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

Wenn wir die einströmende Luft mit einem Turbolader komprimieren, wird die Luft heißer. Normalerweise wird diese heiße Luft mit einem Ladeluftkühler gekühlt, bevor sie zum Motor geleitet wird.

Was ist der Grund für die Kühlung dieser Luft?

Warum können wir es nicht als heiße Luft weitergeben, da im Motor die Luft komprimiert wird, die es trotzdem erwärmt?

tl; dr

• Zur Bekämpfung der Detonation (in SI-Motoren)
• Steigerung der Leistung / Effizienz

Einzelheiten

Hier spielen einige wichtige Faktoren eine Rolle.

• Die Detonation von Motoren ist ein echtes Problem für Ottomotoren

  Bei Fremdzündungsmotoren tritt mit größerer Wahrscheinlichkeit eine vorzeitige Zündung (auch bekannt als Klopfen oder Detonation) mit heißer Luft auf. Tatsächlich können die Berechnungen im folgenden Beispiel zeigen, dass dies der Hauptgrund dafür ist, dass die Zwischenkühlung eine so gute Idee ist.

• Heiße Luft steigt auf, kalte sinkt

  In der Physik ist heiße Luft weniger dicht als kalte Luft. Dies bedeutet, dass das von 1 kg heißer 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 sich der Motor dreht und einen Zyklus abschließt, das Luftvolumen, das in die Brennkammer (n) eingelassen wird, festgelegt wird.

• Die Leistung hängt von der Masse ab, nicht vom Volumen

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

Der Grund, warum Turbolader (oder andere Vorrichtungen mit erzwungener Induktion) verwendet werden, besteht darin, die Leistung und / oder den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Auf Brennkammerebene wird dies durch Erhöhen der Menge an Luftmolekülen erreicht, die während der Verbrennung vorhanden sind.

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 unverändert dem Brennraum zugeführt wird, ist die Wahrscheinlichkeit einer Motordetonation größer.

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

Als zusätzlicher Bonus wird die Luft etwas dichter, so dass während der Verbrennung mehr Luftmoleküle vorhanden sind.

Bonus Beispiel

Dies ist eine jener Fragen, bei denen Zahlen lauter als Worte sprechen können :

Foren besagen, dass ein Mitsubishi Evo X in der Lage ist, im mittleren Drehzahlbereich einen Schub von 22 psi zu erzeugen.

Auf Meereshöhe sind die Bedingungen für den Turboeintritt wie folgt:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi

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

Ausgehend von einem Wirkungsgrad von 85% des Turboladers, technische Berechnungen ¹ ergibt eine Entladungstemperatur 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

Wäre es nicht so, dass wir uns um die Detonation kümmern, würde der Wert der Auslassdichte eher schmackhaft aussehen - er ist mehr als doppelt so hoch wie der des Einlasses.

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

Nehmen wir an, der Druck sinkt um 1 psi 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 wertvollen Schub durch den Ladeluftkühler verlieren, erhöht der Kühleffekt letztendlich die Dichte um über 3%, sodass die Luft jetzt dichter und vor allem sicherer ist, wenn es um Motorklopfen / Detonation geht.

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

Kurz gesagt, es gibt zwei Gründe:

1. Kühlere Luft ist dichter, sodass Sie mit dem gleichen Ladedruck mehr Leistung erhalten, da Sie gleichzeitig mehr Kraftstoff einspritzen können.
2. Durch heißere Luft wird das Luft / Kraftstoff-Gemisch vorzeitig zur Detonation gebracht (das Gemisch muss genau zum richtigen Zeitpunkt mit einer konstanten Geschwindigkeit brennen. Es sollte nicht "explodieren").

Im zweiten Fall bedeutet dies, dass Sie den Zündzeitpunkt ändern müssen, um zu verhindern, dass das Gemisch explodiert. Dies kostet Sie Strom, da Sie den Zylinder nicht genau zu dem Zeitpunkt zünden, der für eine optimale Leistungsabgabe erforderlich ist. Sie verlieren an Kraft UND Sie verbrauchen weniger Kraftstoff.

Zusätzlich zur Zwischenkühlung können Sie die in den Zylinder gelangende Luft auch durch Einspritzen eines Wasser / Methanol-Gemisches ODER von Lachgas (in diesem Fall als Niederdruck- oder NO2-System mit langsamer Freisetzung bezeichnet) abkühlen 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 sowie zusätzliche Kühlung hassen und Ihnen dabei helfen, magerere Luft / Kraftstoff-Gemische und ein optimales Timing zu erzielen.