Винтовая характеристика поршневого двигателя

В 20-м веке был изобретен винтовой компрессор, и с тех пор потребитель задает себе вопрос: какой компрессор лучше: старый добрый поршневой или новый винтовой. Как выбрать себе компрессор, подходящий под ваши потребности?

При выборе компрессора ориентируйтесь на следующие факторы:

• Тип подключаемого пневматического оборудования
• Периодичность и интенсивность испольования
• Цена компрессора и стоимость его сервисного обслуживания
• Расход энергопотребления
• Цена на расходные материалы
• Цена дополнительного оборудования (фильтров, осушителей, охладителей и масловлагоотделителей)

Что такое поршень двигателя, и принцип работы

Большинство автолюбителей знают, как работает двигатель внутреннего сгорания. Химическая энергия, содержащаяся в топливе, питающем двигатель (дизельное топливо, бензин и т. д.), преобразуется в механическую и тепловую энергию в процессе сгорания. При этом в камере сгорания образуются газы высокой температуры и давления, которые воздействуют на головку поршня. Они заставляют его перемещаться к нижней мертвой точке (рабочий ход).

В четырехтактных двигателях описанный процесс происходит поочередно. В результате поршневая пара 1—3 находится в нижней мертвой точке, а поршневая пара 2—4 — в верхней мертвой точке (она воспламеняется, сжигает топливно-воздушную смесь и толкает ее к нижней мертвой точке).

Где применяются винтовые насосы

Благодаря износостойкости и надёжности винтовые насосы пользуются большой популярностью в различных областях:

• Обработка достаточно вязких жидкостей (нефтяные продукты, дизель, масла, полимеры, смолы, растворимые жиры);
• Откачка жидкостей из промышленных скважин и обрабатываемых пластов;
• Транспортировка и дозирование веществ на производстве;
• Подача теплового носителя в отопительных системах;
• Перемещение материалов в пределах строительных площадок;
• Транспортировка отходов производства;
• Подача скважинной воды для полива.

Чтобы задать вопрос или сделать заявку,
нажмите на кнопку ниже:

В основном работа двигателя внутреннего сгорания характеризуется тремя показателями: мощностью, крутящим моментом и числом оборотов коленчатого вала. Мощность обозначается лошадиными силами (л.с.), иногда выражается в киловаттах (кВт). Влияет она на общую динамику автомобиля, на его скорость и время разгона. Крутящий момент влияет на создание тягового усилия, обозначается ньютонометрами (нм), обеспечивает мягкость работы двигателя при переключении передач и обеспечивает ускорение автомобиля с низких оборотов. Показатель максимального числа оборотов коленчатого вала влияет на скоростной и динамический характер движения автомобиля.

Не менее важными являются такие характеристики мотора внутреннего сгорания:

• тип применяемого топлива для двигателя внутреннего сгорания может быть бензин, газ или дизельное топливо. Марки топлива различаются октановым числом, оно должно соответствовать типу двигателя и его характеристикам. Использование несоответствующего топлива приводит к потере мощности и к снижению ресурса работоспособности двигателя;
• расход топлива двигателя внутреннего сгорания разделяется на городской, загородный и смешанный. Обозначается количеством литров на сто километров пробега автомобиля;
• расход моторного масла. Измеряется в литрах на тысячу километров пробега. Масла бывают синтетическими, полусинтетическими и минеральными, отличаются они густотой и вязкостью. Применение их регламентировано изменениями сезонных температур, зимой применяются масла с низкими обозначениями 0W40, 5W40, 10W40, а летом 15W40, 20W40. Трансмиссионные масла 70W90 или 95W100 использовать в двигатель нельзя, так как это приведет к его заклиниванию;
• ресурсная прочность – этот параметр определяет периодичность проведения технического обслуживания. Обычно работы по техническому обслуживанию двигателя проводятся в период между 5000 и 30000 километров пробега. Имеется гарантийный и послегарантийный периоды технического обслуживания.
• Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд разнообразных особенностей конструктивного характера:
• топливная система – может быть бензиновая и дизельная. Бензиновые двигатели при большем числе оборотов колен вала развивают большую мощность, а дизельные имеют большой крутящий момент и отличаются устойчивой работой;
• на современных двигателях внутреннего сгорания применяется электронная система впрыска бензина (инжекторная), она показывает лучшие технико-экономические показатели, чем карбюраторная система. Из-за плохого смешивания бензовоздушной смеси карбюраторная система имеет низкий КПД, труднорегулируемая механическая регулировка приводят к перерасходу топлива;
• система бензинового впрыска может быть одноточечного и многоточечного типа. Недостатком одноточечной системы есть то, что при резком уменьшении нагрузки происходит увеличение расхода топлива. Многоточечный тип имеет прямую и распределенную систему внутреннего впрыска. При этом создается равномернораспределенная смесь, что делает работу двигателя устойчивой на всех режимах. Но при прямом впрыске, хоть и наблюдается повышение мощности, ресурсной прочности и снижение расхода топлива значительно повышается стоимость, так как необходимо высококачественное топливо и наблюдаются провалы на малых оборотах в начале движения.

Эти недостатки исключаются применением комбинированного (двойного) впрыска. Системы используются одновременно, а электроника включает их по очереди, в зависимости от изменения нагрузочных и скоростных режимов.

Работа поршневого компрессора

Принцип работы поршневого компрессора похож на действие поршневого насоса. Отличием является то, что поршень насоса выталкивает жидкость в течение всего нагнетательного хода, а компрессор поршневой выталкивает воздух или газ лишь после того, как давление в цилиндре превысит давление в нагнетательной линии.

Принцип действия поршневого компрессора основан на совместной работе:
цилиндра;
поршня;
клапана нагнетания;
клапана всасывания;
шатуна;
коленчатого вала.

Всё начинается с того, что привод поршневого компрессора приводит в движение коленчатый вал. Работа поршневого компрессора состоит в подаче сжатого воздуха или газа под избыточным давлением и происходит это следующим образом.

При движении поршня вправо из крайнего левого положения всасывающий клапан k1 открыт и воздух всасывается в цилиндр. Давление на протяжении всего хода всасывания постоянно и равно атмосферному.

При ходе поршня из крайнего правого положения влево всасывающий клапан k1 закрывается и газ, замкнутый в левой полости цилиндра сжимается.

При достижении давления p2, равного давлению газа в нагнетательном сборнике, открывается нагнетательный клапан m1, и газ будет выталкиваться из цилиндра при постоянном давлении p2.

По окончании нагнетания, если принять полное опорожнение цилиндра от газа, начнется снова всасывание. При этом должно произойти мгновенное падение давления.

В зависимости от конструкции поршневые компрессоры бывают: простого и двойного действия.

Устройство поршневого компрессора

В устройство поршневого компрессора входят рабочий цилиндра и поршень, а также всасывающий и нагнетательный клапаны, расположенные обычно в крышке цилиндра.

Для сообщения поршню возвратно-поступательного движения в большинстве поршневых компрессорах имеется кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом. Компрессоры промышленные поршневые бывают одно и многоцилиндровые, с вертикальным, горизонтальным, V или W — образным и другим расположением цилиндров.

В зависимости от назначения различается конструкция поршневого компрессора одинарного действия (когда поршень имеет одну рабочую сторону) и двойного действия (когда поршень работает обеими сторонами).

По степени сжатия газа бывают модели одноступенчатого или многоступенчатого сжатия.

Схема работы поршневого компрессора заключается в следующем. При вращении коленчатого вала 1 соединённый с ним шатун 2 сообщает поршню 3 возвратные движения.

При этом в рабочем цилиндре 4 из-за, увеличения объёма, заключённого между днищем поршня и крышкой цилиндра 5, возникает разрежение и атмосферный воздух, преодолев своим давлением сопротивление пружины, удерживающей всасывающий клапан 9, открывает его и через воздухозаборник (с фильтром) 8 поступает в рабочий цилиндр поршневого компрессора.

При обратном ходе поршня воздух будет сжиматься, а затем, когда его давление станет больше давления в нагнетательном патрубке на величину, способную преодолеть сопротивление пружины, прижимающей к седлу нагнетательный клапан 7, воздух открывает последний и поступает в трубопровод 6. При сжатии газа в компрессоре его температура значительно повышается.

По расположению цилиндров подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с наклонными цилиндрами.

По способу охлаждения – с воздушным и водяным охлаждением.

По числу ступеней сжатия компрессор бывает 2, 4 и 6 поршневой. При такой конструкции все цилиндры имеют одинаковый размер и процессы всасывания и сжатия воздуха происходят в каждом из цилиндров по очереди. Каждый элемент работает в противофазе.

Двухступенчатый поршневой компрессор напротив оборудуется цилиндрами разных размеров. Первая ступень сживает воздух, затем он попадает в межступенчатый охладитель, в качестве которого выступает медная трубка.

В такой трубке сжатый воздух охлаждается и сжимается ещё больше. Потом он попадает на вторую ступень и сжимается ещё больше. Достоинством такого типа установки является большой показатель КПД при меньшем расходе энергии.

Характеристика поршневого компрессора.

В зависимости от способа монтажа, который предусматривает конкретная модель обращают внимание на следующие характеристики компрессора.

Давление нагнетания – избыточное давление, которое способен обеспечить компрессор. В зависимости от модели этот параметр может достигать значения более 300 кгс/см 2

Производительность поршневых компрессоров – количество всасываемого и сжимаемого газа или воздуха. Этот параметр зависит от диаметра поршня, длины хода поршня и скорости вращения вала.

Качество рабочего воздуха – такой показатель очень важен для оборудования используемого в промышленной отрасли, там где часто перекачиваемый воздух содержит примеси масла или других жидких сред.

Мощность поршневого компрессора относится в приводу конкретной модели и измеряется в килоВаттах. Отдельно такая характеристика считается редко, поскольку в подавляющем большинстве случаев покупателям интересна только производительность.

Шум является очень важной характеристикой, поскольку оборудование этого типа считается очень шумным. Этот параметр указывается в дБ. Для уменьшения показателя шума поршневой компрессор может оборудоваться специальным защитным кожухом.

Характеристика показывает, где будут использоваться поршневые компрессоры. В зависимости от конкретных показателей это могут быть:
на компрессорных установках для сжатия воздуха – оборудования низкого давления
поршневая компрессорная установка для сжижения газа, его разделения и транспортирования – модели среднего давления
на установках для синтеза газов – оборудование высокого давления.

В поршневых компрессорах обычно предусматривается автоматическое регулирование производительности в зависимости от расхода сжатого газа для обеспечения постоянного давления в нагнетательном трубопроводе. Существует несколько способов регулирования.

Регулирование подачи поршневого компрессора.

Наиболее простым и удобным способом регулировать поршневой компрессор по подаче, который сразу приходит на ум является изменение частоты вращения привода вала. Однако при более глубоком анализе выясняется, что такой способ применим только в том случает, если привод поршневого компрессора осуществляется от двигателя внутреннего сгорания.

При электроприводе, как одном из наиболее распространенных в настоящее время способе привода компрессоров, регулирование изменение частоты вращения оказывается неприемлемым как с конструктивных, так и с энергетических соображений.

Если приводной двигатель работает с постоянной частотой вращения, то регулирование подачи компрессора может быть осуществлено следующими способами.

1. Регулирование за счет полного или частичного принудительного открытия всасывающих клапанов. Это приводит к полному или частичному переводу поршневого компрессора на холостой ход. При полном открытии всасывающих клапанов сжатие газа в цилиндре не происходит и засасываемый газ снова выталкивается во всасывающую трубу. Если всасывающие клапаны закрываются не полностью или только на части хода поршня, то, подача газа уменьшается. В практике предпочтительнее, как из конструктивных, так и энергетических условий, применять полное открытие всасывающих клапанов на части хода поршня.

2. Регулирование за счет перепуска газа из нагнетательного трубопровода во всасывающий. Такой перепуск может быть свободным или дроссельным. При дроссельном способе регулирования происходит более плавное изменение подачи компрессора, но без уменьшения потребляемой мощности. Поэтому в практике чаще применяется более простой и более экономичный способ – свободный перепуск с помощью байпасного вентиля.

3. Регулирование за счет установки дросселя во всасывающем трубопроводе. Установка дросселя на всасывающем трубопроводе вызывает падение давления при всасывании компрессора. Значит, при неизменном давлении нагнетания степень сжатия будет увеличиваться, а объемный КПД уменьшаться. Следовательно будет уменьшаться и подача компрессора.

4. Регулирование за счет подключения дополнительного пространства. Если крышки компрессора сделать пустотелыми и разделить полости на несколько ячеек, подключаемых к вредному пространству, или каким-либо другим способом подключить к вредному пространству некоторый регулируемый объем, то общий объем вредного пространства будет переменным. В этом случае регулирование объема вредного пространства будет заключаться в подключении или отключении части или всего дополнительного вредного пространства.

Каждый из описанных выше способов регулирования подачи компрессоров разработан и может использоваться как в ручном варианте так и автоматическим способом, с помощью различных устройств. В наше время автоматические способы регулирования показывают достаточную надежность, поэтому ручное регулирование подачи компрессоров все больше уступает место автоматическому.

Типы поршневых компрессоров

По конструктивным особенностям и принципу действия встречаются различные типы поршневых компрессоров. Большим спросом пользуются центробежные модели. Применяются также ротационные компрессоры, которые конструктивно и по способу привода сходны с центробежными машинами, однако по принципу действия (вытеснение) они относятся к поршневым машинам.

Если оборудование установлено на шасси то такая модель считается мобильной, если нет, то это стационарные поршневые компрессоры.

Масляный поршневой компрессор

К масляным поршневым компрессорам относится оборудование, в котором применяется смазка при работе цилиндров. К этому типу оборудования относятся воздушные, винтовые, судовые и др.

Принцип работы такого оборудования довольно прост. Цикл работы заключается в движении поршня. Одним движением поршень уходит из цилиндра и газ поступает в освободившийся объем, при возвращении поршня – газ сжимается, при этом сила давления растет. Пока совершается этот процесс всасывающий клапан закрывается и в работу включается клапан нагнетания, который выталкивает газ в магистраль.

Безмасляный поршневой компрессор

Безмасляные поршневые компрессоры используются тогда, когда необходима подача чистого воздуха или газа без риска попадания в них примесей смазочного материала.

Оборудования такого типа не требует масло для поршневых компрессоров, но это не значит, что оно работает без смазки. Конструктивно выполнено так, что масло не пересекается с воздушными потоками.

Первоначально это достигалось тем, что в корпусе компрессора делали специальные лабиринтные уплотнения. Такая конструкция не нашла широкого применения и в настоящее время безмасляные поршневые компрессоры комплектуются кольцами, выполненными из специальных композитных материалов.

Несмотря на особенности конструкции оборудование этого типа способно работать без ремонта более продолжительные периоды, чем компрессоры с использованием смазки цилиндров.

Типы, конструкция и характеристики коленчатых валов

В настоящее время на двигателях и в иных поршневых машинах используется два типа коленчатых валов:

• Цельные (неразборные);
• Составные (сборно-разборные).

Детали первого типа изготавливаются из одной металлической заготовки, все детали формируются на валу в процессе тех или иных операций механической обработки. Составные валы изготавливаются из нескольких деталей, которые в случае необходимости можно снять и заменить.

Любой вал, независимо от типа, назначения и особенностей, имеет принципиально одинаковое устройство. В общем случае вал разделен на несколько деталей:

• Коренные шейки — части вала, составляющие его продольную ось, коренными шейками вал опирается на блок двигателя. Монтаж вала в блок осуществляется через расположенные на коренных шейках вкладыши (подшипники скольжения);
• Шатунные шейки — детали, выступающие в качестве опор для установки шатунов. Монтаж шатунов на вал осуществляется через расположенные на шатунных шейках вкладыши;
• Щеки — поперечные детали, связывающие коренные шейки с шатунными. От длины щек зависит ход поршня в цилиндре и, соответственно, развиваемый двигателем крутящий момент;
• Противовесы (не во всех валах) — продолжение щек с их обратной стороны. Это грузы, уравновешивающие силы инерции, которые возникают при движении шатунных шеек и шатунов. Противовесы снижают дисбаланс вала, обеспечивая устранение биений и разгрузку деталей КШМ;
• Носок (передняя выходная часть вала) — деталь, выходящая за пределы блока двигателя со стороны первого цилиндра, предназначенная для монтажа шестерни или зубчатого колеса привода ГРМ, а также шестерни или шкива привода навесных агрегатов двигателя;
• Хвостовик (задняя выходная часть вала) — деталь, выходящая за пределы блока силового агрегата со стороны последнего цилиндра (а точнее — со стороны передачи крутящего момента на агрегаты трансмиссии), обычно она выполнена в виде фланца для монтажа маховика, здесь же может располагаться шестерня привода ГРМ.

Основу вала составляют коренные шейки, а щеки вместе с шатунными шейками образуют так называемые колена — их количество соответствует числу используемых в двигателе поршней/цилиндров. Переход шеек на щеки выполняется с радиусом, что обеспечивает высокую прочность этих частей, которые в процессе работы подвергаются наибольшим нагрузкам. В шейках выполняются косые или прямые каналы для подачи смазочного материала, выходы каналов располагаются в центральных частях коренных и шатунных шеек. Выход масла из шеек обеспечивает смазку расположенных на них вкладышей (подшипников скольжения). Сверления могут закрываться пробками, образующиеся полости обеспечивают дополнительную очистку масла — механические загрязнения оседают на внутренних стенках сверлений и пробок под действием возникающих при вращении вала центробежных сил. Также на валу выполняются посадочные места под монтаж зубчатых колес и/или шкивов — обычно выбираются пазы под шпонки, иногда выполняются шлицы. В торцах носка и фланца на хвостовике вала выполняются отверстия с резьбой для вворачивания болтов. Наконец, на некоторых валах нарезаются несъемные шестерни для привода агрегатов.

Составные валы имеют чуть более сложную конструкцию. Их основу составляют щеки, объединенные с противовесами (зачастую это просто круглые стальные детали), в центральную часть которых запрессовываются коренные шейки, а в периферийные — шатунные. Вал в сборе обычно устанавливается в картер двигателя на подшипниках качения. Сборно-разборные валы наиболее часто применяются на малоцилиндровых (не более двух цилиндров) и малообъемных силовых агрегатах мототехники.

Коленчатые валы производятся из различных марок углеродистых и легированных сталей, а также из чугуна повышенной прочности. Цельные детали изготавливаются ковкой (объемной штамповкой) из литых заготовок с помощью штампов на специальных прессах, одна заготовка проходит несколько операций штамповки, а затем начистую обрабатывается на токарных, фрезерных и других металлорежущих станках. Поверхность шатунных и коренных шеек может подвергаться цементации или закалке для повышения их прочности и износостойкости. Составные валы изготавливаются из точеных или штампованных заготовок, которые собираются в единую конструкцию.

Коленчатый вал устанавливается в блоке силового агрегата на посадочные поверхности или съемную постель через коренные подшипники, его фиксация осуществляется устанавливаемыми сверху крышками коренных подшипников (в народе — бугелями). Смещения вала в осевом направлении предотвращаются упорными кольцами, расположенными у одной или нескольких коренных шеек. Носок и хвостовик вала выходят из блока двигателя через сальниковые уплотнители. На носок посредством шпонки монтируется шестерня привода ГРМ и посредством болта — шкив привода агрегатов. На хвостовик с помощью болтов устанавливается маховик.

Другие заявители

1903 Wright Flyer во время своего первого полета разогнался до 30 миль в час (48 км / ч); Блерио XI достигла 47 миль в час (76 км / ч) в 1909. Ткань покрытых бипланов времен первой мировой войны и вскоре после этого может сделать до 200 миль в час (320 км / ч). В 1925 году лейтенант армии США Сайрус К. Беттис на Curtiss R3C выиграл гонку Pulitzer Trophy Race со скоростью 248,9 миль в час (400,6 км / ч).

Скорости цельнометаллических монопланов 1930-х годов выросли до 440,6 миль в час (709,1 км / ч) с поплавком Macchi MC72 . Messerschmitt Me 209 V1 установлен мировой рекорд скорости почти 756 км / ч (470 миль в час) 26 апреля 1939 года, и Республика XP-47J (вариант с P-47 Thunderbolt ) , как утверждается, достигли 505 миль в час (813 км / ч). P-51H Мустанг управляемого 487 миль в час (784 км / ч). Прототип Republic XP-72 , созданный как преемник P-47, разгонялся до 790 км / ч. Прототип двухмоторного de Havilland Hornet (RR915) (383 построенных) достиг 485 миль в час (781 км / ч), как и прототип моноплана Hawker Fury, когда он был оснащен Napier Sabre VII , и прототип преемника Supermarine. Spitfire, Supermarine Spiteful , разогнался до 795 км / ч. Самый быстрый немецкий винтовой самолет , который вылетел во Второй мировой войне (но не видел боя) был twin- DB 603 Приведено Dornier Do 335 «Pfeil / стрелка» , которая имела заявленную максимальную скорость 474 миль в час (763 км / ч).

В 1950 — х годах два турбовинтовых tailsitter истребителей прототипы были разработаны для ВМС США , то Convair XFY «Pogo» (610 миль / ч (980 км / ч)) и Lockheed XFV (578 миль / ч (930 км / ч)), но оба были меньше более мощные двигатели, чем предполагалось, и противоречивые требования вертикального и горизонтального полета еще больше снижали скорость полета, поэтому они никогда не приближались к этим цифрам.