wlotu.

Ale spójrz, co się dzieje, gdy przepuszczamy to gorące powietrze wylotowe przez chłodnicę powietrza doładowującego.

Załóżmy, że spadek ciśnienia wynosi 1 psi, a powietrze jest schładzane do 70 ° C:

Air density @ 35.7 psi, 70 °C = 2.50 kg/m^3

Pomimo tego, że tracimy cenne doładowanie przez intercooler, efekt chłodzenia ostatecznie zwiększa gęstość o ponad 3%, więc teraz powietrze jest gęstsze, a co ważniejsze, bezpieczniejsze z punktu widzenia stukania / detonacji silnika.

¹ - _{Opracowałem dla tego naprawdę cudowne obliczenia, których margines jest zbyt wąski, aby go pomieścić}

Krótko mówiąc, są dwa powody:

1. Chłodniejsze powietrze jest bardziej gęste, więc zyskujesz więcej mocy z tego samego ciśnienia doładowania, ponieważ możesz wtryskiwać więcej paliwa w tym samym czasie.
2. Cieplejsze powietrze spowoduje przedwczesną detonację mieszanki paliwowo-paliwowej (mieszanka musi spalać się ze stałą prędkością, dokładnie w odpowiednim momencie. Nie powinna „eksplodować”).

W drugim przypadku będzie to oznaczać, że musisz zmienić czas wyprzedzenia zapłonu, aby zapobiec wybuchowi mieszanki. Będzie cię to kosztować moc, ponieważ nie odpalasz cylindra dokładnie w momencie potrzebnym do optymalnego dostarczenia mocy. Tracisz moc I pogarszasz zużycie paliwa.

Oprócz chłodzenia międzystopniowego innym sposobem chłodzenia powietrza wchodzącego do cylindra jest wtryskiwanie mieszanki woda / metanol LUB tlenek azotu (w tym przypadku nazywany układem niskiego ciśnienia lub powolnego uwalniania NO2, ponieważ służy do chłodzenia ładowanie, nie bezpośrednio w celu zwiększenia mocy) obok mieszanki paliwowo-powietrznej. Jest to ulubiona taktyka właścicieli Subaru, ponieważ samochody te NIENAWIDZĄ proporcji gorącego powietrza i uboższych (mocniejszych) paliw / paliw, a dodatkowe chłodzenie pomaga w prowadzeniu uboższych mieszanek paliwowo-powietrznych i optymalnym czasie.