Por que precisamos esfriar o ar depois que ele sai de um turbocompressor?

Quando estamos usando um turbocompressor para comprimir o ar que entra, o ar fica mais quente. Normalmente, esse ar quente é resfriado usando um intercooler antes de ser passado para o motor.

Qual é a razão por trás do resfriamento desse ar?

Por que não podemos transmiti-lo como ar quente, já que dentro do motor o ar é comprimido, o que o aquece de qualquer maneira?

tl; dr

• Para combater a detonação (em motores de ignição comandada)
• Para aumentar a potência / eficiência

Detalhes

Existem alguns fatores importantes em jogo aqui.

• A detonação de motores é uma preocupação real para os motores de ignição comandada

  É mais provável que um motor de ignição comandada experimente ignição prematura (também conhecida como batida ou detonação) com ar quente. De fato, os cálculos no exemplo abaixo podem mostrar que esse é o principal motivo pelo qual o inter-resfriamento é uma boa idéia.

• O ar quente sobe, o ar frio afunda

  Na linguagem física, o ar quente é menos denso que o ar frio. Isso significa que o volume ocupado por 1 kg de ar quente é maior que o volume ocupado por 1 kg de ar frio.

• O motor de combustão interna é um dispositivo volumétrico

  O que isso implica é que, toda vez que o motor gira e completa um ciclo, o volume de ar que é admitido na (s) câmara (s) de combustão é fixo.

• O poder depende da massa, não do volume

  A potência desenvolvida pelo motor é proporcional à massa de ar admitida na câmara de combustão e não ao seu volume. Mais moléculas de ar = mais estrondo.

A razão pela qual turbocompressores (ou quaisquer outros dispositivos de indução forçada) são utilizados é aumentar a potência e / ou a eficiência do mecanismo de IC. No nível da câmara de combustão, isso é conseguido aumentando a quantidade de moléculas de ar presentes durante a combustão.

O turbocompressor consegue isso pressurizando o ar que entra. Um subproduto indesejado desse processo de compressão é que o ar de saída é quente e menos denso.

Se esse ar quente for alimentado na câmara de combustão como está, a probabilidade de detonação do motor é maior.

Ao resfriar o ar através de um intercooler, a operação do motor fica mais segura, pois a batida do motor é reduzida.

Como um bônus adicional, o ar se torna um pouco mais denso, permitindo a presença de mais moléculas de ar durante a combustão.

Exemplo de bônus

Essa é uma daquelas perguntas em que os números podem falar mais alto que as palavras :

Os fóruns indicam que um Mitsubishi Evo X pode gerar um aumento de 22 psi em RPM de médio alcance.

Ao nível do mar, as condições de entrada do turbo são as seguintes:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi

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

Assumindo 85% de eficiência do turbocompressor, os cálculos de engenharia ¹ produzirão uma temperatura de descarga próxima 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

Não fosse pelo fato de nos preocuparmos com a detonação, o valor da densidade de saída parece bastante saboroso - é mais do que o dobro do da entrada.

Mas veja o que acontece quando passamos esse ar quente por um intercooler.

Vamos supor uma queda de pressão de 1 psi e que o ar seja resfriado a 70 ° C:

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

Apesar de perdermos um impulso precioso através do intercooler, o efeito de resfriamento acaba aumentando a densidade em mais de 3%, então agora o ar é mais denso e, mais importante, mais seguro do ponto de vista de batida / detonação do motor.

¹ - _{Elaborei um cálculo verdadeiramente maravilhoso para isso, cuja margem é muito estreita para conter}

Em suma, existem dois motivos:

1. O ar mais frio é mais denso, então você obtém mais energia com a mesma pressão de impulso, pois pode injetar mais combustível ao mesmo tempo.
2. O ar mais quente fará com que a mistura ar / combustível seja detonada prematuramente (a mistura precisa queimar a uma taxa constante, no momento exato. Não deve "explodir").

No segundo caso, isso significa que você deve alterar a quantidade de avanço da ignição em um esforço para evitar que a mistura exploda. Isso lhe custará energia porque você não está acionando o cilindro no momento exato necessário para o fornecimento ideal de energia. Você está perdendo energia E piora o consumo de combustível.

Além do inter-resfriamento, outra maneira de resfriar o ar que entra no cilindro é injetar uma mistura de água / metanol OU óxido nitroso (nesse caso, chamado de sistema NO2 de baixa pressão ou liberação lenta, porque é usado para resfriar o ar). carga, não diretamente para aumentar a potência) ao lado da mistura ar / combustível. Essa é uma tática favorita dos proprietários de Subaru porque esses carros detestam relações de ar / combustível mais magras (mais potentes) e refrigeração adicional e ajudam a executar misturas mais leves de ar / combustível e um tempo ideal.