Охлаждение наддувочного воздуха

Необходимость охлаждения воздуха

Применение наддува позволяет повысить мощность двигателя за счет увеличения плотности воздуха или заряда, поступающего в двигатель. Однако при сжатии воздуха в компрессоре его температура повышается, что приводит к снижению плотности и тем сильнее, чем выше степени повышения давления p_к и ниже КПД компрессора. Известно, что применение наддува до p_к = 1,5 приводит к росту температуры примерно на 50°, а при p_к = 2 – уже на 90°.

Одним из способов повышения плотности воздуха и, соответственно, мощности двигателя является охлаждение наддувочного воздуха. Охлаждение воздуха снижает суммарные потери теплоты в двигателе, повышает механический КПД. Получаемый эффект зависит от совершенства способа охлаждения и конструктивного устройства охладителя, поэтому охлаждение не всегда может быть термодинамически оправдано.

Например, температура воздуха после охладителя снижена на 10%, а давление из-за гидравлических потерь упало на 10%. В результате плотность воздуха не изменилась, и эффекта от охлаждения нет.

Возможен также вариант, при котором в результате охлаждения наддувочного воздуха индикаторная мощность двигателя увеличилась на 10%, а затраты мощности на привод вентилятора и насос охлаждающей жидкости составили 10% от мощности двигателя. Таким образом, увеличения эффективной мощности двигателя не произошло.

Кроме рассмотренных особенностей учитывают также стоимость агрегатов охлаждения и увеличение размеров силовой установки.

Считается, что охлаждение оправдано, если плотность воздуха с охлаждением r_ох выше плотности воздуха без охлаждения r_к, то есть r_ох/r_к > 1.

Используя уравнение состояния для идеального газа, можно получить следующее выражение.

 или

,

где p _ох и Т _ох – давление и температура газа после охладителя; p _к и Т _к – давление и температура газа после компрессора; D p _ох = p _{к –} p _ох;
D T _ох = T _{к –} T _ох.

Из выражения следует, что чем меньше потери давления D p _ох и больше разность температур D T _ох, тем эффект применения охлаждения воздуха выше. Обычно снижение температуры наддувочного воздуха на 10° приводит к росту мощности двигателя на 2-4% и улучшению экономичности двигателя на 0,5%.

На рис. 9.1 показаны зависимости изменения степени наддува двигателя от степени повышения давления в двух вариантах: с охлаждением наддувочного воздуха и без охлаждения.

Рис. 9.1. Зависимости изменения степени наддува двигателя
от степени повышения давления

Как видно из графика, в варианте без охлаждения воздуха рост степени наддува отстает от степени повышения давления, особенно при p_к > 3. Считается, что при p_к = 1,5 охлаждение наддувочного воздуха целесообразно, а при p_к > 2 – охлаждение необходимо.