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

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 el intercooling es una buena idea.

• El aire caliente sube, el aire frío se hunde

  En términos físicos, el aire caliente es menos denso que el aire 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, el volumen de aire que se admite en la(s) cámara(s) de combustión es fijo.

• 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 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 saliente 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 intercooler, la operación del motor es más segura ya que se reduce la detonación del motor.

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

Ejemplo de bonificación

Esta es una de esas preguntas en las que los números hablan más que las palabras :

Los foros indican que un Mitsubishi Evo X de serie es capaz de generar un impulso 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 una eficiencia del turbocompresor del 85 %, los cálculos de ingeniería ¹ arrojarán una temperatura de descarga cercana a los 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 preocupamos por la detonación, el valor de la densidad de salida parece bastante bueno: es más del doble que el de la entrada.

Pero mire lo que sucede cuando hacemos pasar este aire de descarga caliente a través de un intercooler.

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

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

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

¹ - _{He elaborado un cálculo verdaderamente 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 con la misma presión de sobrealimentación porque puedes inyectar más combustible al mismo tiempo.
2. El aire más caliente hará que la mezcla de aire y combustible explote prematuramente (la mezcla debe arder a un ritmo constante, en el momento exacto. No debe "explotar").

En el segundo caso, 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 energía óptima. Estás perdiendo potencia Y empeoras el consumo de combustible.

Además del enfriamiento intermedio, otra forma de enfriar el aire que ingresa al cilindro es inyectar una mezcla de agua/metanol O óxido nitroso (en este caso, se denomina sistema de NO2 de baja presión o de liberación lenta porque se usa para enfriar el carga, 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 proporciones de aire/combustible más pobres (más potentes) y el enfriamiento adicional lo ayuda a ejecutar mezclas de aire/combustible más pobres y una sincronización óptima.