Метка: Компрессор

Лопастные компрессоры наиболее широко (в сравнении с другими объёмными компрессорами) применяются в ДВС для целей наддува. Компрессор такого типа был предложен ещё в XIX веке англичанином Roots. Поэтому такие компрессоры получили название компрессоров типа «Рут».

На рисунке показано, что такой компрессор имеет привод от коленчатого вала двигателя.

Рис. Схема работы объёмного лопастного компрессора

Воздух поступает в компрессор через окно 1, а в двигатель отводится через окно 2. Два ротора R при своём вращении осуществляют это нагнетание. На рисунке видна внутренняя часть компрессора благодаря вырезу части его корпуса. Внешний принципиальный вид показан также на рисунке. Роторы 2, размещённые на нижнем 1 и верхнем 4 валах, вращаются синхронно благодаря шестерёнчатой передаче 3.

Рис. Схема, демонстрирующая разрез лопастного компрессора

Рис. Принципиальные схемы устройства двухроторных нагнетателей:
а) с двумя лопастями (прямыми), б) с тремя лопастями (винтовыми), в) общий вид роторов с тремя винтовыми лопастями.
1 — нижние валы, 2 — роторы, 3 — шестерни, 4 — верхний вал, 5 — корпус воздуходувки, 6 — к коленчатому валу дизеля.

При этом верхний вал связан с коленчатым валом 6 двигателя. Видно, что роторы могут иметь оси, параллельные валам, т.е. прямые роторы, а могут быть винтовыми. Количество лопастей на каждом из роторов может быть два, три, редко четыре. Увеличение числа лопастей делается для уменьшения амплитуд колебаний давления воздуха на выходе из компрессора. Для этой же цели роторы выполняются винтовыми.

Принцип работы компрессора представлен на рисунке, где показаны четыре последовательных этапа процесса нагнетания воздуха компрессором. На схеме А стрелкой обозначен вход воздуха и направления вращения роторов компрессора. В поперечном сечении роторы имеют форму лопастей или лепестков, откуда и появилось их общее название. Видно, что роторы вращаются в противоположных направлениях. Т.е. верхний вращается по часовой стрелке, а нижний — против. Слева от роторов происходит заполнение воздухом объёма между роторами и стенками корпуса, а справа — нагнетание воздуха.

Рис. Принципиальная схема работы двухроторного трёхлопастного нагнетателя типа «Рут»:
1 — впуск очищенного воздуха, 2 — верхний ротор, 3 — нижний ротор, 4 — корпус нагнетателя, 5 — нагнетательная полость, 6 — выпуск сжатого воздуха.

На схеме Б видно, что верхний ротор начинает закрывать впускное окно, а нижний уже закрыл впускное окно, так что полость А теперь замкнута, и объём воздуха в ней переносится при вращении ротора к выпускному окну. Переносимый объём не меняется в размере, так что изменения давления в нём не происходит. Как только переносимый объём соединяется с полостью впускного коллектора двигателя, так воздух, находящийся в сжатом состоянии в этом коллекторе, устремится в указанный переносимый объём (схема В). Затем, как показано на схеме Г, объём А по мере поворота роторов уменьшается, т. е. происходит его сжатие и нагнетание во впускной коллектор двигателя. При дальнейшем вращении роторов с впуском в двигатель соединится нижняя камера Б компрессора и т.д.

Роторы размещены в корпусе с зазорами порядка 0,5 — 1,5 мм, т. е. отсутствует контакт, отсутствует трение, нет необходимости в смазке. Между роторами также имеется постоянный зазор такого же порядка. Т. е. между роторами нет зацепления. Они имеют собственные строго синхронизированные друг с другом приводы. Однако при этом возникают проблемы с утечками воздуха, особенно на режимах пониженных частот вращения. На рисунке приведена типичная схема двухтактного двигателя с продувкой-наддувом от нагнетателя типа «Рут» с трёхлопастными роторами.

Рис. Схема двухтактного дизеля с прямоточной продувкой при установке лопастного нагнетателя типа «Рут»:
1 — нагнетатель,
2 — вход воздуха,
3 — выпускные клапаны,
4 — форсунка,
5 — впускной ресивер,
6 — поршень,
7 — впускные (продувочные) окна.

На рисунке ниже показана аналогичная схема, но двигатель — с горизонтальными цилиндрами.

Рис. Схема двухтактного дизеля с горизонтальным расположением цилиндров и продувкой-наддувом от к нагнетателя типа «Рут» с трехлопастными роторами:
1 — шатун,
2 — шатун,
3 — выпуск отработавших газов,
4 — форсунка,
5 — продувочные окна,
6 — впускной коллектор,
7 — нагнетатель типа «Рут» с механическим приводом,
8 — балансир (коромысло),
9 — коленчатый вал.

Итак, за один поворот двухлопастных роторов они переносят от впуска на нагнетание четыре порции воздуха, а трёхлопастные — шесть порций. При частоте вращения порядка 1500 оборотов в минуту роторы компрессора такого типа, предназначенного для тепловозного дизеля, переносят порядка 150 м3 воздуха в минуту или 9000 м3 в час.

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.