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Pourquoi avons-nous besoin de refroidir l'air après sa sortie d'un turbocompresseur ?
Question
Lorsque nous utilisons un turbocompresseur pour comprimer l'air entrant, l'air devient plus chaud. Habituellement, cet air chaud est refroidi à l'aide d'un refroidisseur intermédiaire avant d'être envoyé au moteur.
Pour quelle raison refroidit-il cet air ?
Pourquoi ne peut-on pas le faire passer sous forme d'air chaud, puisqu'à l'intérieur du moteur l'air sera comprimé ce qui le réchauffera de toute façon ?
Réponse acceptée
tl;dr
- Pour lutter contre la détonation (dans les moteurs SI)
- Pour augmenter la puissance/l'efficacité
Détails
Il y a quelques facteurs importants en jeu ici.
La détonation du moteur est une réelle préoccupation pour les moteurs SI
Un moteur à allumage commandé est plus susceptible de subir un allumage prématuré (c'est-à-dire un cliquetis ou une détonation) avec de l'air plus chaud. En fait, les calculs de l'exemple ci-dessous peuvent montrer que c'est la principale raison pour laquelle le refroidissement intermédiaire est une si bonne idée.
L'air chaud monte, froid puits d'air
En termes physiques, l'air chaud est moins dense que l'air froid. Cela signifie que le volume occupé par 1 kg d'air chaud est supérieur au volume occupé par 1 kg d'air froid.
Le moteur à combustion interne est un dispositif volumétrique
Ce que cela implique, c'est qu'à chaque fois que le moteur tourne et termine un cycle, le volume d'air qui est admis dans la (les) chambre(s) de combustion est fixe .
La puissance dépend de la masse, pas du volume
La puissance développée par le moteur est proportionnel à la masse d'air admise dans la chambre de combustion et non à son volume. Plus de molécules d'air = plus de bruit.
La raison pour laquelle les turbocompresseurs (ou tout autre dispositif à induction forcée) sont utilisés est d'augmenter la puissance et/ou l'efficacité de le moteur thermique. Au niveau de la chambre de combustion, cela est réalisé en augmentant la quantité de molécules d'air présentes lors de la combustion.
Le turbocompresseur y parvient en pressurisant l'air entrant. Un sous-produit indésirable de ce processus de compression est que l'air sortant est chaud et moins dense.
Si cet air chaud est envoyé à la chambre de combustion tel quel, la probabilité de détonation du moteur est plus grande.< /p>
En refroidissant l'air via un refroidisseur intermédiaire, le fonctionnement du moteur est plus sûr car le cognement du moteur est réduit.
En prime, l'air devient légèrement plus dense, ce qui permet à plus de molécules d'air d'être présentes lors de la combustion .
Exemple bonus
C'est l'une de ces questions où les nombres peuvent parler plus fort que les mots :
Les forums indiquent qu'un Mitsubishi Evo X d'origine est capable de générer une augmentation de 22 psi à un régime moyen.
Au niveau de la mer, les conditions d'admission du turbo sont les suivantes :
Air pressure @ turbo inlet = 14.7 psi
Assumed inlet air temperature = 25 °C
=> air density @ turbo inlet = 1.184 kg/m^3
En supposant une efficacité du turbocompresseur de 85 %, calculs techniques1 donnera une température de refoulement proche de 92 °C :
Air pressure @ turbo outlet = 14.7 + 22
= 36.7 psi
Air density @ 36.7 psi, 92 °C = 2.41 kg/m^3
S'il n'y avait pas le fait que nous nous soucions de la détonation, la valeur de la densité de sortie semble plutôt savoureuse - elle est plus du double de celle de l'entrée.
Mais regardez ce qui se passe lorsque nous faisons passer cet air de décharge chaud à travers un refroidisseur intermédiaire.
Supposons une chute de pression de 1 psi, et que l'air soit refroidi à 70 °C :
Air density @ 35.7 psi, 70 °C = 2.50 kg/m^3
Malgré la fait que nous perdons un précieux coup de pouce à travers le refroidisseur intermédiaire, l'effet de refroidissement finit par augmenter la densité de plus de 3%, donc maintenant l'air est plus dense et, plus important encore, plus sûr du point de vue du cliquetis/de la détonation du moteur.
1 - J'ai élaboré un calcul vraiment merveilleux pour cela, que cette marge est trop étroite pour contenir
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En résumé, il y a deux raisons :
- L'air plus frais est plus dense, vous obtenez donc plus de puissance avec la même pression de suralimentation car vous pouvez injecter plus de carburant en même temps.
- Un air plus chaud fera exploser prématurément le mélange air/carburant (le mélange doit brûler à une vitesse constante, exactement au bon moment. Il ne doit pas "exploser").
Dans le second cas, cela signifie que vous devez modifier la quantité d'avance à l'allumage afin d'empêcher le mélange d'exploser. Cela vous coûtera de l'énergie parce que vous n'allumez pas le cylindre au moment précis nécessaire pour une livraison de puissance optimale. Vous perdez de la puissance ET vous consommez moins de carburant.
En plus du refroidissement intermédiaire, une autre façon de refroidir l'air entrant dans le cylindre consiste à injecter soit un mélange eau/méthanol OU de l'oxyde nitreux (dans ce cas appelé un système de NO2 à basse pression ou à libération lente car il est utilisé pour refroidir la charge, pas directement pour augmenter la puissance) aux côtés du mélange air/carburant. C'est une tactique préférée des propriétaires de Subaru parce que ces voitures DÉTESENT l'air chaud et les rapports air/carburant plus pauvres (plus puissants) et un refroidissement supplémentaire vous aide à utiliser des mélanges air/carburant plus pauvres et un timing optimal.