Идеальные циклы комбинированных ДВС

Ю. Р. ВАХИТОВ

АГРЕГАТЫ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ

Уфа 2012

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный технический университет»

 

Ю. Р. ВАХИТОВ

 

 

АГРЕГАТЫ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ

 

Допущено Редакционно-издательским советом УГАТУ

в качестве учебного пособия для студентов всех форм обучения,
обучающихся по специальности 140501
«Двигатели внутреннего сгорания»
 и направлению 141100 «Энергетическое машиностроение»

 

 

Уфа 2012

УДК 621.43.052

ББК 39.333

В22

 

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент кафедры «Тракторы и автомобили»

Башкирского государственного аграрного университета Р. А. Гуняков;

канд. техн. наук, научный руководитель

ООО Научно-производственной фирмы «Теплофизика» Р. С. Кашапов

 

Вахитов Ю. Р.

В22 Агрегаты наддува двигателей: учебное пособие / Ю. Р. Вахитов; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа: УГАТУ, 2012. – 158 с.

ISBN 978-5-4221-0351-5

 

Рассмотрены вопросы форсирования ДВС путем применения наддува. Приведены схемы наддува ДВС, конструкции агрегатов наддува, схемы течение газов в лопаточных машинах и их расчет, регулирование агрегатов наддува, охлаждение наддувочного воздуха.

Пособие предназначено для студентов специальности 140501 «Двигатели внутреннего сгорания» и направлений подготовки бакалавра и магистра 141100 «Энергетическое машиностроение».

 

 

Ил.: 141. Библиогр.: 12 назв.

 

 

УДК 621.43.052

ББК 39.333

 

ISBN 978-5-4221-0351-5                           © Уфимский государственный

авиационный технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................... 6

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.............................................................. 7

1.1. Форсирование ДВС путем применения наддува........................... 7

1.2. Основные понятия о наддуве ДВС.................................................... 8

1.3. История применения наддува ДВС................................................. 11

Контрольные вопросы................................................................................ 14

2. ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВС........... 15

2.1. Цикл двигателя с механическим наддувом................................ 15

2.2. Циклы двигателей с использованием энергии выхлопных газов 18

2.3. Цикл двигателя с турбонаддувом................................................... 20

2.4. Цикл двигателя с охлаждением наддувочного воздуха........ 22

Контрольные вопросы................................................................................ 23

3. НАГНЕТАТЕЛИ.................................................................................... 24

3.1. Объемные нагнетатели...................................................................... 24

3.2. Волновой обменник давления «Компрекс»................................. 36

Контрольные вопросы................................................................................ 39

4. ЛОПАТОЧНЫЕ КОМПРЕССОРЫ................................................ 40

4.1. Геометрические параметры крылового профиля и решетки профилей 40

4.2. Осевой компрессор.............................................................................. 42

4.3. Центробежный компрессор................................................................ 43

4.4. Течение газа через осевой компрессор.......................................... 45

4.5. Течение газа через центробежный компрессор............................ 47

4.6. Работа вращения колеса.................................................................... 48

4.7. Основные параметры ступени компрессора................................ 49

4.8. Характеристики лопаточного компрессора................................ 51

4.9. Расчет лопаточного компрессора.................................................. 54

Контрольные вопросы................................................................................ 65

5. ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ........................................................................ 67

5.1. Течение газа через турбину................................................................ 69

5.2. Основные параметры турбины......................................................... 72

5.3. Показатели эффективности использования энергии выхлопных газов 76

5.4. Характеристика турбины................................................................... 80

5.5. Гидравлически потери в лопаточных машинах......................... 82

5.6. Расчет турбины..................................................................................... 87

5.7. Особенности расчета импульсной турбины................................. 92

Контрольные вопросы................................................................................ 94

6. ТУРБОКОМПРЕССОРЫ.................................................................. 95

6.1. Общие положения................................................................................ 95

6.2. Конструктивные схемы турбокомпрессоров............................... 95

6.3. Конструктивные особенности и параметры отечественных и зарубежных турбокомпрессоров..................................................................................... 98

6.4. Схемы комбинированных двигателей........................................ 100

Контрольные вопросы.............................................................................. 104

7. СОГЛАСОВАННОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТОВ НАДДУВА И ДВИГАТЕЛЕЙ............................................................................................ 105

7.1. Совмещенные характеристики агрегатов наддува и гидравлические характеристики двигателя..................................................................... 105

7.2. Согласованность работы компрессора и турбины................... 108

7.3. Согласование характеристик турбокомпрессора и поршневой части 112

7.4. Особенности работы системы воздухоснабжения с двухступенчатым наддувом..................................................................................................... 116

Контрольные вопросы.............................................................................. 118

8. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТУРБОКОМПРЕССОРОВ...................... 119

8.1. Влияние скорости вращения коленчатого вала на работу двигателя с газотурбинным наддувом...................................................................... 119

8.2. Влияние нагрузочного режима на работу двигателя с газотурбинным наддувом..................................................................................................... 121

8.3. Целесообразность применения регулируемого наддува....... 121

8.4. Способы регулирования компрессоров и турбин...................... 122

8.5. Регулирование бензиновых двигателей с наддувом.............. 132

Контрольные вопросы.............................................................................. 134

9. ОХЛАЖДЕНИЕ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА........................ 136

9.1. Необходимость охлаждения воздуха......................................... 136

9.2. Способы охлаждения наддувочного воздуха.......................... 138

9.3. Расчет рекуперативного теплообменника................................. 142

9.4. Системы охлаждения и регулирование температуры наддувочного воздуха......................................................................................................... 147

Контрольные вопросы.............................................................................. 149

10. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ НАДДУВА.................................................. 151

10.1.   Одноступенчатые системы наддува.................................... 151

10.2.   Системы двухступенчатого наддува.................................. 152

10.3.   Система наддува «Гипербар»................................................. 155

Контрольные вопросы.............................................................................. 157

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................... 158

 

ВВЕДЕНИЕ

Задача повышения удельных мощностных показателей ДВС была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. То есть, чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Количество подаваемой рабочей смеси можно увеличить за счет применения наддува, то есть повышения давления перед впускными органами.

При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

В современном двигателестроении очень широко используется наддув и выполняется он различными способами, для реализации которых применяют основанные на разных принципах действия нагнетатели и турбокомпрессоры.

В данном пособии приведены теоретические основы использования агрегатов наддува в комбинированных ДВС, схемы наддува, расчет компрессоров и турбин, расчет характеристик комбинированных ДВС, способы регулирования наддува, охладители наддувочного воздуха и их расчет, а также другие вопросы, связанные с агрегатами наддува.

В конце каждой главы приведены контрольные вопросы, на которые необходимо ответить после изучения материала.

Учебное пособие подготовлено в соответствии с программой курса «Агрегаты наддува двигателей» и предназначен для студентов, обучающихся по специальности 140501 «Двигатели внутреннего сгорания» и направлений подготовки бакалавра и магистра 141100 «Энергетическое машиностроение».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Форсирование ДВС путем применения наддува

Эффективная мощность двигателя зависит от ряда параметров и определяется следующей зависимостью:

,

где H_u – низшая теплота сгорания; a – коэффициент избытка воздуха; l ₀ – количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания топлива; t ­­– тактность двигателя (2 или 4); V_h – рабочий объем двигателя; h _v – коэффициент наполнения; h_м – механический КПД; h _i – индикаторный КПД; r_к – плотность воздуха перед впускными органами для двигателя с нагнетателем или плотность воздуха в окружающей среде для двигателя без нагнетателя; n – частота вращения коленчатого вала двигателя.

Анализ формулы показывает, что мощность двигателя можно повысить разными способами, например, увеличить рабочий объем V_h. Однако при этом существенно увеличиваются масса и габариты двигателя.

Другим способом форсирования является увеличение частоты вращения коленчатого вала n, что наблюдается у двигателей, для которых важны габариты и масса. Но значительное увеличение частоты вращения является малоперспективным по следующим причинам. Во-первых, при увеличении n неизбежно повышаются потери на трение в подшипниках и в сопряжении поршней с цилиндрами, растут потери на осуществление насосных ходов и т. п., что ведет к уменьшению механического КПД и снижению экономичности двигателя. Во-вторых, это ведет к уменьшению ресурса двигателя.

Перевод двигателя с четырехтактного на двухтактный цикл позволяет повысить мощность двигателя, но при этом требуется коренное изменение конструкции двигателя, поэтому этот способ не может рассматриваться как способ форсирования.

Возможности повышения коэффициента наполнения h _v за счет улучшения организации газообмена, снижения сопротивлений на впуске и выпуске ограничены. Наиболее существенно повысить коэффициент наполнения можно применением газодинамического наддува, то есть настройкой размеров впускных каналов таким образом, чтобы отраженные от среза трубопровода волны сжатия подходили к впускному клапану в конце его закрытия. Но применение газодинамического наддува ограничено предельной величиной коэффициента наполнения, которая, как известно, составляет

.

Мощность двигателя можно также увеличить за счет повышения механического КПД h_м и индикаторного КПД h _i путем совершенствования внутрицилиндровых процессов, применения высококачественных масел и модификации поверхностей трения.

Наиболее существенно можно повысить мощность двигателя без значительного изменения его габаритов и массы путем увеличения плотности воздуха r_к, то есть массового наполнения цилиндра. Увеличивая массовый заряд цилиндра воздухом, можно пропорционально увеличивать количество топлива, которое сжигается в цилиндре для получения тепловой энергии и последующего ее преобразования в механическую работу. Процесс увеличения подачи воздуха или топливо-воздушной смеси в рабочую камеру поршневого двигателя за счет повышения давления при впуске выше атмосферного называется наддувом. Наддув может быть осуществлен предварительным сжатием воздуха в нагнетателе (повышение r_к) или волнами давления во впускном канале двигателя (повышение h _v). В настоящее время достигнуты уровни наддува с применением нагнетателя, позволяющие поднять плотность воздуха до значений более 4 кг/м³, то есть почти четырехкратно повысить мощность двигателя при небольшом увеличении габаритов и массы.

В данной дисциплине будем рассматривать наддув как способ увеличения плотности воздуха во впускном канале и, соответственно, в рабочей камере двигателя за счет предварительного сжатия воздуха в нагнетателе.

1.2. Основные понятия о наддуве ДВС

Для сжатия воздуха перед подачей его в рабочую камеру используются системы, в которых наддув может быть механическим, газотурбинным и комбинированным.

При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от коленчатого вала или от постореннего источника энергии (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема двигателя с механическим наддувом

В качестве нагнетателя могут использоваться объемные компрессоры (поршневые, роторные) или лопаточные компрессоры.

При газотурбинном наддуве (турбонаддуве) лопаточный компрессор приводится в действие от турбины, которая использует энергию выхлопных газов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема двигателя с газотурбинным наддувом

Агрегат, состоящий из лопаточного компрессора и газовой турбины для его привода, установленных на одном валу, называется турбокомпрессором.

Комбинированный наддув представляет собой комбинацию механического и газотурбинного наддува для двухступенчатого сжатия воздуха.

Двухступенчатый наддув применяется для получения желаемых параметров двигателя, если требуется большое давление наддува. При двухступенчатом наддуве воздух сжимается последовательно в двух нагнетателях.

Применение наддува позволяет добиться следующего.

1. Повысить мощность двигателя при заданных габаритах или уменьшить вес и габариты при той же мощности.

2. Улучшить экономичность за счет роста индикаторного и механического КПД.

3. Расширить возможности получения желаемой характеристики крутящего момента двигателя по частоте вращения.

4. Улучшить экологические показатели двигателя.

5. Уменьшить падение мощности при снижении плотности окружающего воздуха.

Наддув вызывает и проблемы, которые необходимо решать, а именно:

– увеличение механической и тепловой напряженности двигателя;

– в ДВС с принудительным зажиганием применение наддува требует использования топлива с более высоким октановым числом;

– повышение температуры и температурных градиентов приводит к увеличению напряжений в деталях двигателя и ухудшению условий смазки;

– при определенных условиях менее благоприятное протекание кривой крутящего момента и худшая приемистость.

Таким образом, рост механической и тепловой напряженности двигателей является основной причиной, ограничивающей увеличение давления заряда, поступающего в цилиндры.

Для уменьшения механической напряженности двигателя используют следующее:

– понижение степени сжатия;

– уменьшение угла опережения впрыска топлива;

– выбор соответствующих характеристик впрыска топлива и способа смесеобразования;

– охлаждение воздуха после компрессора.

В последнем случае уменьшается начальная температура цикла, а следовательно, и средняя температура за цикл, что приводит к понижению температуры деталей. Кроме того, уменьшение температуры воздуха и деталей двигателя обусловливает увеличение массового наполнения цилиндра и мощности двигателя. Снижение температуры воздуха на каждые 10° увеличивает мощность на 2-4 %. Промежуточное охлаждение воздуха применяют также при двухступенчатом наддуве.

Наддув применяется для форсирования 2- и 4-тактных двигателей, причем как дизелей, так и бензиновых.

Величину повышения мощности двигателя при наддуве оценивают степенью наддува

,

где р_{е н} и N_{е н} – среднее эффективное давление и эффективная мощность двигателя с наддувом; р_е и N_е – среднее эффективное давление и эффективная мощность того же двигателя без наддува.

1.3. История применения наддува ДВС

Идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя была предложена в 1885 г. Немецкий инженер Готлиб Даймлер запатентовал простейшую систему наддува на основе компрессора Roots. В этом же году он применил наддув для повышения частоты вращения вала двигателя, но из-за технических трудностей прекратил заниматься наддувом. Серийный автомобиль Daimler- Benz с двигателем, оснащенным механическим нагнетателем Roots выпущен в
1900 г., а в 1951 г. двигатель Alfa Romeo объемом 1,5 л с двумя компрессорами Roots имел мощность 425 л. с. Разработан компрессор братьями Рутс еще в 1859 г. как водяной насос. Примечательно, что и современные двигатели оснащают этими компрессорами.

 В 1896 г. немецкий инженер Рудольф Дизель запатентовал компрессор для наддува ДВС и на опытном образце двигателя проверил эффективность наддува. Дизель рассчитывал в первую очередь на улучшение экономичности. Но двигатель, имея заметное повышение мощности, показал ухудшение КПД, что стало для Дизеля загадкой. После завершения своих испытаний (в январе 1897 г.) он написал следующее: "… предварительная компрессия чрезвычайно вредна, и поэтому с этого момента следует отказаться от этой идеи. И поэтому следует остановиться на обычном четырехтактном двигателе с непосредственным впуском воздуха из атмосферы в том виде, в каком он на сегодня имеется".

Аналогичные результаты имели и другие изобретатели. Практически до начала Первой мировой войны развитие наддува шло очень осторожно. Это происходило из-за того, что инженеры слабо представляли себе, как должен осуществляться наддув и какая его конструктивная схема является наилучшей. В результате возникло огромное разнообразие устройств, применяемых для предварительного сжатия воздуха на входе в ДВС и схем организации наддува.

В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Было выпущено некоторое количество автомобилей, затем работы были свернуты. В 1906 г. в США центробежный компрессор появился на двигателях гоночных автомобилей.

В 1905 г. швейцарский инженер Альфред Бюши впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 40%. В 1911 г. он запатентовал принцип действия турбонагнетателя, работающего от энергии выхлопных газов. Он имел многоступенчатый осевой компрессор со степенью сжатия около четырех, который приводился в движение многоступенчатой осевой турбиной, использовавшей в качестве рабочего тела выхлопные газы поршневого двигателя. Это изобретение заложило основы турбонаддува. Но технологии того времени не позволили внедрить подобное устройство, и наддув в то время оставался механическим. В дальнейшем Бюши получил еще несколько патентов в этой области. В частности, изобретатель для улучшения коэффициента полезного действия предусмотрел охладитель наддувочного воздуха, наличие которого у турбодвигателей сегодня стало уже стандартом.

Следующий шаг был сделан в области авиационных двигателей. Как известно, с увеличением высоты плотность воздуха падает, из-за чего на высоте 5 км потери мощности двигателя составляют 50%. Первый авиационный двигатель с механическим наддувом создан в 1910 г. До высоты 5200 м он сохранял параметры наполнения, соответствующие уровню моря.

Газотурбинный наддув авиационных двигателей начали испытывать в 1917 г., однако технические трудности не позволили применять его на практике. Это осуществилось в 1939 г. на двухтактном авиационном двигателе. И сегодня наддув в авиационных двигателях широко применяется.

Широкое применение наддува в авиационных двигателях обусловлено следующими факторами:

– понижающаяся с высотой плотность воздуха;

– понижающаяся с высотой температура воздуха (термические нагрузки не возрастают, вероятность детонации ниже);

– зависимость детонации от степени наддува и частоты вращения вала двигателя. Авиационный двигатель работает по винтовой характеристике и требует увеличения степени наддува с ростом частоты вращения вала (то есть детонация не проявляется);

– возможность использования более дорогих высооктановых топлив.

В те времена авиационные и автомобильные двигатели производили одни фирмы, поэтому наддув стали применять и для автомобильных двигателей (Fiat, Mercedes, Renault).

В 20-е гг. двигатели с механическим наддувом завоевали сектор автогонок, и наддув долго использовался в автоспорте, так как экономичность была не важна, главное – мощность.

Турбонаддув впервые был внедрен на немецком флоте в 1926 г. на дизельных двигателях, затем в 1935 г. на двигателях железнодорожных локомотивов и в 1938 г. – на грузовых автомобилях. В авиации двигатели с турбокомпрессорами начали применять в начале
40-х гг. на американских бомбардировщиках и истребителях.

В секторе легковых автомобилей работы по турбонаддуву велись в США фирмой General Motors. Первый автомобиль был выпущен в 1961 г., когда технология позволила изготавливать турбины из материалов с высокой жаропрочностью. Максимальные показатели двигателя выросли, но ухудшилась кривая крутящего момента и характеристика разгона.

В 70-х гг. турбонаддув стали применять на легковых автомобилях в Германии, сначала в гоночных, а затем в серийных. В 1973 г. на выставке во Франктфурте были представлены автомобили с турбонаддувом BMW и Porsche 911 Turbo.

В 1967 г. фирма Brown Boveri стала выпускать совершенно новый агрегат наддува – обменник давления «Компрекс» для дизелей мощностью 70-320 кВт. В 70-х гг. «Компрекс» стали применять и на бензиновых двигателях автомобиля Opel Senator. Позднее «Компрексом» стала заниматься фирма Mazda и в 1987 г. выпустила автомобиль Mazda -626 с дизельным двигателем.

Однако в 80-е гг. разработки турбокомпрессоров вышли на такой высокий уровень, что обменник давления отодвинулся на второй план, и фирма Mazda в 1996 г. прекратила выпуск автомобилей с обменником «Компрекс».

Интересно, что с 1947 г., когда появились гонки Фомула-1, регламент предусматривал использование двигателей рабочим объемом 1,5 л с компрессором или 4,5 л без компрессора. Но в то время наддувные двигатели конкурировать с безнаддувными не могли. Но в
70-е гг. с появлением турбокомпрессоров ситуация изменилась. Если атмосферный двигатель Ford рабочим объемом 3 л имел мощность 500 л. с., то двигатель Honda с наддувом объемом 1,5 л –
1200 л. с. В 1987 г. ограничили давление наддува, а в 1989 г. наддув был запрещен. С 2006 г. максимальный объем ограничен 2,4 л (мощность достигает 750-770 л. с.). С 2014 г. планируется снова разрешить наддув, ограничив объем двигателя до 1,6 л и подняв максимальную частоту вращения вала двигателя до 15 000 об/мин (сейчас 12 000 об/мин).

В сфере дизелей для легковых автомобилей турбонаддув в
1978 г. использовала фирма Mercedes, а затем Peugeot и Citroen.

В СССР первые серийные дизели с наддувом ЯМЗ-238НБ были выпущены в 1963 г. на Ярославском моторном заводе для тракторов К-700. Вскоре стали выпускаться 12-цилиндровые дизели с наддувом для автомобилей МАЗ и КрАЗ. В настоящее время за малым исключением не существует автомобильных дизелей без турбонаддува, а в некоторых странах дизели без наддува запрещены.

Наддув ДВС широко применяется в судовых и локомотивных силовых установках, двигателях легковых и грузовых автомобилей, специальной дорожной и сельскохозяйственной технике, военной технике, энергетических установках. У ряда фирм доля двигателей с наддувом в объеме производства достигает 50…100%.

Контрольные вопросы

1. Что такое наддув двигателя?

2. За счет изменения какого параметра мощность двигателя увеличивается при газодинамическом наддуве?

3. За счет изменения какого параметра мощность двигателя увеличивается при газотурбинном наддуве?

4. В чем различие механического и газотурбинного наддува?

5. Каковы цели применения наддува двигателей?

6. Перечислите способы наддува двигателей.

7. Что такое степень наддува?

8. Чем обусловлено широкое применение наддува в авиационных двигателях?

НАГНЕТАТЕЛИ

Основной машиной для создания наддува ДВС является компрессор (или нагнетатель). Компрессор – это машина, которая обеспечивает подачу в двигатель определенного количества воздуха, причем повышенного давления, необходимого для наддува двигателя.

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

– объемные нагнетатели (компрессоры);

– лопаточные компрессоры (центробежные и осевые);

– волновые обменники давления.

Объемные нагнетатели

Объемным нагнетателем называют компрессор, в котором рабочий процесс осуществляется в результате циклического изменения объемов рабочих камер. При этом рабочие камеры периодически изолируются от внешней среды и нагнетательного трубопровода. Существует большое разнообразие типов объемных нагнетателей. Рассмотрим несколько типов компрессоров.

Поршневой компрессор

Поршневой компрессор широко известен в различных отраслях производства как машина, создающая высокое давление воздуха. 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 объемами.

На рис. 3.1 показана принципиальная схема поршневого компрессора.

Рис. 3.1. Схема поршневого компрессора

В корпусе компрессора размещается поршень, имеющий связь с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Привод поршневого компрессора чаще всего осуществляется от коленчатого вала двигателя. В головке компрессора размещены впускной и выпускной клапаны. Обычно они являются автоматическими, то есть открываются и закрываются благодаря перепаду давления на них, но могут и иметь привод, аналогичный приводу клапанов в ДВС. Работает компрессор следующим образом.

Когда поршень идет вниз, в его камере давление понижается ниже атмосферного, и в результате перепада давления открывается впускной клапан, через который воздух всасывается в камеру. Затем, когда поршень проходит нижнюю мертвую точку, соответствующую наибольшему объему камеры, давление воздуха начинает возрастать и впускной клапан закрывается. По мере сокращения объема камеры сжатия давление воздуха увеличивается. Когда давление в камере достигает заданных параметров, открывается выпускной клапан, и сжатый воздух подается потребителю, например, двигателю. Таким образом, на каждые два такта работы компрессора или один поворот его вала происходит всасывание воздуха и его нагнетание.

На рис. 3.2 приведена p - V -диаграмма поршневого компрессора при разных давлениях (р ₂₁ и р ₂₂) на выходе.

Рис. 3.2. Идеальная p - V -диаграмма поршневого компрессора:

р ₁ – давление воздуха на входе в компрессор; р ₂₁ и р ₂₂ – давления на выходе из компрессора; V _в – вредный объем; V _н1 и V _н2 – объемы наполнения; V _h – рабочий объем компрессора

На диаграмме видно влияние вредного объема V _в и давления на выходе р ₂ на объем наполнения V _н компрессора. Вследствие расширения заключенного во вредном пространстве воздуха в период наполнения цилиндра объем наполнения и расход воздуха уменьшаются тем сильнее, чем больше вредное пространство и чем выше давление на выходе р ₂. Зависимость давления воздуха на выходе из компрессора от объемного расхода воздуха при постоянных частотах вращения вала показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость давления на выходе из компрессора от объемного расхода воздуха

Одним из важных параметров нагнетателя является степень повышения давления, которая представляет собой отношение давления воздуха на выходе из нагнетателя к давлению на входе в него. Кроме того, для любого компрессора необходимо знать характеристику, которая определяется как зависимость изменения степени повышения давления и КПД при изменении расхода воздуха и частоты вращения вала.

На рис. 3.4 показана универсальная характеристика поршневого компрессора.

Рис. 3.4. Универсальная характеристика поршневого компрессора

Анализ характеристики показывает, что достаточно высокий КПД у такого компрессора достигается лишь при высокой степени повышения давления и при сравнительно низких частотах вращения вала.

Достоинства поршневого компрессора заключаются в следующем.

1. Высокий КПД.

2. Высокая степень повышения давления (10 и более).

3. Высокая надежность.

Однако недостатки поршневого компрессора ограничивают его применение. К недостаткам можно отнести следующее.

1. Характеристика компрессора не очень хорошо согласуется с потребными характеристиками дизеля в широком диапазоне изменения режимов работы.

2. Сложность и громоздкость конструкции.

3. Неуравновешенность.

4. Загрязнение подаваемого воздуха маслом.

5. Пульсации давления.

6. Существенный нагрев компрессора, что снижает его производительность.

Поршневые компрессоры часто используются для наддува крупных судовых двухтактных дизелей, так как их КПД высок на низких частотах вращения вала двигателя.

Винтовой компрессор

Винтовой компрессор или компрессор Lysholm был запатентован в 1936 г. шведским инженером Альфом Лисхольмом.

Компрессор имеет два винтовых ротора, причем ведущий ротор с выпуклой нарезкой соединен непосредственно или через зубчатую передачу с двигателем, а на ведомом роторе нарезка выполнена с вогнутыми впадинами (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схема роторов винтового компрессора

В отличие от роторно-шестеренчатого винтовой компрессор имеет проточную часть с диагональным движением воздуха и характеризуются внутренним сжатием, что обусловлено изменением объема между вращающимися винтовыми роторами. Внешний вид винтового компрессора показан на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Винтовой компрессор

Компрессор имеет высокую степень повышения давления (до 7) при достаточно высоком КПД (» 80%) и высокую частоту вращения роторов (до 25 000 об/мин), что делает их более компактными и позволяет в качестве привода использовать газовую турбину.

Характеристика винтового компрессора показана на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Универсальная характеристика винтового компрессора

Главным недостатком компрессора является очень высокая цена, делающая этот агрегат труднодоступным.

Спиральный нагнетатель

Еще одна не совсем обычная конструкция объемного нагнетателя – это спиральный, или G -образный (по форме буквы G, напоминающей спираль) нагнетатель. Идея запатентована еще в начале прошлого столетия, но из-за технических и производственных проблем на выпуск такого нагнетателя долго никто не решался. Первой, в
1985 г. была фирма Volkswagen, которая применила его на двигателе автомобиля Polo (1,3 л, 113 л. с.). В 1988 г. появился более мощный нагнетатель G 60, которым в течение нескольких лет комплектовались двигатели автомобилей Corrado и Passat (1,8 л, 160 л. с.), а Polo G 40 выпускался вплоть до 1994 г.

Схематично конструкцию G -образного нагнетателя (рис. 3.13) можно представить в виде двух спиралей, одна из которых неподвижна и является частью корпуса. Вторая – вытеснитель – расположена между витками первой и закреплена на валу с эксцентриситетом в несколько миллиметров. Вал приводится от двигателя ременной передачей с передаточным отношением около 1:2.

Рис. 3.13. Конструкция спирального нагнетателя:

1 – вытеснитель; 2 – корпус; 3 – приводная шестерня

Принцип действия нагнетателя поясняется на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Принцип действия спирального нагнетателя:

1 – корпус (неподвижные спирали); 2 – вытеснитель (подвижная спираль);
3 – воздушная полость

При вращении вала внутренняя спираль совершает колебательные движения, и между неподвижной (корпус) и обегающей (вытеснитель) спиралями образуются серпообразные полости, которые движутся к центру, перемещая воздух от периферии и подавая его в двигатель под небольшим давлением. Количество перемещаемого воздуха зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Система имеет сравнительно высокий (около 65%) КПД. Трущихся частей почти нет, поэтому износ деталей незначителен. Установленный на двигателе Polo нагнетатель G 40 (40 и 60 в маркировке нагнетателей Volkswagen – это ширина спиральных камер в миллиметрах) имеет максимальное давление наддува 0,17 МПа. При номинальной частоте вращения ротора 10 200 об/мин за один оборот подается 566 см³ воздуха, то есть почти 6 000 л/мин.

ЛОПАТОЧНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Устройство для преобразования энергии движущейся жидкости или газа в энергию вращающегося вала (например, турбина) или наоборот (например, компрессор) называется лопаточной машиной.

Лопаточный компрессор является разновидностью лопаточной машины, в котором увеличение полного давления газа осуществляется путем динамического воздействия на непрерывный поток вращающимися решетками лопаток, то есть за счет преобразования механической работы компрессора в кинетическую энергию рабочего тела с последующим преобразованием ее в потенциальную энергию.

По направлению движения рабочего тела относительно оси вращения лопаточные компрессоры бывают центробежного и осевого типов. Лопаточные компрессоры получили наибольшее распространение для наддува ДВС. Их характерной особенностью является работа при высоких окружных скоростях (на периферии колеса 200-450 м/с) и высокая производительность при относительно малых габаритах. Предварительно рассмотрим параметры крылового профиля и решетки профилей, которые необходимы для рассмотрения течения газа в лопаточных компрессорах и других лопаточных машинах.

Осевой компрессор

Схема осевого компрессора показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема двухступенчатого осевого компрессора:

1– входное устройство; 2 – статор; 3 – лопатки статора; 4 – ротор; 5 – лопатки ротора;
6 – воздухосборник; 7 – вал

Осевой компрессор состоит из чередующихся подвижных лопаточных решеток ротора, состоящих из лопаток 5, закрепленных на роторе 4 и именуемых рабочими колесами, и неподвижных лопаточных решеток статора, состоящих из лопаток 3, закрепленных на статоре 2 и именуемых направляющими аппаратами. Совокупность, состоящая из одного рабочего колеса и одного направляющего аппарата компрессора, называется ступенью компрессора.

При вращении рабочего колеса повышается скорость потока, при этом на входе создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха во входное устройство 1. При этом воздух условно движется вдоль оси вращения ротора. Энергия, сообщаемая лопатками колеса 5 воздуху, затрачивается на увеличение скорости в абсолютном движении и на повышение давления. Благодаря тому, что межлопаточные каналы в направляющем аппарате выполнены расширяющи