Зачем нужно охлаждать воздух после выхода из турбокомпрессора?

Короче говоря, есть две причины:

1. Холодный воздух более плотный, поэтому при одинаковом давлении наддува вы получаете больше мощности, так как можете впрыскивать больше топлива.


2. Из-за более высокой температуры воздуха топливно-воздушная смесь может преждевременно детонировать (смесь должна сгорать с постоянной скоростью в нужный момент. Она не должна «взрываться»).

Во втором случае это будет означать, что вам нужно изменить угол опережения зажигания, чтобы предотвратить взрыв смеси. Это приведёт к потере мощности, потому что вы не запускаете цилиндр в тот момент, который необходим для оптимальной подачи мощности. Вы теряете мощность и увеличиваете расход топлива.

Помимо промежуточного охлаждения, ещё одним способом охлаждения воздуха, поступающего в цилиндр, является впрыск смеси воды и метанола ИЛИ закиси азота (в этом случае система называется системой NO2 низкого давления или медленного высвобождения, поскольку она используется для охлаждения заряда, а не для непосредственного увеличения мощности) вместе с топливно-воздушной смесью. Это излюбленный приём владельцев Subaru, поскольку эти автомобили НЕНАВИДЯТ горячий воздух и более бедные (более мощные) топливно-воздушные смеси, а дополнительное охлаждение помогает использовать более бедные топливно-воздушные смеси и оптимальные фазы газораспределения.

tl;dr

• Для борьбы с детонацией (в двигателях SI)


• Для повышения мощности /КПД

Подробные сведения

Здесь играют роль несколько важных факторов.

• Детонация двигателя — серьёзная проблема для двигателей SI

  
  
  

  Двигатель с искровым зажиганием с большей вероятностью будет подвержен преждевременному воспламенению (также известному как детонация) при более высокой температуре воздуха. На самом деле, как показывают расчёты в приведённом ниже примере, 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 объём, занимаемый 1 кг горячего воздуха, больше объёма, занимаемого 1 кг холодного воздуха.




• Двигатель внутреннего сгорания — это объёмное устройство

  
  
  

  Это означает, что каждый раз, когда двигатель запускается и завершает цикл, в камеру(ы) сгорания поступает фиксированный объём воздуха.




• Мощность зависит от массы, а не от объёма

  
  
  

  Мощность, развиваемая двигателем, пропорциональна массе воздуха, поступающего в камеру сгорания, а не его объёму. Чем больше молекул воздуха, тем сильнее взрыв.

Турбокомпрессоры (или любые другие устройства принудительной подачи воздуха) используются для увеличения мощности и/или эффективности двигателя внутреннего сгорания. На уровне камеры сгорания это достигается за счёт увеличения количества молекул воздуха, участвующих в процессе сгорания.

Турбокомпрессор достигает этого за счёт повышения давления на входе. Нежелательным побочным эффектом этого процесса сжатия является то, что на выходе воздух становится горячим и менее плотным.

Если этот горячий воздух поступает в камеру сгорания без предварительной обработки, вероятность детонации двигателя возрастает.

Охлаждение воздуха с помощью интеркулера повышает безопасность работы двигателя, так как снижает детонацию.

В качестве дополнительного бонуса воздух становится немного плотнее, что позволяет увеличить количество молекул воздуха, участвующих в процессе горения.

Пример бонуса

Это один из тех вопросов, где цифры говорят громче слов:

На форумах пишут, что стандартный Mitsubishi Evo X способен выдавать давление в 22 фунта на квадратный дюйм при средних оборотах.

На уровне моря условия на входе в турбину следующие:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi



Assumed inlet air temperature   = 25 °C

  => air density @ turbo inlet  = 1.184 kg/m^3

Если предположить, что КПД турбокомпрессора составляет 85 %, то, согласно инженерным расчётам¹, температура на выходе будет близка 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 то, что мы беспокоимся о детонации, значение плотности на выходе выглядело бы довольно привлекательно — оно более чем в два раза превышает значение на входе.

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

Предположим, что давление упало на 1 фунт на квадратный дюйм, а температура воздуха снизилась до 70 °C:

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

Несмотря на то, что из-за интеркулера мы теряем драгоценное ускорение, эффект охлаждения в итоге увеличивает плотность воздуха более чем на 3 %, так что теперь воздух более плотный и, что более важно, более безопасный с точки зрения детонации двигателя.

¹ — _{Я провёл поистине изумительные вычисления, которые не помещаются в этом поле}