¿Por qué necesitamos enfriar el aire después de que sale de un turbocompresor?

Cuando usamos un turbocompresor para comprimir el aire entrante, el aire se calienta. Por lo general, este aire caliente se enfría utilizando un refrigerador intermedio antes de pasar al motor.

¿Cuál es la razón detrás de enfriar este aire?

¿Por qué no podemos pasarlo como aire caliente, ya que dentro del motor el aire se comprimirá, lo que lo calentará de todos modos?

tl; dr

• Para combatir la detonación (en motores SI)
• Para aumentar la potencia / eficiencia

Detalles

Hay algunos factores importantes en juego aquí.

• La detonación del motor es una preocupación real para los motores SI

  Es más probable que un motor de encendido por chispa experimente un encendido prematuro (también conocido como golpeteo o detonación) con aire más caliente. De hecho, los cálculos en el siguiente ejemplo pueden mostrar que esta es la razón principal por la cual la intercooling es una buena idea.

• El aire caliente sube, el aire frío se hunde

  En física, el aire caliente es menos denso que el frío. Esto significa que el volumen ocupado por 1 kg de aire caliente es mayor que el volumen ocupado por 1 kg de aire frío.

• El motor de combustión interna es un dispositivo volumétrico.

  Lo que esto implica es que cada vez que el motor gira y completa un ciclo, se fija el volumen de aire que ingresa a la cámara o cámaras de combustión.

• La potencia depende de la masa, no del volumen.

  La potencia desarrollada por el motor es proporcional a la masa de aire admitida en la cámara de combustión y no a su volumen. Más moléculas de aire = más explosión.

La razón por la que se utilizan los turbocompresores (o cualquier otro dispositivo de inducción forzada) es para aumentar la potencia y / o la eficiencia del motor IC. A nivel de la cámara de combustión, esto se logra aumentando la cantidad de moléculas de aire presentes durante la combustión.

El turbocompresor logra esto presurizando el aire entrante. Un subproducto no deseado de este proceso de compresión es que el aire que sale es caliente y menos denso.

Si este aire caliente se alimenta a la cámara de combustión tal cual, la probabilidad de detonación del motor es mayor.

Al enfriar el aire a través de un refrigerador intermedio, la operación del motor es más segura ya que se reduce el golpe del motor.

Como beneficio adicional, el aire se vuelve un poco más denso, lo que permite que haya más moléculas de aire presentes durante la combustión.

Ejemplo de bonificación

Esta es una de esas preguntas donde los números pueden hablar más que las palabras :

Los foros indican que un Mitsubishi Evo X de serie es capaz de generar un aumento de 22 psi a RPM de rango medio.

A nivel del mar, las condiciones de entrada del turbo son las siguientes:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi

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

Suponiendo un 85% de eficiencia del turbocompresor, los cálculos de ingeniería ¹ producirán una temperatura de descarga cercana a 92 ° C:

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

Si no fuera por el hecho de que nos importa la detonación, el valor de densidad de salida se ve bastante sabroso: es más del doble que el de la entrada.

Pero mira lo que sucede cuando ejecutamos este aire de descarga caliente a través de un refrigerador intermedio.

Supongamos una caída de presión de 1 psi, y que el aire se enfría a 70 ° C:

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

A pesar del hecho de que perdemos un impulso precioso a través del intercooler, el efecto de enfriamiento termina aumentando la densidad en más del 3%, por lo que ahora el aire es más denso y, lo que es más importante, más seguro desde el punto de vista de detonación / golpe del motor.

¹ - _{He elaborado un cálculo realmente maravilloso para esto, que este margen es demasiado estrecho para contener}

En resumen, hay dos razones:

1. El aire más frío es más denso, por lo que obtienes más potencia de la misma presión de impulso porque puedes inyectar más combustible al mismo tiempo.
2. El aire más caliente hará que la mezcla de aire / combustible detone prematuramente (la mezcla debe quemarse a una velocidad constante, en el momento exacto. No debería "explotar").

En la segunda instancia, esto significará que debe cambiar la cantidad de avance del tiempo de encendido en un esfuerzo por evitar que la mezcla explote. Le costará energía porque no está disparando el cilindro en el momento preciso necesario para una entrega de potencia óptima. Estás perdiendo potencia Y empeoras el consumo de combustible.

Además de la refrigeración interna, otra forma de enfriar el aire que ingresa al cilindro es inyectar una mezcla de agua / metanol O óxido nitroso (en este caso llamado sistema de NO2 de baja presión o liberación lenta porque se usa para enfriar el cargar, no directamente para aumentar la potencia) junto con la mezcla de aire / combustible. Esta es una táctica favorita de los propietarios de Subaru porque estos autos ODIAN el aire caliente y las relaciones de aire / combustible más delgadas (más potentes) y el enfriamiento adicional lo ayudan a ejecutar mezclas de aire / combustible más delgadas y una sincronización óptima.