При эксплуатации двигателей без наддува или с механическим наддувом общепринятым является предположение, что среднее индикаторное давление и индикаторная мощность (при постоян­ной частоте вращения) пропорциональны количеству воздуха в цилиндре, т. е. что соотношение воздух—топливо сохраняется неизменным. Так как коэффициент наполнения не зависит от давления, но несколько возрастает с увеличением температуры и так как при наличии влажного воздуха необходимо учитывать содержание водяного пара, то в пересчетных формулах предусмотрено, что индикаторная мощность прямо про­порциональна внешнему давлению, уменьшенному на парциаль­ное давление водяного пара, и обратно пропорциональна внешней температуре в степени 0,7. Эта степень учитывает воз­растание коэффициента наполнения при увеличении темпера­туры.

У двигателей с турбонаддувом количество заряда зависит не непосредственно от внешнего состояния, а от того, как реа­гирует турбокомпрессор на изменение параметров на впуске и на изменение мощности, т. е. какое состояние воздуха или смеси он обеспечивает перед впускными органами двигателя.

Проблема пересчета мощности усложняется еще несколько тем, что дизели с наддувом часто работают с более чем достаточ­ным коэффициентом избытка воздуха для сгорания, в связи с чем предел мощности определяется не коэффициентом избытка воз­духа в цилиндре и зависящим от него потемнением отработав­ших газов, а другими факторами. Этими факторами могут быть: частота вращения турбокомпрессора, максимальное давление га­зов в цилиндре, температура выпускных газов (например, при­нимая во внимание термическую напряженность выпускных кла­панов или турбинных лопаток) или термическая нагрузка дета­лей, образующих камеру сгорания. Как правило, при исходной мощности в нормальных условиях достигается допустимое гра­ничное значение только одного из перечисленных факторов, а остальные еще далеки от пределов. Допустимая мощность при условиях, в которых эксплуатируется двигатель, должна вы­бираться такой, чтобы ни один из этих факторов не выходил за допустимые пределы.

На мощность двигателя с наддувом при понижении внешнего давления может оказывать влияние конструкция турбокомпрес­сора. Если, например, благодаря соответствующей настройке турбокомпрессора (высотный компрессор с более высокой сте­пенью повышения давления, применено охлаждение наддувоч­ного воздуха) состояние воздуха на впуске при пониженном дав­лении будет равно исходному состоянию при нормальных усло­виях, то с увеличением высоты вообще не потребуется умень­шать мощность. В этом случае количество заряда в цилиндре останется практически неизменным, и суммарный расход воз­духа через двигатель, влияющий на температуру выпускных газов, также не уменьшится при понижении внешнего давления. В связи с тем, что мощность двигателя с турбонаддувом может быть ограничена различными факторами, что равновесное состоя­ние турбокомпрессора устанавливается в зависимости от внеш­него состояния и выбранной рабочей точки двигателя и что, на­конец, турбокомпрессор может быть приспособлен к эксплуата­ционным условиям различными способами (например, за счет сужения соплового аппарата или выбора ТК меньших размеров), проблема установления мощности в зависимости от внешнего давления и температуры является очень сложной. Это подтвер­ждается большим количеством публикаций об экспериментальных и расчетных исследованиях.

В настоящее время с помощью расчетного метода, можно определить с достаточной степенью точности мощность двигателя, максимально допустимую при изменившихся внешних условиях. В табл. 8.1 приведен пример такого расчета для дизеля с турбонаддувом и охлаждением наддувочного воз­духа, имеющего в исходном состоянии среднее эффективное дав­ление 12,43 бар.

В графе 3 таблицы указаны важнейшие параметры, зна­чения которых были замерены для исходного состояния при внеш­нем давлении 0,981 бар и температуре на всасывании 301 К. Зна­чения, представленные в графах с 4 по 9, являются результатами расчета при неизменных геометрических параметрах двигателя и турбокомпрессора и при протекании процесса сгорания, полу­ченного на базе замеренных значений из графы 3. Для всех этих граф внешнее давление составляет р₀ = 0,674 бар, что соответ­ствует высоте над уровнем моря ~3500 м. Температура на вса­сывании для всех примеров принималась неизменной Т₀ = 301 К, поскольку целью расчетов было определение влияния внешнего давления.

При вычислении значений в графах с 4 по 6 предполагалось подведение такого же количества теплоты, как и в исходном со­стоянии (Q_топ const, строка 14), величина к. п. д. турбоком­прессора ?_тк (строка 10) варьировалась при исходном значении 51,1% от 48,5 до 53,5%. Для регулировочной закономерности Q_топ = const, которая применяется преимущественно в случае автомобильных и тепловозных двигателей, является допущением, что двигатель при исходной мощности имеет еще запасы по ча­стоте вращения турбокомпрессора, температуре выпускных га­зов, тепловой нагрузке и избытку воздуха (в связи с удалением от границы дымления), так как частота вращения компрессора п_к (строка 9), температура на входе в турбину Т₃ (строка 11) и теплоотвод в стенки Q_ст (строка 15) повышаются, а коэффициент избытка воздуха для сгорания ? (строка 16) при этих допущениях снижается. Одновременно падает максимальное давление в ци­линдре р_z (строка 18), т. е. уменьшается механическая нагрузка двигателя. Влияние к. п. д. турбокомпрессора на параметры ди­зеля, за исключением температуры выпускных газов, незначи­тельно; при понижении внешнего давления на 31,5% мощность уменьшается лишь на 2,5—1,5%.

В графе 7 представлены расчетные значения параметров ди­зеля для неизменной тепловой напряженности, характеризуемой Q_cт = const; к. п. д. турбокомпрессора при этом принимался постоянным. Мощность при понижении внешнего давления на 31,5% падает на 8,5% и составляет 91,5% от исходной величины, что связано с соответствующим уменьшением количества впрыски­ваемого топлива и теплоподвода Q_ст. Частота вращения турбо­компрессора и температура газа перед турбиной по сравнению с исходным состоянием повышаются, а коэффициент избытка воздуха для сгорания и максимальное давление сгорания умень­шаются.

Для расчетных значений в графах 8 и 9 принималась такая же степень повышения давления, как в исходном состоянии, т. е. n_k = const. Так как в этом случае — при равной темпера­туре на всасывании — объемный расход воздуха через двигатель остается приблизительно постоянным, то турбокомпрессор как со стороны компрессора, так и со стороны турбины работает в одной и той же точке характеристики. Только для этой регули­ровочной закономерности — при неизменной характеристике турбокомпрессора и положении рабочей точки — правомочно предположение постоянного к. п. д. турбокомпрессора. Вслед­ствие равенства мощности турбины и компрессора температура на входе в турбину должна быть такой же, как и в исходном со­стоянии; небольшие отклонения обусловлены вторичными влия­ниями, например неодинаковым воздействием пульсации газов при различных уровнях давления.

Параметры в графах 8 и 9 приведены для различных момен­тов впрыска и воспламенения. В то время как для параметров в графе 8 момент впрыска был таким же, как в исходном состоя­нии (графа 3), и только протекание процесса сгорания в соответ­ствии с определенными закономерностями регулировалось для более низкого уровня давления, для расчета значений графы 9 начало впрыска было принято с опережением 2° п. к. в. Как видно из графы 8, мощность уменьшилась на 27,7% (до 72,3% от исходной), а в графе 9 — на 25% (до 75% от исходной). Таким образом, снижение мощности было явно меньше, чем падение плотности окружающего воздуха, составлявшее 31,5%. Среднее индикаторное давление в последнем случае снижалось вообще лишь на 22,5%. То, что мощность при равном объемном расходе воздуха через двигатель и при той же рабочей точке турбоком­прессора не пропорциональна плотности окружающего воздуха, связано с изменением в распределении потерь теплоты: на теп­лоту, отводимую стенками, и теплоту, уносимую выпускными га­зами, при изменении уровня давления (Q_ст ~ р^0,78). Так как от­ношение теплоты, отводимой стенками, к теплоте, подводимой с топливом, с понижением давления возрастает, то для достиже­ния равной температуры выпускных газов (равного отношения теплоты, уносимой выпускными газами, к теплоте, подводимой с топливом) может быть впрыснуто относительно большее коли­чество топлива, чем то, которое соответствует степени повышения плотности.

Следует отметить, что при регулировочном законе «равная степень повышения давления воздуха в компрессоре» частота вращения компрессора и температура выпускных газов остаются постоянными или почти постоянными, а максимальное давление в цилиндре и теплота, отводимая стенками, уменьшаются. Вслед­ствие этого турбокомпрессор при таком регулировочном законе нагружен так же, а двигатель имеет меньшую как механическую, так и термическую напряженность. Только коэффициент избытка воздуха для сгорания несколько уменьшается, что, однако, как правило, не является причиной для отказа от этого регулировоч­ного закона, поскольку величина ? у дизелей с наддувом не достигает предельно допустимых значений. В приведенном при­мере ? = 1,798 (графа 9, строка 16) имеется еще достаточный избыток воздуха и для более низкого внешнего давления.

Так как шаговый расчет рабочего цикла по приведенным выше примерам является сложным и так как подобные расчетные про­граммы имеются не везде, Международная конференция по дви­гателям внутреннего сгорания (СIМАС) рекомендовала следую­щую формулу для четырехтактных двигателей с наддувом, при­годную как для корректировки результатов стендовых испыта­ний на нормальные условия, так и для пересчета мощности на измененные условия применения двигателя:

где ? -  мощностной фактор; К — относительное изменение инди­каторной мощности; а — фактор влажности; N и N_i — эффектив­ная и индикаторная мощности; ?_mн — механический к. п. д. дви­гателя в начальных условиях; Ф — относительная влажность, %; р — абсолютное давление окружающего воздуха; р_s — давление насыщения водяного пара; Т — абсолютная температура окру­жающего воздуха; Т_с — абсолютная температура охлаждающей среды на входе в охладитель наддувочного воздуха.

Индексы означают: н — начальные условия, которые могут соответствовать нормальным или задаваемым изготовителем и при которых двигатель может отдавать свою полную мощность; х — измененные внешние условия.

Для показателей степеней определены следующие числовые значения:

Пересчет удельного расхода топлива основан на упрощаю­щем предположении, что отнесенный к индикаторной мощности расход остается неизменным, что, конечно, справедливо лишь приближенно. Отсюда следует, что отнесенный к эффективной мощности расход изменяется обратно пропорционально механическому к. п. д., который может быть выведен из уравнений (8.4)—(8.6) следующим образом:

Приведенные показатели степени, справедливые и для дви­гателя, конструкция которого неизменна при нормальных усло­виях и условиях применения, были выбраны так, чтобы в обоих случаях из вычислений получалась примерно равная темпера­тура выпускных газов (температура на входе в турбину). Это дает (за исключением случая уменьшения коэффициента избытка воздуха) наиболее сильное снижение мощности при уменьшаю­щемся давлении или повышающейся температуре: при использо­вании этой формулы не требуется знать, какой фактор ограни­чивает мощность данного двигателя при исходных условиях.

Почти всегда имеющий место факт, что у дизелей с наддувом коэффициент избытка воздуха не принимает предельно допусти­мых значений, позволяет пренебречь влиянием влажности, т. е. принять коэффициент ? равным нулю. Если у интересующего нас двигателя температура выпускных газов — или частота враще­ния турбокомпрессора, если рассматривается изменение внеш­него давления — еще допускает дальнейшее повышение, то пе­ресчет мощности производится по указанной выше формуле исходя не из нормальных условий, а из эквивалентного состоя­ния, при котором достигается допустимая температура выпуск­ных газов или допустимая частота вращения турбокомпрессора.

По эмпирическим данным для равной цикловой подачи топлива (рейка топливного насоса на упоре) могут быть приняты изменения важнейших эксплуатационных параметров, ограничивающих мощность (табл. 8.2).