Устройство и работа системы Comprex

В литературе говорится и о компрессоре Comprex, и о системе Comprex, и о машине Comprex. Действительно, в данном случае речь идёт о газодинамической машине, объединяющей в себе процессы сжатия и расширения. (Наименование Comprex происходит от английских слов compression – сжатие и expanding – расширение). Принцип действия системы основан на том, что волна давления, проходящая по каналу трубопровода, отражается на свободном конце отрицательно, т. е. как волна разрежения. А на закрытом конце – как волна давления. Всасывающая волна (волна разрежения) отражается на свободном конце как волна давления, а на закрытом – как волна разрежения, т. е. как всасывающая волна.

Схема устройства системы наддува Comprex показана на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Схема работы системы Comprex c дизелем. 1 – ротор, 2 – всасывание воздуха, 3 – впускной коллектор, 4 – поршень, 5 – впускной канал двигателя, 6 – выпускной канал двигателя, 7 – выпускной трубопровод, 8 – корпус компрессора, 9 – коллектор подвода и отвода газов, 10 – выпуск газов.

Система состоит из ротора 1 с осевыми каналами – ячейками трапецеидального сечения, открытыми с торцов. Ротор размещён в корпусе (кожухе) 8 на подшипниках и имеет ремённый привод от коленчатого вала двигателя. Мощность, необходимая для вращения ротора, отнимается от вала двигателя. Но она невелика, так как зависит лишь от трения в подшипниках и вентиляционных потерь. Ротор не является нагнетателем, он служит лишь распределителем волн давления – разрежения. К торцам корпуса подведены каналы воздушные (2 и 3) и выпускных газов (9). Т. е. с одного торца корпуса подводится воздух низкого давления (ВНД) – всасывание 2 и отводится воздух высокого давления (ВВД) – впускной коллектор 3. С другого торца подводятся отработавшие газы высокого давления (ГВД) – выпускной трубопровод 7 и отводятся газы низкого давления (ГНД) – выпуск газов 10. Белыми и чёрными стрелками показаны соответственно потоки воздуха и отработавших газов. Итак, энергия на сжатие воздуха отбирается от выпускных газов. Сжатие воздуха и расширение отработавших газов происходят в каналах – ячейках ротора, проходящих при вращении ротора мимо неподвижных впускных и выпускных патрубков.

Процессы, происходящие в ячейках ротора, разъясняются на схеме рис. 3.32, где изображена схематическая развёртка боковой поверхности ротора и впускные (7) и выпускные (5) каналы неподвижного корпуса. (Надписи “Впуск” и “Выпуск” относятся к процессу в двигателе). Вращение ротора на схеме обозначено линейным перемещением вверх развёрнутого ротора (чёрная стрелка вверх). Газодинамический цикл начинается в позиции 1, когда канал – ячейка заполняется свежим воздухом под действием атмосферного давления. Вертикальные штрихи в ячейках обозначают, что скорость воздуха (а в других случая – газа) равна нулю. Отработавшие газы из двигателя поступают в его выпускной коллектор (Выпуск) и затем под постоянным давлением – к окну 7 корпуса (входа газов) и в ячейки ротора. При вращении ротора, как только ячейка, заполненная воздухом низкого давления, оказывается напротив входного окна 7 корпуса, т. е. соединяется с полостью газов высокого давления (ГВД), так в ней возникает волна давления, которая сжимает находящийся в ней воздух и перемещает его по ячейке к выпускному окну 5 выхода воздуха высокого давления (ВВД). Вслед за волной давления внутрь ячейки входит газ высокого давления. Т. к. ротор вращается (развёртка перемещается линейно в направлении чёрной стрелки в верхней части схемы), то ячейки снизу последовательно соединяются с окном 7. И поэтому линия, соединяющая фронты волн давления, имеет наклон по отношению к осевому направлению движения ротора.

Рис. 3.32. Схема работы системы Компрекс.

Волна давления I достигает конца ячейки примерно в тот момент, когда открывается выход воздуха высокого давления в окно 5. Волна давления отражается от торца ячейки и возвращается в неё в виде волны давления II, которая дожимает свежий воздух. В зоне высокого давления сжатый воздух вытекает во впускной коллектор (Впуск) двигателя и затем поступает в цилиндр двигателя. Внезапная остановка газового потока у кромки, перекрывающей вход газов в ячейку из патрубка с газами высокого давления, создаёт волну разрежения III, которая снижает давление газов и уменьшает до нуля скорость их движения. В тот момент, когда правый конец ячейки проходит верхнюю кромку, перекрывающую патрубок (окно 5), выпускные газы заполняют примерно две трети ячейки и отделяются от сжимаемого воздуха зоной перемешивания.

В зоне между линиями III и IV (вертикальные, более густо расположенные линии), давление ниже, чем в зоне высокого давления, но выше, чем атмосферное, поэтому газы вытекают из ячейки в выпускную трубу, как только ротор поворачивается в положение, при котором ячейка сообщается с патрубком отвода газов 10 (Выпуск). Волна разрежения IV, возникающая в ячейке, достигает правого её конца в тот момент, когда устанавливается сообщение с каналом 2 (Впуск).Эта волна разрежения и отражённые волны V, VI и VII создают повышенное давление у газового края ячейки, и газы вытекают в патрубок газов низкого давления (ГНД) 10. С воздушной стороны этой же ячейки образуется разрежение и она заполняется свежим воздухом. Когда выпускные газы и смесь газов с воздухом, естественно образующаяся при их непосредственно контакте, полностью вытекают из ячеек, цикл может начинаться вновь с позиции 1.

Для того, чтобы обеспечить сохранение малых зазоров между корпусом и ротором как с торцевых, так и с боковых сторон, стремятся к равномерному или к симметричному нагреванию корпуса. Для этого каналы подвода и отвода газов выполнены парными (канал подвода газов разделён на два, которые размещены по вертикальной оси вверху и внизу, и канал отвода газов разделён на два, которые размещены по горизонтальной оси, один справа, а другой слева от вертикальной оси).

При одном повороте ротора каждый канал дважды заполняется газом или воздухом и дважды опустошается. Поэтому возникает проблема теплового расширения перегородок между ячейками. Для её решения перегородки выполняются не прямыми, а изогнутыми в радиальном направлении в виде буквы S. А для снижения шума перегородки размещены в роторе с разным шагом, т. е. ячейки имеют разную ширину.

Задачей системы является, в частности, обеспечение высокой степени наддува в наиболее широком диапазоне изменения частот вращения. Как показано ранее, вал ротора непосредственно связан с коленчатым валом двигателя (предпочтительно через ремённую передачу). Т. е. при низких частотах вращения вала двигателя ротор системы также имеет низкую частоту. В то же время гидродинамические параметры протекающего процесса обмена давлением зависят от скорости пробегания в ячейках волн давления. Проблема здесь заключается в том, что это время (пробегания волн давления в каналах) зависит от температуры газа или воздуха. В то же время температура зависит не от частоты вращения, а от нагрузки двигателя. Поэтому, строго говоря оптимальные размеры ротора и его частоты вращения могли быть определены лишь для одного скоростного режима.

В то же время фирме удалось создать систему, в которой при отклонении режимных параметров от оптимальных в ячейках ротора создаются дополнительные волны, которые накладываются на основные, изменяя их параметры. Дополнительные волны создаются благодаря размещению на торцевых частях корпуса между впускными и выпускными каналами дополнительных полостей, выемок. Изменения в параметрах основных волн давления, которые они вносят на неоптимальных режимах, приближают условия работы системы к оптимальным. Это дало возможность применять данный способ наддува для автомобильных двигателей, работающих в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов.

На рис. 3.33 показана конструкция системы “Компрекс”.

Рис. 3.33. Продольный разрез компрессора Comprex.

В корпусе 1 в подшипниках 4 размещён вал 2 ротора 7, который зафиксирован на валу гайкой 8. С валом 2 связан также шкив 3 привода ротора. Для смазки подшипников 4 вала 2 к ним имеется подвод и отвод масла через штуцеры 5 и 9 соответственно. Участок корпуса 1 служит для ввода воздуха (верхняя часть) и отвода воздуха (нижняя часть). Часть 6 корпуса служит для подвода и отвода отработавших газов (показано стрелками).

3.12. Характеристики компрессоров “Компрекс” (Comprex)

Принципиально система “Компрекс” создавалась для наддува дизелей. Однако, известно, что фирма Феррари и другие применили систему для наддува бензиновых двигателей. Всё же наибольшие достоинства Компрекс обеспечивает при использовании на дизелях. Создатели системы разработали серию компрессоров, применимых для наддува двигателей мощностью от 42 до 450 кВт, с массами соответственно от 7 до 40 кг. Как показано на рис. 3.34, фирма Броун Бовери разработала серию компрессоров “Компрекс” для дизелей разной мощности и назначения.

Рис.3.34. Характеристики повышения давления и производительности разных типов компрессоров Comprex.

Системы СХ 93 и СХ 112 предназначены преимущественно для легковых автомобилей, хотя модернизацией СХ 112 можно перевести его в параметры, необходимые для тяжёлых грузовиков. Частота вращения наиболее лёгкого СХ 93 достигает 18000 об/мин, наиболее тяжёлого СХ 200 – 8500 об/мин, причём, последний обеспечивает мощности дизелей от 250 до 450 кВт.

Уровень достижимой степени повышения давления достигает 3,0. Однако, возможно его повышение до 3,5, когда температура выпускных газов достигает 700 ⁰С. Для легковых автомобилей степень повышения давления выше 2,10 применяется редко. В то же время, видно, что для применения в легковых автомобилях система “Компрекс” обеспечивает плавно изменяющееся давление наддува с изменением частоты вращения примерно в соотношении 1:4,5 (т. е. от 0,22 до 1,0 от номинала).

На рис. 3.35 показана универсальная характеристика дизеля с системой “Компрекс”.

Рис. 3.35. Универсальные характеристики дизеля, оборудованного системой Comprex.

Оценочные цифры удельного расхода топлива справедливы и для дизелей с непосредственным впрыскиванием топлива (преимущественно дизели грузовиков), и для дизелей с разделёнными камерами сгорания (дизелей преимущественно легковых автомобилей).

3.13. Достоинства и недостатки системы “Компрекс”

Основным достоинством системы “Компрекс” является, (конечно, дополнительно к увеличению мощности и момента) возможность получения благоприятного протекания внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя по крутящему моменту. Т. е. достигается ВСХ с незначительным снижением момента после достижения его максимума (в отличие от резкого падения момента при применении системы турбонаддува). Кроме того, система обеспечивает двигателю высокую приёмистость, т. к. при разгоне не требуется разгон нагнетателя, как при применении ГТН, а все параметры наддува зависят лишь от изменения параметров давления газов и обмена давлением с воздухом. С системой “Компрекс” возможно повышение крутящего момента (благодаря наддуву) на величину до 70 % по сравнению с моментом двигателя без наддува. В то же время максимум момента может быть расположен при частоте вращения, равной 0,5 от номинала. А это обеспечивает двигателю высокую присопособляемость, “эластичность”. Как показывает анализ характеристики на рис. 3.32, грузовик с системой “Компрекс” в условиях пересечённой местности не требует большого числа переключений передач, благодаря благоприятному протеканию кривой момента (высокий фактор устойчивости режима). При этом минимизируется и расход топлива.

Дополнительным достоинством является более высокое экологическое качество дизеля с системой “Компрекс”. Оно достигается частично благодаря разжижению отработавших газов воздухом и некоторой возможности дожигания продуктов неполного сгорания уже в зоне ячеек ротора. Но важнее является то, что благодаря низкой инерционности процесса обмена давлением газов по сравнению с инерционностью турбокомпрессора, все переходные режимы протекают при более высоком коэффициенте избытка воздуха, чем в дизелях с турбонаддувом. А значит, при более полном сгорании топлива в камере сгорания и т. д. Этот же фактор объясняет более высокую эксплуатационную топливную экономичность дизеля с системой “Компрекс”.

По сравнению с объёмными компрессорами размещение компрессора “Компрекс” на двигателе так же сложно из – за необходимости связи с валом двигателя. Однако, “Компрекс” отбирает от вала двигателя весьма малое количество энергии.

Дополнительным достоинством системы является то, что для изготовления ротора и корпуса не требуется применение жаропрочных материалов. Так как ротор и корпус при работе попеременно омываются, то горячими выпускными газами, то холодным воздухом. По этой же причине корпус не требует системы охлаждения.

В то же время системе присущи и определённые недостатки, препятствующие её широкому распространению. Прежде всего это большие габариты и более высокая стоимость, по сравнению с турбонаддувом. В то же время следует отметить, что систем “Компрекс” обеспечивает повышение мощности на 40% без применения промежуточного охлаждения воздуха. В то время, как при турбонаддуве этот уровень повышения момента или мощности уже требует установки промежуточного охлаждения, а следовательно, холодильников, трубопроводов, т. е. и дополнительных габаритов, и повышенной стоимости. Из – за необходимости связи ротора с валом двигателя возникают ограничения в размещении системы на двигателе. Возможности размещения турбокомпрессора конечно более широки. Предполагается, что затраты на снижение шума в данном случае также будут более высоки, чем при турбонаддуве.

Дата добавления: 2014-12-26