Области применения поршневых компрессоров

Поршневые компрессоры часто используются для продувки и наддува 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 четырёхтактного, 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 рис. 3.4. показан пример выполнения двухтактного судового дизеля с поршневым компрессором, 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 к. п. д. компрессора достигает достаточно высокого значения. Хотя, как видно на рис. 3.4, габариты компрессора оказываются сравнимыми с габаритами всего дизеля.

Рис. 3.4. Схема судового двухтактного дизеля с поршневым компрессором К, размещённым справа от рабочего цилиндра.

Компрессоры поршневого типа применяются и на малоразмерных двигателях, например, для продувки – зарядки цилиндра двухтактного двигателя мотоцикла или мопеда. На рис. 3.5. показан интересный вариант такого выполнения. 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. 3.5. 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 рис. 3.6. показана схема двухтактного двигателя с кривошипно – камерной продувкой цилиндра. 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 рот движении поршня вниз, при такте расширения в рабочем 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.

Рис. 3.6. 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.

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 о. г., 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 рис. 3.7.

Рис. 3.7. 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.

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 рис. 3.7. 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 рад окон (продувочных). Происходит продувка цилиндра воздухом из продувочного коллектора 3, который содержат 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 закрываются 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 (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Компрессор Wellworthy – Ricardo.

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, рассмотренный ранее в разделе термодинамических основ наддува ДВС.

3.4. Объёмные компрессоры

Рассмотренные выше поршневые компрессоры по – существу также являются объёмными, однако, они выделяются в отдельный тип, так как имеют возвратно – поступательное движение рабочего органа. Рассматриваемые далее объёмные компрессоры в большей степени удовлетворяют задачам наддува ДВС. Они отличаются от поршневых тем, что их работа происходит при вращении вала, который связан с валом двигателя. Название их объёмными весьма условно, так как при их работе всегда имеются какие – то утечки заряда, а следовательно, в отличие от поршневых, их производительность не строго определяется рабочим объёмом машины. В то же время принцип их работы определяется тем, что при всасывании происходит увеличение рабочего объёма, а нагнетание и сжатие заряда определяется уменьшением рабочего объёма. Известны следующие основные типы объёмных компрессоров.

1. Пластинчатые компрессоры.

2. Лопастные.

3. Винтовые.

4. Кольцевые.

5. Спиральные.

6. Ванкеля.

Объёмные компрессоры первых двух типов широко применяются как при наддуве дизелей, так и при наддуве бензиновых двигателей. Применение остальные известно лишь эпизодическое, экспериментальное. Рассмотрим последовательно принципиальные особенности этих компрессоров.

Дата добавления: 2014-12-26