Глава 3 компрессоры

3.1. Основные типы компрессоров для наддува двс

Как отмечено выше, основной машиной для создания наддува ДВС является компрессор (или нагнетатель). Компрессор – это машина, которая обеспечивает подачу в двигатель определённого количества воздуха, причём, повышенного давления, необходимого для наддува двигателя. В настоящее время основным, наиболее распространённым агрегатом наддува является турбокомпрессор, т. е. центробежный компрессор (лопаточная машина), получающая энергию (приводимая) от газовой турбины. Изучение таких турбокомпрессоров будет проведено далее. А пока рассмотрим другие возможные типы компрессоров.

Процесс сжатия в компрессоре может протекать по политропе с nk (когда имеет место отвод тепла) или с nk (подвод тепла во время сжатия). В обоих случаях работа компрессора и его к. п. д. относятся к изоэнтропийному сжатию.

Известны четыре основных типа таких компрессоров, существенно отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по характеристикам воздухоснабжения, которые они обеспечивают. Это следующие типы компрессоров.

1. Поршневые компрессоры (или, иначе, компрессоры с возвратно – поступательно движущимися рабочими органами).

2. Объёмные компрессоры (с вращающимися рабочими органами, называемые ещё ротационными).

3. Центробежные и осевые компрессоры.

4. Волновые обменники давлением.

Далее проведём изучение принципов выполнения и работы каждого из этих типов компрессоров, понимая, что основной интерес всё же заключается в изучении наиболее важных и распространённых турбокомпрессоров. Однако, предварительное изучение работы других типов компрессоров облегчает понимание тех проблем, с которыми мы сталкиваемся при создании наддува двигателя с помощью турбокомпрессора. Оценка параметров работы компрессора производится по его характеристике, выражающей зависимость напора Н (или степени повышения давления Р₂/Р₁) при постоянных частотах вращения и постоянных к. п. д. от объёмного расхода. (P.S. При постоянной температуре на входе в компрессор Н является функцией только Р₂ /Р₁). Другой вид характеристик – это зависимости Р₂/Р₁ в функции от частоты вращения (n) при постоянных массовых расходах и постоянных к. п. д.

3.2. Поршневые компрессоры (компрессоры с возвратно – поступательным движением рабочего органа).

Поршневой компрессор широко известен в различных видах производства, как машина, создающая высокое давление воздуха или какого – то газа. Они применяются, например, для привода пневматического инструмента, для обеспечения подачи газа по трубопроводам и т. д. Компрессоры такого назначения могут создавать чрезвычайно высокие давления, для чего их делают многоступенчатыми. Они могут обеспечивать большие расходы подаваемого газа при сравнительно низких перепадах давления, для чего их выполняют с большими рабочими объёмами.

На рис. 3.1. показана принципиальная схема такого компрессора.

В корпусе 1 размещается поршень 2, имеющий связь с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно – поступательное. В данном случае таким механизмом является шатунно – кривошипный механизм, связанный с приводом 3 компрессора.

Рис. 3.1. Принципиальная схема поршневого компрессора. 1 – цилиндр компрессора, 2 – поршень, 3 – привод вала компрессора, 4 и 5 – впускной и нагнетательный клапаны, 7 – ресивер.

Этот привод при наддуве обычно осуществляется от коленчатого вала двигателя. В головке компрессора размещены впускной 4 и выпускной (нагнетательный) 5 клапаны. Обычно они являются автоматическими клапанами, т. е. открываются и закрываются, благодаря перепаду давления на них. Но могут и иметь привод, аналогичный приводу клапанов в ДВС.

Воздух поступает в компрессор через фильтр 6, а после повышения его давления в компрессоре нагнетается в ресивер 7, откуда подаётся в ДВС. Таким образом, на каждые два такта работы компрессора или один поворот его вала происходит всасывание воздуха и его нагнетание в ресивер.

Массовый расход компрессора равен

G_в = V₁₁,

Где V₁ – объёмный расход, ₁ – плотность воздуха.

При этом, V₁ = V_hкn_к_vк, т. е. пропорционален соответственно рабочему объёму, частоте вращения и коэффициенту наполнения компрессора.

На рис. 3.2 приведена Р – V - диаграмма поршневого компрессора.

Рис. 3.2. а) Р – V – диаграмма поршневого компрессора. б). Линии постоянных частот вращения на характеристике компрессора объёмного типа (поршневого). V₁- объёмный расход.

На диаграмме видно влияние вредного пространства и давления на выходе Р₂ на объём наполнения, на объём всасывания V_н компрессора. Вследствие расширения заключённого во вредном пространстве количества воздуха в период наполнения цилиндра объём всасывания уменьшается тем сильнее, чем больше вредное пространство и чем выше давление на выходе Р₂. Здесь же приведены характеристики постоянных частот вращения при изменении степени повышения давления и расхода компрессора (Б).

В связи с тем, что у четырёхтактных двигателей рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, передача между коленчатым валом и валом компрессора обычно делается понижающей (два оборота вала двигателя на один оборот вала компрессора). А раз такой компрессор является низкооборотной машиной, то его габариты соответственно оказываются повышенными.

Такой компрессор по своим характеристикам не очень хорошо согласуется с потребными характеристиками дизеля при его работе в широком диапазоне изменения режимов. (P. S. В дальнейшем характеристики дизеля (или вообще ДВС) по потребному расходу воздуха будем называть гидравлическими характеристиками двигателя.).

По сравнению с другими типами компрессоров поршневые имеют высокие к. п. д. Производительность этих компрессоров мало изменяется в соответствии с режимами работы. Компрессор подвержен существенному нагреву, что снижает производительность по сжатому воздуху. В то же время его характеристики (рис. 3.3) на данном режиме могут прекрасно согласовываться с гидравлическими характеристиками двигателя.

П ереходные процессы компрессора чрезвычайно кратковременны. Практически он мгновенно реагирует на изменение режима двигателя. Такой компрессор обычно размещается в блоке самого двигателя, имея привод от его коленчатого вала. По оси абсцисс отложены частоты вращения вала компрессора, по оси ординат – степень повышения давления в компрессоре, т. е. отношение давления на выходе из компрессора (Р₂) к давлению на входе (Р₁).

Рис. 3.3. Универсальные (многопараметровые) характеристики поршневого компрессора.

В указанных координатах показаны кривые постоянных расходов (G) (постоянной производительности компрессора), кривые постоянного к. п. д. (_i), а также абсолютного манометрического давления (М).

Анализируя вид характеристик, можем отметить, что достаточно высокий к. п. д. у такого компрессора достигается лишь при высокой степени повышения давления (Р₂/Р₁). При данной степени повышения давления максимальный к. п. д. достигается при сравнительно низких частотах вращения (n/4). Видно, что при постоянстве производительности компрессора (G=Const) для повышения давления на выходе Р₂ необходимо несколько повышать частоту вращения вала (n). В то же время при практически постоянном манометрическом давлении (М) повышение производительности (G) достигается увеличением частоты вращения вала компрессора (n). Повышение Р₂/Р₁ достигается при постоянной частоте вращения путём дросселирования воздуха на выпуске, а следовательно путём снижения расхода (G).

Совместная работа компрессоров с двигателем внутреннего сгорания рассматривается наложением характеристик обоих машин друг на друга, что будет рассмотрено в дальнейшем.