Области применения поршневых компрессоров

Поршневые компрессоры часто используются для продувки и наддува на крупных судовых двухтактных дизелей. Известно, что двухтактный дизель не может ни работать, ни запускаться без подачи дополнительного воздуха. Т. е. даже при пуске такого двигателя, в отличие от четырехтактного, имеющего такты всасывания, необходим источник продувочного воздуха, избыточного, по отношению к атмосферному, давления. При этом желательные характеристики расхода продувочного воздуха отличаются от желательных характеристик расхода наддувочного воздуха. Поршневой компрессор в этом плане обеспечивает рациональные параметры продувки-наполнения.

На рисунке показан пример выполнения двухтактного судового дизеля с поршневым компрессором, размещённым справа от рабочего цилиндра.

Рис. Схема судового двухтактного дизеля с поршневым компрессором К, размещённым справа от рабочего цилиндра

Механизм привода поршня компрессора выполнен так, что движение поршня компрессора синхронизировано с движением поршня дизеля. Судовые дизели такого размера имеют низкие частоты вращения (порядка 200 об/мин). Поэтому КПД компрессора достигает достаточно высокого значения. Хотя, как видно на рисунке, габариты компрессора оказываются сравнимыми с габаритами всего дизеля.

Компрессоры поршневого типа применяются и на малоразмерных двигателях для продувки — зарядки цилиндра двухтактного двигателя мотоцикла или мопеда.

Двигатель имеет цилиндр двух разных диаметров. Рабочий поршень А двигателя размещён в цилиндре меньшего диаметра, а компрессорный поршень В — в цилиндре компрессора (большего диаметра).

Рис. Схема двухтактного двигателя с поршнем двойного диаметра (для продувки и зарядки цилиндра):
А — рабочий поршень двигателя, В — поршень компрессора.

Таким образом, верхняя часть машины служит для осуществления работы двигателя внутреннего сгорания, а нижняя — работы сжатия и нагнетания заряда в цилиндр — работы компрессора.

При такте расширения в двигателе поршень компрессора совершает такт всасывания через автоматический невозвратный клапан воздуха, проходящего через систему карбюрации топлива, благодаря чему готовится горючая смесь. При движении поршней от НМТ к ВМТ сначала поршень компрессора через другой невозвратный автоматический клапан и впускной коллектор подаёт в цилиндр горючую смесь. При этом происходит и продувка (с потерей части горючей смеси, как и в двигателях такого типа традиционной конструкции), и наполнение цилиндра. Затем начинается такт сжатия в рабочем цилиндре и последующая работа поршневого двигателя с внешним смесеобразованием и воспламенением смеси от электрической свечи, показанной в верхней части цилиндра.

В конструкции такого типа с максимальной эффективностью использовано пространство внутри двигателя, так что поршневой компрессор практически не увеличивает габариты и массу двигателя. Смазка двигателя осуществляется обычным для двигателей такого типа путём, т. е. благодаря добавке смазочного масла к топливу (бензину). Кроме того, картер двигателя заполнен смазочным маслом, которое при вращении кривошипа разбрызгивается в полости двигателя, попадая на зеркало цилиндра компрессора и обеспечивает дополнительную смазку компрессора.

На рисунке показана схема двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой цилиндра.

Рис. Схема двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой:
А) Общий вид.
Б) Процесс сжатия над поршнем и всасывания под ним.
В) Процесс сгорания-расширения над поршнем и сжатия под ним.
Г) Процесс выпуска отработавших газов и продувка-наполнение цилиндра свежей горючей смесью.
1 — герметичный картер,
2 — впускной канал,
3 — впускные окна,
4 — головка поршня с дефлектором,
5 — ВМТ,
6 — компрессионные поршневые кольца,
7 — выпускные окна,
8 — впускные окна,
9 — впуск,
10 — выпуск.

В данном случае речь идёт о малоразмерном двигателе, обычно мотоциклетном, двигателе мотороллера и т.д.

Роль поршневого компрессора выполняет сам поршень двигателя, а компрессорного пространства, цилиндра -подпоршневая полость двигателя, его картерное пространство. Сжатие заряда (смеси бензина с воздухом) происходит при движении поршня вниз, в такте расширения в рабочим цилиндре. Конечно, строго говоря, в данном случае речь идёт не о наддуве, а лишь о продувке-наполнении цилиндра свежей смесью.

Давление, которое создаёт такой компрессор, обычно не превышает 0,2 бар. Как известно, у двухтактных двигателей с петлевой продувкой простота конструкции создаёт и определённые недостатки.

Действительно. При ходе поршня от ВМТ к НМТ в конце такта расширения открываются выпускные окна, а затем, после свободного выпуска, — впускные (продувочные) окна. При движении поршня от НМТ к ВМТ сначала происходит закрытие продувочных окон, а затем — выпускных, с очевидной потерей части свежего заряда.

Поскольку в таких простых двигателях выпуск не управляется никакими клапанами, то при продувке цилиндра горючей смесью часть её выбрасывается в окружающую среду. При этом чем выше будет давление продувки — наддува, тем больше будет потеря заряда горючей смеси. Были попытки установки на выпуске дополнительных автоматических клапанов. Очевидно, что повышая давление открытия этих клапанов, мы можем повышать и давление наддува без чрезмерной потери заряда. Однако при этом повышается и давление выпуска отработавших газов, а следовательно, и давление остаточных газов, ухудшается очистка цилиндра от ОГ., что в целом снижает эффективность работы двигателя.

Для того чтобы исключить такие потери, у крупных двигателей применяют управляемые выпускные клапаны или золотники, например, решение, представленное на рисунке.

Двигатель имеет отдельные коллектора для наддувочного и для продувочного зарядов (соответственно 1 и 3). Клапан 2 с независимым приводом управляет подачей наддувочного воздуха в цилиндр (на рисунке он изображён в открытом положении). Автоматический клапан 4 обеспечивает подачу продувочного воздуха. Цилиндр имеет верхний ряд окон для наддува, затем ряд окон (более высоких по размеру) для выпуска отработавших газов и, наконец, третий ряд — для продувки цилиндра. Когда поршень при такте расширения открывает верхние окна, то клапан 2 находится в закрытом положении. Газы из цилиндра не поступают в воздушный коллектор. Затем открываются выпускные окна, происходит свободный выпуск отработавших газов. Открывается третий ряд окон (продувочных).

Рис. Двухтактный двигатель с независимой подачей воздуха на продувку цилиндра и на наддув:
1 — коллектор наддувочного воздуха,
2 — клапан управления воздухом для наддува,
3 — коллектор воздуха для продувки,
4 — автоматический клапан продувочного воздуха,
5 — выпускной коллектор.

Происходит продувка цилиндра воздухом из продувочного коллектора 3, который содержит заряд сжатого воздуха от предыдущего цикла. Далее поршень движется вверх, закрывая сначала продувочные окна, а затем и выпускные. Открытыми остаются лишь окна наддува. В это время клапан 2 открывает проход воздуха из коллектора 1 в цилиндр через верхние наддувочные окна. Происходит наддув цилиндра. Одновременно наддувочный воздух через автоматический клапан 4 попадает в коллектор 3, «заряжая» его для продувки цилиндра в следующем цикле. Затем наддувочные окна скрываются перемещающимся поршнем и начинается такт сжатия и остальная часть рабочего цикла.

Конечно, и в этом случае давление наддува ограничено сравнительно низким уровнем. Обычно такой процесс называют процессом дозарядки цилиндра.

Известны поршневые компрессоры (компрессоры с возвратно — поступательно движущимися рабочими органами), которые применимы для высокого уровня наддува. Так, сложный многоцилиндровый поршневой компрессор с оппозитными поршнями Wellworthy-Ricardo, обеспечивает повышение давления до 7 — 18 бар. Компрессор весьма компактен, в том числе благодаря применению косой шайбы вместо кривошипно-шатунного механизма для преобразования вращательного движения вала в поступательное движение поршней. Как и другие поршневые компрессоры, данный компрессор требует значительных затрат энергии на его привод, а получаемые характеристики компрессора неудовлетворительно согласовываются с потребными характеристиками двигателя.

Примером применения поршневого компрессора является также свободно-поршневой генератор газа (СПГГ) с силовой газовой турбиной.