Зачем нам охлаждать воздух после того, как он выходит из турбонагнетателя?

Когда мы используем турбонагнетатель для сжатия поступающего воздуха, воздух становится горячее. Обычно этот горячий воздух охлаждается с помощью промежуточного охладителя, прежде чем он попадает в двигатель.

В чем причина охлаждения этого воздуха?

Почему мы не можем передать его как горячий воздух, так как внутри двигателя воздух будет сжат, что в любом случае будет его нагревать?

ТЛ; др

• Для борьбы с детонацией (в двигателях СИ)
• Увеличить мощность / эффективность

Детали

Здесь есть несколько важных факторов.

• Детонация двигателя - реальная проблема для двигателей СИ

  Двигатель с искровым зажиганием с большей вероятностью испытывает преждевременное воспламенение (или детонацию) с более горячим воздухом. Фактически, расчеты в приведенном ниже примере могут показать, что это является основной причиной, по которой взаимное охлаждение является такой хорошей идеей.

• Горячий воздух поднимается, холодный воздух сливается

  В физике говорят, что горячий воздух менее плотный, чем холодный. Это означает, что объем, занимаемый 1 кг горячего воздуха, больше, чем объем, занимаемый 1 кг холодного воздуха.

• Двигатель внутреннего сгорания представляет собой объемное устройство

  Это означает, что каждый раз, когда двигатель запускается и завершает цикл, объем воздуха, который поступает в камеру (камеры) сгорания, является фиксированным.

• Мощность зависит от массы, а не объема

  Мощность, развиваемая двигателем, пропорциональна массе воздуха, поступающего в камеру сгорания, а не его объему. Больше молекул воздуха = больше взрыва.

Причина, по которой используются турбокомпрессоры (или любые другие устройства с принудительной индукцией), заключается в увеличении мощности и / или эффективности двигателя с интегральной схемой. На уровне камеры сгорания это достигается за счет увеличения количества молекул воздуха, присутствующих во время сгорания.

Турбокомпрессор достигает этого путем повышения давления поступающего воздуха. Нежелательный побочный продукт этого процесса сжатия состоит в том, что выходящий воздух горячий и менее плотный.

Если этот горячий воздух подается в камеру сгорания как есть, вероятность детонации двигателя выше.

Охлаждая воздух через интеркулер, работа двигателя становится более безопасной, поскольку детонация двигателя уменьшается.

В качестве дополнительного бонуса воздух становится немного плотнее, что позволяет большему количеству молекул воздуха присутствовать во время сгорания.

Бонус Пример

Это один из тех вопросов, где цифры могут говорить громче, чем слова :

Форумы указывают на то, что серийный Mitsubishi Evo X способен генерировать 22 фунт / кв.дюйм при средних оборотах.

На уровне моря условия турбонаддува следующие:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi

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

Предполагая 85% КПД турбокомпрессора, инженерные расчеты ¹ приведут к температуре нагнетания, близкой к 92 ° C:

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

Если бы мы не заботились о детонации, значение плотности на выходе выглядит довольно вкусно - оно более чем вдвое больше, чем на входе.

Но посмотрите, что происходит, когда мы пропускаем этот горячий выпускной воздух через интеркулер.

Давайте предположим, что падение давления составляет 1 фунт / кв. Дюйм, и что воздух охлаждается до 70 ° C:

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

Несмотря на тот факт, что мы теряем драгоценное ускорение через интеркулер, охлаждающий эффект в итоге увеличивает плотность более чем на 3%, поэтому теперь воздух становится плотнее и, что более важно, безопаснее с точки зрения детонации / детонации двигателя.

¹ - _{Я разработал по-настоящему изумительный расчет для этого, который слишком узок, чтобы его содержать}

Короче говоря, есть две причины:

1. Более холодный воздух более плотный, поэтому вы получаете больше энергии при том же давлении наддува, потому что одновременно можете впрыскивать больше топлива.
2. Горячий воздух вызовет преждевременную детонацию воздушно-топливной смеси (смесь должна гореть с постоянной скоростью, в нужный момент. Она не должна «взрываться»).

Во втором случае это будет означать, что вы должны изменить величину опережения времени зажигания, чтобы предотвратить взрыв смеси. Это будет стоить вам энергии, потому что вы не запускаете цилиндр в тот момент, который необходим для оптимальной подачи энергии. Вы теряете мощность И у вас ухудшается расход топлива.

В дополнение к промежуточному охлаждению, другой способ охлаждения воздуха, поступающего в цилиндр, заключается в впрыскивании либо смеси вода / метанол, либо закиси азота (в этом случае называется системой NO2 низкого давления или медленного высвобождения, поскольку она используется для охлаждения заряжать, а не напрямую увеличивать мощность) вместе с топливно-воздушной смесью. Это любимая тактика владельцев Subaru, потому что эти автомобили ненавидят горячий воздух и более скудные (более мощные) соотношения воздух / топливо и дополнительное охлаждение, что позволяет вам работать с более скудными воздушно-топливными смесями и оптимальным временем.