Авторы статьи рассматривают возможные принципы охлаждения наддуовчного воздуха и перспективы развития данного направления.
Ключевые слова: дизель, наддув, воздух
Температура наддувочного воздуха дизеля оказывает большое влияние на его экономичность и надежность в работе. Охлаждение наддувочного воздуха широко применяют для повышения литровой мощности дизелей тепловозов (при сохранении тепловой напряженности деталей на допустимом уровне) или для снижения тепловой напряженности деталей и улучшения топливной экономичности (при неизменной мощности дизеля).
Распространённым и перспективным способом повышения мощности силовых установок тепловозов, является повышение количества воздуха подаваемого в цилиндр, что впоследствии обеспечивает возможность увеличения цикловой подачи топлива и повышения, таким образом мощности двигателя.
Плотность воздушного заряда поступающего в цилиндры двигателя внутреннего сгорания выражается:
, кг/м3(1)
где 
- давление наддува, МПа; 
- температура воздуха на впуск, К; 
- универсальная газовая постоянная для воздуха, Дж/(кг∙К).
Из выражения (1) следует, что необходимое значение плотности воздушного заряда можно не только воздействую на величину давления воздуха, но и воздействуя на температуру воздушного заряда, поступающего в цилиндры.
Охлаждение наддувочного воздуха еще было предложено Рудольфом Дизелем, с целью увеличения мощности. Цикл комбинированного двигателя внутреннего сгорания с охлаждением наддувочного воздуха можно представить в виде графиков:
Рис. 1. Цикл комбинированного ДВС с ОХНВ
Понижение температуры заряда к началу сжатия в цилиндре ДВС помогает подвести дополнительное количество теплоты при постоянных значениях давления и температуры цикла, увеличить работу цикла и площадь диаграммы.
Термодинамический КПД в таком цикле будет ниже, т. к. происходит дополнительный отвод теплоты Q2. Данный факт можно рассмотреть, на примере двух идеализированных циклов с охлаждением наддувочного воздуха и без него при одинаковом количестве подведенной теплоты [3].
Рис. 2. Идеализированный цикл ДВС с охлаждением наддувочного воздуха и без охлаждения наддувочного воздуха
В настоящее время существуют различные системы охлаждения наддувочного воздуха, которые можно классифицировать по следующим признакам:
- По принципу действия:
– рекуперативные охладители;
– водо-контактные охладители;
– испарительные охладители;
– комбинированные системы;
- По типу теплоносителя:
– водяные;
– воздушные;
- По способу контакта теплоносителя с наддувочным воздухом:
– контакт через разделительную стенку;
– с непосредственным контактом;
- По количеству ступеней:
– одноступенчатые;
– двухступенчатые.
В настоящее время на тепловозах наибольшее распространение имеют системы охлаждения наддувочного воздуха водой. Однако все большее распространение получают системы охлаждения наддувочного воздуха атмосферным воздухом. Такие системы имеют ряд преимуществ:
– нет необходимости создания циркуляции промежуточного теплоносителя (охлаждающей воды);
– появляется возможность уменьшения размеров массы, затрат энергии и стоимости системы охлаждения;
– повышается надежность работы системы (исключается попадание воды в цилиндры двигателя и др.).
– появляется возможность регулировать температуру наддувочного воздуха.
Одноступенчатая схема наддува системы воздухоснабжения тепловозных дизелей представлена на рис. 1.
Рис. 3. Одноступенчатая схема наддува тепловозных дизелей
Основными недостатками воздухо-воздушной системы охлаждения являются трудности в подогреве наддувочного воздуха при работе дизелей на малых нагрузках и без нагрузки при эксплуатации тепловозов в холодный период года.
На сегодняшний день, известно применение воздухо-воздушных охладителей на опытных тепловозах (ТЭП75, ТЭП80, ТЭ136), автомобильных и авиационных двигателях. Объясняется это тем, что вода на тепловозе и автомобиле, используемая для охлаждения наддувочного воздуха, имеет сравнительно высокую температуру, так как, в свою очередь, охлаждается атмосферным воздухом.
Замена воды, как охладителя, воздухом несколько упрощает систему воздухоснабжеиня двигателя. Из системы исключается водяной насос и его привод. Вместо двух охладителей (двигателя и второго для охлаждения воды воздухом) остается только один воздухо-воздушный охладитель. При использовании воздухо-воздушного охладителя наддувочного воздуха, система охлаждения работает в собственном закрытом контуре. Тем самым можно регулировать температуру наддувочного воздуха подаваемого в впускной коллектор для разных режимов работы тепловозных дизелей. Располагаемый температурный напор между охлаждаемым и охлаждающим воздухом используется полностью только в одном теплообменнике. Такой охладитель, например, был разработан для двигателя 6ЧН 31,8/33 (2Д50) тепловоза ТЭ-2. Атмосферный воздух, протекающий в охладителе и охлаждающий снаружи плоско трубчатую поверхность теплообмена, подается эжектором, использующим энергию выпускных газов.
Известны и другие попытки применения воздухо-воздушных охладителей. Так, для двигателя типа ДН 20,7/2 X 25,6 (6Д100) была создана установка, состоящая из двух пластинчатых воздухо-воздушных охладителей, размещаемых по бокам приводного компрессора второй ступени наддува. Сжатый в компрессоре воздух поступает в охладители и затем в цилиндры поршневой части. Атмосферный воздух подается в охладители осевым вентилятором.
Несмотря на сравнительную простоту воздухо-воздушных охладителей, они пока мало распространены. Объясняется это, по-видимому, невысокой эффективностью использованных теплообменных поверхностей и слабо изученностью возможных путей их улучшения. Относится это в первую очередь к вопросу применения пластинчатых охлаждающих поверхностей, имеющих больший коэффициент компактности.
Литература:
- Д. А. Дехович. Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания/ Д. А. Дехович, Г. И. Иванов, М. Г. Кругов, П. С. Моргулис, В. Г. Перфилов — М.: Машиностроение, 1973. — 296 с.
- Смирнов С. В. Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей путем совершенствования параметров системы наддува: дис. кандидат технических наук. Тверская государственная сельскохозяйственная академия, Тверь, 2007 г.
- Б. Н. Давыдков, В. Н. Каминский. Системы и агрегаты наддува транспортных двигателей. Москва 2011 г. — 126 с.
- Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. Применения, теория, расчет. Пер. с нем. Б. С. Флорова и Б. Д. Захарова, М. Машгиз, 1961, 228 с.
- Малинов М. С., Куликов Ю. А., Черток Е. Б. Охлаждающее устройство тепловозов. М., Машгиз, 1962 год, 260 с.
- Маргулис П. С. Расширение полей возможных режимов комбинированных двигателей. — В кн.: «Проблемы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания». М., «Машиностроение» 1968 г.
