Мощность двигателя с наддувом может быть существенно повышена за счет охлаждения наддувоч­ного воздуха. Граница достижимого минимума температуры наддувочного воздуха определяется температурой охлаждающей среды. По практическим и экономическим соображениям (по­скольку размеры охладителя наддувочного воздуха ограничены) температура наддувочного воздуха на режиме полной нагрузки двигателя всегда заметно выше, чем температура охлаждающей среды на входе в охладитель наддувочного воздуха.

То, что температура наддувочного воздуха оказывает сильное влияние на мощность двигателя, приводит к мысли о целесооб­разности поддержания по возможности низкой температуры среды, охлаждающей наддувочный воздух, посредством особого холодильного процесса. Такие способы как в комбинации с аб­сорбционной холодильной машиной (причем энергия на полу­чение холода отбирается у выпускных газов или у охлаждающей воды), так и в соединении с компрессионной холодильной машиной предлагались неоднократно. В работе приводится расчет дополнительной стоимости, отнесенной к увеличению мощности, и дополнительной массы установки для цикла с компрессионной холодильной машиной (расчет выполнен при определенных допу­щениях). Хотя рассчитанные числовые значения (7,6—10,95 фунт, стерлинг л. с. и 5,12—7,12 кг/л. с.) стоимости единицы мощности и величины удельной массы (последнее, правда, только для мало- и среднеоборотных двигателей) оказались меньшими, чем у дви­гателя с наддувом, однако затраты на необходимое оборудова­ние едва ли окупятся при таком способе повышения мощности.

Использование турбодетандерного охлаждения также дает возможность понизить температуру наддувочного воздуха ниже границы, определенной температурой охлаждающей среды. Схема двигателя с турбодетандерным охлаждением, при которой второй турбокомпрессор включен в качестве так называемого турбодетандера последовательно с первым турбокомпрессором, изображена на рис. 9.4.

Для того чтобы сохранить принятые условные обозначения для состояний на входе и выходе ком­прессора и турбины, нумерация состояний на этой схеме не соответствует направлению потока. Воздух, сжимаемый в компрессоре К, после промежуточного охлаждения в охладителе Х₁ сжимается далее в компрессоре К_тд турбодетандера. Этот ком­прессор приводится от турбины Т_тд турбодетандера, в котором воздух после прохождения через охладитель Х₂ расширяется. Так как температура на входе в компрессор (состояние 5) и на входе в турбину (состояние 7) лишь немного различается, то баланс мощностей в турбодетандере устанавливается только тогда, когда степень расширения в турбине Т_тд будет значительно выше, чем степень повышения давления в компрессоре К_тд.

Степень расширения в турбине должна быть, например, приб­лизительно вдвое выше, чем степень повышения давления в ком­прессоре, если общий к. п. д. турбодетандера составляет 50%. Отсюда вытекает требование, что давление за компрессором К (состояние 2) должно быть значительно выше давления наддува на входе в цилиндр (состояние 8). Это более высокое давление за компрессором К может быть достигнуто только при большом перепаде, срабатываемом в турбине Т, т. е. за счет более сильного подпора выпускных газов по сравнению с обычным способом над­дува с турбокомпрессором и промежуточным охлаждением над­дувочного воздуха.

Для определения снижения температуры воздуха в турбо­детандере служит номограмма (рис. 9.5), рассчитанная для тем­пературы на всасывании t₁ = 20° С, к. п. д. турбокомпрессора ?_тк = 0,60, к. п. д. турбодетандера ?_тд = 0,55; адиабатный к. п. д. охлаждающей турбины ?_тад = 0,785. Баланс обеих турбомашин определяется по основному уравнению турбокомпрессора.

Пользование номограммой поясним с помощью примера. Для степени расширения газов в турбине Т р₃/р₄ = 2,0 и температуры выпускных газов, равной 923 К (650° С), находится степень повышения давления в компрессоре К p₂/ p₁ = 2,90. Пренебре­гая потерями в охладителе Х₁, имеем p₅ / p₁ = p₂ / p₁. Если дав­ление наддува р₈ в 2,4 раза больше, чем давление впуска р₁, то отношение степени повышения давления в компрессоре K_тд к степени расширения воздуха в турбине Т_тд составит ?_{к тд}/?_{т тд} = 0,83. Если, кроме того, предположить, что температуры Т₅ и Т₇ равны, то для степени расширения в турбине Т_тд р₇/р₈ = 1,48, а для степени повышения давления в компрессоре турбодетандера р₆/р₅ = 1,23, считая, что в охладителе Х₂ воздух ох­лаждается до температуры t₇ = 55° С (температура охлаждаю­щей среды на входе 40—45° С), найдем снижение температуры в охлаждающей турбине t₇ — t₈ = 28 К. Отсюда температура наддувочного воздуха получается равной t₈ = 55° — 28° = 27° С, т. е. значительно ниже температуры охлаждающей среды 40—45° С.

Снижение температуры, достигаемое в охлаждающей турбине, будет тем больше, чем больше давление воздуха перед турбодетандером превышает давление наддува. Таким образом, эффек­тивность применения турбоохлаждения зависит от того, на сколько может быть повышена мощность турбокомпрессора за счет уве­личения теплоперепада, срабатываемого в газовой турбине Т; при этом увеличенный подпор выпускных газов за двигателем не должен свести на нет выигрыш, достигнутый при охлаждении и, следова­тельно, увеличении коли­чества заряда воздуха.

В расчетах, способ охлаж­дения турбодетандером сравнивался с соответст­вующим способом турбонаддува с промежуточным охлаждением наддувочно­го воздуха) (при одинако­вых допущениях). Одина­ковые допущения заключались, например, в равенстве давлений надду­ва и в связи с этим при­мерно одинаковых уров­нях давления в цилиндре (определяющих механиче­скую напряженность), ра­венстве коэффициентов из­бытка воздуха, равенстве к. п. д. турбокомпрессоров и равенстве температуры охлаждающей среды в охладителе наддувочного воздуха. Упрощающие допущения оказывают незначительное влияние на результат сравнения турбодетандерного охлаждения с обычным способом турбонаддува.

Вследствие более высокого подпора выпускных газов при турбодетандерном охлаждении сначала затрудняется продувка, а при дальнейшем повышении давления р₃ уменьшается и коли­чество заряда. И то и другое действует в направлении, противо­положном увеличению заряда за счет снижения температуры наддувочного воздуха при турбодетандерном охлаждении. При определенной величине подпора становится невозможным дости­жение увеличения количества заряда, а следовательно, и повы­шение мощности. Обратное воздействие повышенного подпора на количество свежего заряда в цилиндре зависит и от выпускной систе­мы; в указанном расчете предполагался импульсный турбонаддув.

На рис. 9.6 показана зависимость отношения средних эффек­тивных давлений при турбодетандерном охлаждении и при обычном способе охлаждения наддувочного воздуха р_е/р_е0 от отношения давления р_вып/p_вп для определенного примера. Кривые начинаются при р_е/р_е0 = 1, т. е. двигатель имеет охлаждение наддувочного воздуха без турбодетандера (или при отключенном турбодетандере). При повышении давления р_вып прирост мощности за счет применения турбодетандерного охлаждения увеличивается при­мерно до р_вып/р_вп = 0,97, при дальнейшем повышении подпора газов выигрыш в мощности вновь уменьшается. В этом примере давление наддува р_вп = 2,5 кгс/см² (2,45 бар) под­держивалось постоянным; постоянными были и тем­пература на выходе из охладителей наддувочного воздуха 40° С (313 К) и к. п. д. турбокомпрессора ?_тк= 0,6. При турбодетандерном охлаждении при­менялись два охладителя наддувочного воздуха. Охла­дитель Х₁ не является непременно необходимым перед турбодетандером. Однако его отсутствие ока­зывает некоторое отрица­тельное влияние на эффект охлаждения, так как ком­прессор турбодетандера К_тд в этом случае должен сжимать воздух при более высокой темпе­ратуре на входе, что отражается на балансе мощностей.

Расчет, соответствующий рис. 9.6, производился для трех значений коэффициента избытка воздуха для сгорания ?: 1,5; 1,7 и 2,0; максимальное повышение составляет 10%. Расход топ­лива при турбодетандерном охлаждении несколько выше из-за меньшей полноты петли газообмена индикаторной диаграммы при более высоком подпоре газов. В расчетах кроме коэффи­циента избытка воздуха для сгорания ? варьировались также дав­ление наддува, к. п. д. турбомашин, количество охладителей и температура воздуха на выходе из охладителей, зависящая от температуры охлаждающей среды (например, при охлаждении водой из водопровода или радиаторном охлаждении).

Как следует из рис. 9.7, влияние к. п. д. турбокомпрессора и к. п. д. турбодетандера (последний вследствие меньших размеров принимался на 5 ед. меньшим, чем у ТК) очень велико: при ?_гк = 0,7 (значение, которое в настоящее время еще практически не достигнуто) повышение мощности при турбоохлаждении до­стигло бы 16%.

Несколько выше было бы увеличение мощности, если бы срав­нение обоих способов производилось не при равном коэффициенте избытка воздуха ?, а при одинаковой термической напряженно­сти, которая характеризуется потоком теплоты в стенки камеры сгорания. Несмотря на более высокую мощность при турбодетан­дерном охлаждении, отвод теплоты в стенки в этом случае — при равенстве коэффициентов избытка воздуха — ниже по сравне­нию с обычным способом охлаждения наддувочного воздуха. Влияние более низкой температуры заряда оказывается сильнее влияния повышения мощности. Температура выпускных газов при условии равенства теплоты, отводимой стенками, при использовании турбодетандерного охлаждения значительно выше, что следовало бы учитывать при расчете термической напряженности выпускных клапанов и турбинных лопаток.

Поскольку двухтактный двигатель намного чувствительнее реагирует на повышение подпора выпускных газов, то здесь пер­спективы применения турбодетандерного охлаждения с самого начала менее благоприятны, чем при четырехтактном цикле. В целом можно констатировать, что по современному уровню познаний применение турбодетандерного охлаждения на дизе­лях является нецелесообразным. Затраты на второй наддувочный агрегат (турбодетандер) и на второй охладитель наддувочного воздуха для повышения мощности лишь на ~10% являются слишком высокими. Повышение давления наддува, хотя и сопровож­дается возрастанием максимального давления сгорания и соот­ветствующими конструктивными изменениями, значительно проще и дешевле. Поэтому турбодетандерное охлаждение дизелей, не­смотря на то, что этот способ был предложен уже давно и неодно­кратно испытывался экспериментально, практически никогда не применялось.