Mengapa kita perlu mendinginkan udara setelah meninggalkan turbocharger?

22

Saat kami menggunakan turbocharger untuk mengompresi udara yang masuk, udara menjadi lebih panas. Biasanya udara panas ini didinginkan dengan menggunakan intercooler sebelum diteruskan ke mesin.

Apa alasan di balik pendinginan udara ini?

Mengapa kita tidak bisa melewatinya sebagai udara panas, karena di dalam mesin udara akan dikompresi yang akan memanaskannya?

engine turbocharger intercooler nivass balu
sumber

Jawaban:

34

tl; dr

  • Untuk memerangi ledakan (di mesin SI)
  • Untuk meningkatkan daya / efisiensi

Detail

Ada beberapa faktor penting yang berperan di sini.

  • Detonasi mesin merupakan masalah nyata bagi mesin SI

    Mesin pengapian percikan lebih cenderung mengalami pengapian prematur (alias ketukan atau peledakan) dengan udara yang lebih panas. Faktanya, perhitungan dalam contoh di bawah ini dapat menunjukkan bahwa ini adalah alasan utama mengapa intercooling adalah Ide yang Baik.

  • Udara panas naik, udara dingin tenggelam

    Dalam ilmu fisika, udara panas tidak sepadat udara dingin. Ini berarti bahwa volume yang ditempati oleh 1 kg udara panas lebih besar daripada volume yang ditempati oleh 1 kg udara dingin.

  • Mesin pembakaran internal adalah perangkat volumetrik

    Apa artinya ini adalah bahwa setiap kali mesin berputar dan menyelesaikan siklus, volume udara yang dimasukkan ke dalam ruang bakar tetap.

  • Kekuasaan tergantung pada massa, bukan volume

    Daya yang dikembangkan oleh mesin sebanding dengan massa udara yang masuk ke ruang bakar dan bukan volumenya. Lebih banyak molekul udara = lebih banyak ledakan.

Alasan mengapa turbocharger (atau perangkat induksi paksa lainnya) digunakan adalah untuk meningkatkan daya dan / atau efisiensi mesin IC. Pada tingkat ruang pembakaran, ini dicapai dengan meningkatkan jumlah molekul udara yang ada selama pembakaran.

Turbocharger mencapai ini dengan menekan udara yang masuk. Produk sampingan yang tidak diinginkan dari proses kompresi ini adalah bahwa udara keluar panas dan kurang padat.

Jika udara panas ini dimasukkan ke ruang pembakaran apa adanya, kemungkinan ledakan mesin lebih besar.

Dengan mendinginkan udara melalui intercooler, operasi mesin menjadi lebih aman karena ketukan engine berkurang.

Sebagai bonus tambahan, udara menjadi sedikit lebih padat, memungkinkan lebih banyak molekul udara hadir selama pembakaran.

Contoh Bonus

Ini adalah salah satu pertanyaan di mana angka dapat berbicara lebih keras daripada kata-kata :

Forum menunjukkan bahwa saham Mitsubishi Evo X mampu menghasilkan 22 psi boost di RPM mid-range.

Di permukaan laut, kondisi pintu masuk turbo adalah sebagai berikut:

Air pressure @ turbo inlet      = 14.7 psi

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

Dengan asumsi efisiensi turbocharger 85%, perhitungan teknik 1 akan menghasilkan suhu buangan mendekati 92 ° C:

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

Kalau bukan karena kita peduli dengan detonasi, nilai kerapatan outlet terlihat lebih enak - lebih dari dua kali lipat dari inlet.

Tapi lihat apa yang terjadi ketika kita menjalankan udara panas ini melalui intercooler.

Mari kita asumsikan penurunan tekanan 1 psi, dan bahwa udara didinginkan hingga 70 ° C:

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

Terlepas dari kenyataan bahwa kita kehilangan dorongan berharga melalui intercooler, efek pendinginan akhirnya meningkatkan kepadatan lebih dari 3%, jadi sekarang udaranya lebih padat, dan, yang lebih penting, lebih aman dari sudut ketukan engine / peledakan mesin.

1 - Saya telah mengerjakan perhitungan yang benar-benar luar biasa untuk ini, yang margin ini terlalu sempit untuk dikandung

Zaid
sumber
Jawaban hebat, singkat dan faktual.
dotancohen
3
Cara lain untuk melihat ini: persamaan gas mengatakan bahwa untuk meningkatkan kepadatan udara Anda dapat meningkatkan tekanan dan / atau mengurangi suhu. Ada batasan pada tekanan yang dapat dihasilkan / ditangani oleh turbocharger dan engine, sehingga mengurangi suhu tampak seperti sebuah rencana.
Steve Jessop
@SteveJessop - Poin hebat: D
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
Ini juga baik untuk menyadari bahwa Anda tidak perlu mendinginkan udara setelah turbocharger. Banyak, banyak mobil berlari tanpa satu sebelum mereka menyadari memilikinya lebih ideal. Sebagian besar kendaraan dari pabrik tidak datang dengan satu.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
untuk membuatnya lebih sederhana, lebih banyak udara = lebih banyak oksigen.
You_Shall_Not_Pass
4

Singkatnya, ada dua alasan:

  1. Udara dingin lebih padat, sehingga Anda mendapatkan lebih banyak daya dari tekanan penambah yang sama karena Anda dapat menyuntikkan lebih banyak bahan bakar pada saat yang sama.
  2. Udara yang lebih panas akan membuat campuran udara / bahan bakar meledak sebelum waktunya (campuran tersebut perlu terbakar pada tingkat yang konstan, pada saat yang tepat. Ini tidak boleh "meledak").

Pada contoh kedua, ini berarti Anda harus mengubah jumlah gerak maju pengapian sebagai upaya untuk mencegah campuran meledak. Akan dikenakan biaya daya karena Anda tidak menembakkan silinder pada saat yang tepat diperlukan untuk pengiriman daya yang optimal. Anda kehilangan daya DAN Anda mendapatkan konsumsi bahan bakar yang lebih buruk.

Selain intercooling, cara lain untuk mendinginkan udara yang masuk ke silinder adalah dengan menyuntikkan campuran air / metanol ATAU Nitrous Oksida (dalam hal ini disebut sistem NO2 tekanan rendah atau rilis lambat karena digunakan untuk mendinginkan udara. mengisi daya, tidak secara langsung meningkatkan daya) bersama campuran udara / bahan bakar. Ini adalah taktik favorit pemilik Subaru karena mobil-mobil ini BENCI udara panas dan rasio udara / bahan bakar yang lebih ramping (lebih kuat) dan pendinginan tambahan membantu Anda menjalankan campuran udara / bahan bakar yang lebih ramping dan pengaturan waktu yang optimal.

Kapten Kenpachi
sumber