Warum müssen wir Luft kühlen, nachdem sie einen Turbolader verlässt?

tl;dr

• Zur Detonationsbekämpfung (bei Ottomotoren)
• Zur Steigerung der Leistung/Effizienz

Einzelheiten

Hier spielen einige wichtige Faktoren eine Rolle.

• Motordetonation ist ein echtes Problem für SI-Motoren

  Bei einem Ottomotor ist es wahrscheinlicher, dass er bei heißer Luft eine vorzeitige Zündung (auch als Klopfen oder Detonation bezeichnet) erfährt. Tatsächlich können die Berechnungen im folgenden Beispiel zeigen, dass dies der Hauptgrund ist, warum Ladeluftkühlung eine so gute Idee ist.

• Warme Luft steigt auf, kalte Luft sinkt

  Physikalisch gesehen hat heiße Luft eine geringere Dichte als kalte Luft. Das bedeutet, dass das von 1 kg warmer Luft eingenommene Volumen größer ist als das von 1 kg kalter Luft eingenommene Volumen.

• Der Verbrennungsmotor ist ein volumetrisches Gerät

  Dies bedeutet, dass jedes Mal, wenn der Motor dreht und einen Zyklus abschließt, das Luftvolumen, das in die Brennkammer(n) eingelassen wird, festgelegt ist.

• Kraft hängt von der Masse ab, nicht vom Volumen

  Die vom Motor entwickelte Leistung ist proportional zur in den Brennraum eingelassenen Luftmasse und nicht zu ihrem Volumen. Mehr Luftmoleküle = mehr Knall.

Der Grund, warum Turbolader (oder andere Zwangseinleitungsvorrichtungen) verwendet werden, besteht darin, die Leistung und/oder Effizienz des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Auf Brennraumebene wird dies erreicht, indem die Menge der während der Verbrennung vorhandenen Luftmoleküle erhöht wird.

Der Turbolader erreicht dies, indem er die einströmende Luft unter Druck setzt. Ein unerwünschtes Nebenprodukt dieses Kompressionsprozesses ist, dass die austretende Luft heiß und weniger dicht ist.

Wenn diese heiße Luft so wie sie ist der Verbrennungskammer zugeführt wird, ist die Wahrscheinlichkeit einer Motordetonation größer.

Durch die Kühlung der Luft über einen Ladeluftkühler wird der Motorbetrieb sicherer, da Motorklopfen reduziert wird.

Als zusätzlicher Bonus wird die Luft etwas dichter, wodurch mehr Luftmoleküle während der Verbrennung vorhanden sein können.

Bonusbeispiel

Dies ist eine dieser Fragen, bei denen Zahlen mehr sagen können als Worte :

Foren weisen darauf hin, dass ein serienmäßiger Mitsubishi Evo X in der Lage ist, einen Schub von 22 psi bei mittleren Drehzahlen zu erzeugen.

Auf Meereshöhe sind die Turboeinlassbedingungen wie folgt:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi

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

Unter der Annahme eines Turboladerwirkungsgrads von 85 % ergeben technische Berechnungen ¹ eine Austrittstemperatur nahe 92 °C:

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

Wenn wir uns nicht um die Detonation kümmern, sieht der Dichtewert am Auslass ziemlich lecker aus - er ist mehr als doppelt so hoch wie der am Einlass.

Aber schauen Sie, was passiert, wenn wir diese heiße Abluft durch einen Ladeluftkühler leiten.

Nehmen wir einen Druckabfall von 1 psi an und die Luft wird auf 70 °C abgekühlt:

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

Trotz der Tatsache, dass wir durch den Ladeluftkühler wertvollen Schub verlieren, erhöht der Kühleffekt die Dichte um über 3 %, sodass die Luft jetzt dichter und, was noch wichtiger ist, aus Sicht des Motorklopfens/Klopfens sicherer ist.

¹ - _{Ich habe dafür eine wirklich wunderbare Berechnung angestellt, für die dieser Spielraum zu knapp ist}

Kurz gesagt, es gibt zwei Gründe:

1. Kühlere Luft ist dichter, sodass Sie bei gleichem Ladedruck mehr Leistung erhalten, weil Sie gleichzeitig mehr Kraftstoff einspritzen können.
2. Heißere Luft lässt das Luft-Kraftstoff-Gemisch vorzeitig explodieren (das Gemisch muss genau im richtigen Moment mit konstanter Geschwindigkeit brennen. Es sollte nicht "explodieren").

Im zweiten Fall bedeutet dies, dass Sie den Zündzeitpunkt früher verstellen müssen, um eine Explosion des Gemischs zu verhindern. Es kostet Sie Kraft, weil Sie den Zylinder nicht genau in dem Moment zünden, der für eine optimale Leistungsabgabe erforderlich ist. Du verlierst Leistung UND du bekommst einen schlechteren Kraftstoffverbrauch.

Zusätzlich zur Ladeluftkühlung besteht eine weitere Möglichkeit, die in den Zylinder einströmende Luft abzukühlen, darin, entweder ein Wasser/Methanol-Gemisch ODER Lachgas einzuspritzen (in diesem Fall als Niederdruck- oder NO2-System mit langsamer Freisetzung bezeichnet, da es zum Abkühlen des Zylinders verwendet wird Ladung, nicht direkt zur Leistungssteigerung) neben dem Luft/Kraftstoff-Gemisch. Dies ist eine beliebte Taktik von Subaru-Besitzern, da diese Autos heiße Luft und magerere (leistungsstärkere) Luft/Kraftstoff-Verhältnisse HASSEN und zusätzliche Kühlung Ihnen dabei hilft, magerere Luft/Kraftstoff-Gemische und ein optimales Timing zu fahren.