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

тл;др

• Для борьбы с детонацией (в двигателях СИ)
• Для увеличения мощности/эффективности

Подробности

Здесь есть несколько важных факторов.

• Детонация двигателя - реальная проблема для двигателей SI

  В двигателе с искровым зажиганием более вероятно преждевременное зажигание (также известное как детонация или детонация) с более горячим воздухом. На самом деле расчеты в приведенном ниже примере могут показать, что это основная причина, по которой промежуточное охлаждение является такой хорошей идеей.

• Горячий воздух поднимается, холодный опускается

  Говоря языком физики, горячий воздух менее плотный, чем холодный. Это означает, что объем, занимаемый 1 кг горячего воздуха, больше объема, занимаемого 1 кг холодного воздуха.

• Двигатель внутреннего сгорания представляет собой объемное устройство

  Это означает, что каждый раз, когда двигатель проворачивается и завершает цикл, объем воздуха, поступающего 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 хлопка.

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

Турбокомпрессор достигает этого за счет повышения давления входящего воздуха. Нежелательным побочным продуктом этого процесса сжатия является то, что выходящий воздух горячий и менее плотный.

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

За счет охлаждения воздуха через промежуточный охладитель работа двигателя становится более безопасной, так как снижается детонация двигателя.

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

Пример бонуса

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

На форумах указано, что серийный Mitsubishi Evo X способен генерировать наддув 22 фунта на квадратный дюйм на 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 КПД турбокомпрессора 85 %, инженерные расчеты ¹ дают температуру нагнетания, близкую 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 не тот факт, что мы заботимся о детонации, значение плотности на выходе выглядит довольно аппетитно - оно более чем в два раза больше, чем на входе.

Но посмотрите, что происходит, когда мы пропускаем этот горячий нагнетаемый воздух через промежуточный охладитель.

Предположим, что давление падает на 1 psi, а воздух охлаждается до 70 °C:

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

Несмотря на то, что мы теряем драгоценный наддув через интеркулер, охлаждающий эффект в итоге увеличивает плотность более чем на 3%, так что теперь воздух плотнее и, что более важно, безопаснее с точки зрения детонации/детонации двигателя.

¹ - _{Я разработал для этого поистине чудесный расчет, который слишком узок, чтобы вместить его в это поле.}

Короче причин две:

1. Более холодный воздух более плотный, поэтому вы получаете больше мощности при том же давлении наддува, потому что вы можете впрыскивать больше топлива за одно и то же время.
2. Более горячий воздух вызовет преждевременную детонацию воздушно-топливной смеси (смесь должна гореть с постоянной скоростью в нужный момент. Она не должна «взорваться»).

Во втором случае это будет означать, что вам придется изменить величину опережения зажигания, чтобы предотвратить взрыв смеси. Это будет стоить вам энергии, потому что вы не запускаете цилиндр в точный момент, необходимый для оптимальной подачи мощности. Вы теряете мощность И вы увеличиваете расход топлива.

В дополнение к промежуточному охлаждению, другим способом охлаждения воздуха, поступающего в цилиндр, является впрыск смеси воды и метанола ИЛИ закиси азота (в данном случае это называется системой NO2 низкого давления или медленным высвобождением, поскольку она используется для охлаждения цилиндра). зарядка, а не непосредственно для увеличения мощности) вместе с воздушно-топливной смесью. Это излюбленная тактика владельцев Subaru, потому что эти автомобили НЕНАВИДЯТ горячий воздух и более бедное (более мощное) соотношение воздух/топливо, а дополнительное охлаждение помогает вам использовать более бедную смесь воздуха/топлива и оптимальное время.