Возрастание температуры воздуха или заряда в компрессоре зависит от степени повышения давления, к. п. д. компрессора и теплообмена со стенками, т. е. от конструкции компрессора. При высоких степенях повышения давления температура на впуске двигателя может принимать высокие значения (если не приме­няется охлаждение наддувочного воздуха), что отрицательно влияет на двигатель с двух точек зрения.

1. Для наполнения цилиндра определяющей является плот­ность заряда на впуске

Из приведенного выражения видно, что повышение плотности при определенных условиях может быть значительно меньше, чем повышение давления; только в случае изоэнтропийного сжатия при n = 1 отношение плотностей равно отношению давлений.

2. С повышением температуры наддувочного воздуха значи­тельно возрастает термическая напряженность двигателя, так как общий температурный уровень рабочего цикла зависит от тем­пературы начала сжатия в цилиндре, т. е. в первую очередь от температуры воздуха на впуске.

Поэтому на двигателях с наддувом охлаждение наддувочного воздуха, которое было предложено еще Рудольфом Дизелем, является важнейшим и простейшим средством увеличения мощ­ности, которое тем эффективнее, чем выше степень повышения давления в компрессоре. Наряду с уменьшением потерь теплоты и улучшением механического к. п. д. (более высокая мощность без повышения уровня давления) охлаждение наддувочного воз­духа способствует также снижению удельного расхода топлива. Из табл. 7.1 видно, как изменяется температура воздуха в ком­прессоре лопаточного типа (теплоотводом в компрессоре пре­небрегаем) в зависимости от температуры всасываемого воздуха, к. п. д. компрессора и степени повышения давления; на рис. 7.6 приведены соответствующие температуры на выходе из компрес­сора.

Если вода, используемая в качестве охлаждающей жидкости, имеет температуру окружающей среды, то охлаждение надду­вочного воздуха выгодно применять уже при степенях повышения давления 1,5 : 1; при степенях повышения давления, превышаю­щих 2,0, учитывая термическую напряженность двигателя и свя­занную с ней эксплуатационную надежность, применение охлаж­дения наддувочного воздуха является необходимым.

Использование воды в качестве охлаждающей среды для охла­дителя наддувочного воздуха в большинстве случаев позволяет без слишком высоких затрат осуществлять охлаждение воздуха до температурного уровня, лишь на несколько градусов превы­шающего среднюю температуру воды. В табл. 7.2 показаны ре­зультаты измерений температур воды и воздуха, а также отведен­ных количеств теплоты на некоторых дизелях с наддувом.

Как следует из табл. 7.2, температура воздуха за охладителем лишь на несколько градусов выше (см. строки 6 и 11, в особен­ности графы 3 и 6), чем температура воды на входе в него. При этом вода, как правило, подводится перекрещивающимся потоком по отношению к воздуху, так что температура воздуха на выходе приближается к температуре воды на выходе. Кроме того, из зна­чений температуры, указанных в графах 4 и 5 таблицы, можно заключить, что охладитель наддувочного воздуха у приведенного здесь среднеоборотного судового дизеля меньше, чем у двух дру­гих двигателей. Разумеется, при этом следует иметь в виду, что при высоких степенях повышения давления часто умышленно ограничивают охлаждение наддувочного воздуха, принимая во внимание недопустимость достижения температуры точки росы. Отметим уже здесь, что применение воздуха в качестве охлаж­дающей среды также позволяет осуществлять охлаждение надду­вочного воздуха до температур, приблизительно на 15° С превы­шающих температуру окружающей среды. В ра­боте указывается на возрастание преимуществ использо­вания охлаждения наддувочного воздуха типа «воздух/воздух» па автомобильных двигателях при применении новой технологии обработки легких металлов.

Как показывает опыт, на величину количества теплоты, отво­димой в охладителе наддувочного воздуха, уменьшается отвод теплоты через стенки цилиндра. Иногда теплота, забираемая ох­ладителем наддувочного воздуха, при высокой степени наддува даже больше, чем теплота, отводимая через детали, образующие камеру сгорания (табл. 7.2, строки 13 и 14, графы 4 и 5). Сумма этих величин у различных двигателей с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха отличается мало (см. строку 15). Это яв­ляется важным при анализе затрат на охладитель. Естественно, общие затраты на охлаждение у двигателя с охлаждением надду­вочного воздуха будут больше, так как он имеет большую мощ­ность и охладитель для обеспечения низких температур надду­вочного воздуха должен работать при более низкой разности тем­ператур между охлаждающей средой и воздухом на выходе из охладителя; однако затраты не настолько выше, как это можно было бы предположить исходя только из количества теплоты, от­водимой посредством охладителя.

Ориентировочно можно считать, что при равном давлении наддува и понижении температуры наддувочного воздуха на 10° С увеличение плотности воздуха составляет около 3%. Благодаря этому можно при постоянном коэффициенте избытка воздуха и постоянном удельном расходе топлива повысить мощность на 3%. Но так как при более низкой температуре удельный расход топ­лива улучшается (эмпирически найденные значения составляют приблизительно 0,5% на 10° С понижения температуры), то повышение мощности при том же коэффициенте избытка воздуха составит даже около 3,5%. Для остающейся неизменной терми­ческой напряженности (характеризуемой температурой деталей, образующих камеру сгорания) иногда благодаря снижению тем­пературы наддувочного воздуха возможно даже еще большее по­вышение мощности, чем это соответствует постоянному коэффи­циенту избытка воздуха. Так, например, из измерений температуры поршня на одноцилиндровом опытном двигателе в зависимости от температуры воздуха на впуске при равной мощности, с одной стороны, и в зависимости от мощности при равной температуре на впуске, с другой стороны, следует [7.6], что с понижением температуры воздуха на 10° С возможно увеличение мощности на 5% при равной температуре поршня.

Влияние температуры наддувочного воздуха на тепловую напряженность и удельный расход топлива можно с большой ве­роятностью предсказать на основе расчета рабочего цикла. В табл. 7.3 приведены результаты расчетов, выполненных фирмой MAN (г. Аугсбург), в которых определено изменение некоторых эксплуатационных параметров среднеоборотного дизеля с надду­вом и охлаждением наддувочного воздуха при повышении тем­пературы воздуха на впуске (обусловленном повышением тем­пературы атмосферного воздуха или уменьшением теплоотвода в охладителе наддувочного воздуха) на 40° С. Начальная мощ­ность соответствовала среднему эффективному давлению 17,6 бар и частоте вращения 430 об/мин. Из переменных величин, включаю­щих теплоту, подведенную с топливом Q_топ, эквивалентное сече­ние турбины F_{т экв}; давление воздуха на впуске двигателя р_вп; количество теплоты, отводимой через стенки Q_ст как масштаб для определения термической напряженности, в каждом случае постоянными поддерживались две.

Наиболее интересными в этой связи являются значения, при­веденные в графе 6, которые благодаря соответствующему подбору F_{т экв} и Q_топ выбирались так, чтобы давление наддува р_вп и теплота, отводимая через стенки, Q_ст оставались постоянными. Из таблицы видно, что при принятых допущениях более высокой (на 40° С) температуре наддувочного воздуха соответствует среднее эффективное давление, меньшее на 14,7%, и к. п. д., меньший на 2%.

Таким образом, понижение температуры наддувочного воз­духа па 10" С сопровождалось бы повышением эффективной мощ­ности па 3,7% и эффективного к. п. д. на 0,5%, что хорошо сов­падает с опытными данными.

Согласно графе 5, при расчете которой F_{т экв} принималась постоянной (соответственно изменялось давление наддува р_вп), при постоянстве теплоты, отводимой через стенки Q_ст, на каждые 10° С изменения температуры воздуха на впуске двигателя при­ходится изменение мощности на 4,2%.

Из этих немногочисленных примеров, число которых легко могло быть увеличено, представляется достаточно обоснованным вывод о том, что охлаждение наддувочного воздуха при равных критериях ограничения нагрузки позволяет обеспечить значи­тельно более высокую степень наддува и является наиболее эффективным и дешевым способом увеличения мощности двига­телей с наддувом. К этому следует добавить еще и то, что охла­ждение наддувочного воздуха способствует уменьшению содер­жания вредных компонентов в выпускных газах двигателей.