Спиральные нагнетатели

Принцип действия спирального нагнетателя впервые предложил изобретатель Леон Креукс (L. Creux) в 1905 году в патенте на оригинальную паровую машину. В качестве агрегата наддува спиральный нагнетатель (scroll type) получил признание в 1986 году, когда фирма Volkswagen начала серийное производство G -нагнетателей (модели G -40 и G -60, где число 60 – глубина спиральных канавок в мм). G -нагнетатель является одноосевым нагнетателем. Схема и принцип действия нагнетателя приведены на рис. 3.6.

В одной половине нагнетателя - в неподвижном корпусе 1 имеется две спиральные стенки 2 и 3, образующие два спиральных канала 8 и 9 (в форме улитки). В корпусе 1 выполнены отверстия 4 для отвода нагнетаемого воздуха во впускную систему двигателя. Впуск воздуха в нагнетатель осуществляется через патрубок 7. В спиральных каналах размещаются пластины вытеснителя 5 и 6 спиральной формы. Вращение основного вала нагнетателя осуществляется с помощью ременной передачи от коленчатого вала двигателя. Синхронизация частот вращения основного вала и вала привода вытеснителя осуществляется с помощью зубчатой ременной передачи. Вытеснитель,

смонтированный во второй половине корпуса нагнетателя, имеет цапфу, ось которой эксцентрична относительно оси вала привода вытеснителя. Благодаря этому каждая вытесняющая пластина, заключенная с обеих сторон в литые спиральные стенки, выполняет сложные поступательные и угловые перемещения. При этом любая точка на пластине совершает в спиральном канале вращение с радиусом, равным эксцентриситету привода цапфы (половине ширины канала). Вокруг собственной оси (оси основного вала) вытеснители не вращаются.

Рассмотрим цикл нагнетания воздуха по четырем характерным положениям вытеснительной пластины в спиральной канавке 8. При перемещении пластины 5 в канале 8 образуются полости: внутренние (между пластиной 5 и стенкой 3) и внешние (между пластиной 5 и стенкой 2).

В положении I во внутренней полости А происходит впуск воздуха из патрубка 7, из внутренней полости В воздух нагнетается в выпускные окна 4, а в замкнутой полости Б воздух перемещается в сторону нагнетания.

При переходе в положение II пластина 5 поворачивается по часовой стрелке и перемещается вправо. Вследствие увеличения объема полости А продолжается ее заполнение воздухом из патрубка 7. Заканчивается вытеснение воздуха из полости В. Полость Б разделилась на две части. В одну (полость Г) происходит впуск воздуха, а из второй, (оставшееся часть полости

Б), началось нагнетание воздуха через окна 4.

При переходе в положение III пластина 5 поворачивается против часовой стрелки и перемещается вниз. Объем полости Г увеличивается и происходит впуск в нее воздуха. Из полости Б воздух нагнетается через окна 4 во впускную систему двигателя. Полость А закрылась, объем ее максимальный и в ней воздух перемещается в сторону нагнетания. Из объема В воздух полностью удален в сторону нагнетания.

При переходе в положение IV пластина 5 поворачивается против часовой стрелки и перемещается вверх. В полости Б заканчивается нагнетание. Полость Г заполняется воздухом из патрубка 7. Объем полости А уменьшается, она сообщается со стороной нагнетания и воздух из нее вытесняется через окна 4. Вследствие отхода пластины 5 от стенки 3 образуется полость В, в которую происходит впуск воздуха. Затем пластина 5, поворачиваясь по часовой стрелке и перемещаясь вверх, переходит в начальное положение I.

Максимальное значение КПД достаточно высокое, η _{k max} = 0,68. На оптимизированной модели нагнетателя достигнут даже КПД равный 0,759 и степень повышения давления воздуха π _k = 2,0. Изменение параметров на характеристике имеет вид присущий объемным механическим нагнетателям.

К преимуществам спиральных нагнетателей относятся:

• Малый момент перемещающихся масс, обусловленный внецентренным расположением вытеснителя. Благодаря этому он совершает поступательно-круговые движения с небольшим радиусом (например в нагнетателях G-40 и G-60 радиус равен 4,9 мм). Кроме того пластины изготовлены из легкого сплава магния.

• Высокое значение максимального КПД. Это объясняется небольшим радиусом кругового движения вытеснителя, вследствие чего относительная скорость составляет всего 5,1 м/с. В результате этого и применения специаль-

ного смазочного состава потери на трение оказываются незначительными. Кроме того, длина уплотняющих поверхностей у спирального нагнетателя больше, чем у других механических нагнетателей, а имеющая место упругая деформация пластин и стенок вследствие изгиба и теплового расширения только увеличивает эту длину.

• Низкий уровень шума, вследствие плавного раскрытия полостей, образуемых пластинами и стенками нагнетателя.

• Возможность создания конструктивного ряда за счет изменения глубины спиральных каналов.

Однако эти нагнетатели имеют и существенные недостатки. Главным из них является высокая сложность изготовления спиральных каналов с минимальными допусками. Отклонения в качестве поверхности или контуре тонких спиральных стенок могут привести к значительному снижению КПД нагнетателя. Очень жесткие требования предъявляются к допускам на эксцентриситет и межцентровые расстояния. Наличие эксцентриситета в приводе вытеснительных пластин обусловливает появление центробежных сил, которые приводят к преждевременному усталостному износу подшипников. Кроме того, спиральные нагнетатели имеют габариты и массу заметно больше, чем соответствующие турбокомпрессоры.

Спиральные нагнетатели G -40 и G -60 фирма Volkswagen c 1986 по 1992 годы устанавливала на двигателях автомобилей моделей Polo, Corrado, Golf и Passat.

Значительные работы по совершенствованию спиральных нагнетателей проводит Швейцарский промышленный концерн SIG. Выпускаемая им модель «Ecodyno», предназначенная для наддува бензиновых двигателей с рабочим объемом iV_h = 1,8…2,4 дм³, не имеет внутреннего сжатия. Не смотря на это, максимальная степень повышения давления воздуха при наддуве равна π _k = 2,0. По сравнению с нагнетателем G -60 ширина канавок увеличена до 15 мм, а глубина их уменьшена на 10 мм. При меньших габаритах производительность увеличена на 40%. Это свидетельствует о перспективности применения спиральных нагнетателей для наддува двигателей с принудительным воспламенением.

Дата добавления: 2014-10-17