О ВЫБОРЕ КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
С УЛУЧШЕННЫМИ
ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Современные экологические требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания транспортных средств, диктуют необходимость совершенствования не только к конструкции самого двигателя и его систем, но и агрегатов, которые приводятся в действие двигателем и связаны с его системами смазки, охлаждения и воздухоподачи.

Одним из таких агрегатов является пневматический компрессор, обслуживающий тормозную систему и пневматические приводы грузовых автомобилей и автобусов. Как правило, этот агрегат традиционно выполняется в виде одно- или двухцилиндрового поршневого компрессора.

В настоящее время действуют 114 правил ЕЭК ООН по комплексной безопасности и экологии автотранспорта. Они содержат требования к многим системам автомобилей, в том числе к системе управления, тормозной системе, шинам, ремням безопасности, подголовникам, зеркалам, светотехнике.

Современные поршневые компрессоры вырабатывают сжатый воздух, в котором содержание твердых взвесей, масла и воды выходит за пределы, установленные стандартом ISO 8573-1 и соответствующие оптимальным условиям работы разного рода механизмов и оборудования с пневматическим приводом. При низкой температуре окружающей среды имеют место частые случаи отказов в работе тормозов, раздвижных дверей и другого оборудования из-за замерзания водомасляного конденсата, попадающего вместе с воздухом в трубопроводы, исполнительные и регулировочные устройства (тормозные цилиндры, клапаны, воздухораспределители). Достаточная производительность, минимальная потребляемая мощность, минимальное количество масла в сжатом воздухе, малые габариты и масса, бесшумность работы, достаточная долговечность и минимальная трудоемкость технического обслуживания - все эти и многие другие требования, перечисленные ранее, в начальной или промежуточной стадии должен обеспечить компрессор.

Наряду с совершенствованием традиционных поршневых компрессоров, задача поиска, выбора и организации производства более прогрессивных конструкций компрессоров остается актуальной.

Достаточно прогрессивная конструктивная схема трохоидного роторно-поршневого компрессора (РПК) применительно к задачам автомобильного двигателестроения была предложена и нашла применение в разработках 1970-1988 гг. агрегатного завода АМО "ЗИЛ" и НАМИ.

Эта схема эквивалентна по уровню пульсации в нагнетательной полости одноцилиндровому поршневому компрессору.
Роторно-поршневые, как и поршневые компрессоры, относятся к объемным машинам, у которых рабочий процесс осуществляется циклически в замкнутых рабочих камерах. Они компактны, полностью механически уравновешены, не нуждаются во впускных клапанах.
Найденные конструктивные и технологические решения, связанные с созданием эффективных систем контактных уплотнений роторных машин (герметизация рабочих камер), сделали целесообразным развитие нового поколения роторно-поршневых компрессоров (РПК). Благодаря высокой герметичности рабочих камер, РПК позволяют осуществить высокоэффективный рабочий процесс (с производительностью 400…600 л/мин и более) при давлениях нагнетания до 10 кгс/см2 и высокими степенями сжатия. Для РПК коэффициент подачи может превышать 0,7 (у поршневых компрессоров этот параметр редко достигает 0,55). Коэффициент подачи зависит главным образом от величины объемного коэффициента.

Уровень надежности и долговечности компрессора в значительной мере обусловлен типом примененной системы газораспределения. Так, наличие самодействующих клапанов накладывает определенные ограничения на быстроходность компрессора, поскольку увеличение быстроходности резко снижает долговечность клапанов.

Ранее при термодинамических расчетах процессов в РПК определенную сложность вызывал вопрос о выборе коэффициентов теплоотдачи от газа к стенкам камеры. Для трохоидных роторных компрессоров данный вопрос исследован, и по мере накопления экспериментальных данных сложился ряд решений, позволяющих снизить термонапряженность соответствующих деталей.

Несмотря на существенные конструктивные и технико-экономические отличия компрессоров, все они с термодинамической точки зрения оказываются одинаковыми, так как совокупность рабочих процессов, происходящих в них и образующих так называемый компрессорный цикл, изображается на диаграмме одними и теми же кривыми и подчиняется одним и тем же расчетным уравнениям.

Принципиальное отличие компрессорных циклов от циклов, по которым осуществляется работа тепловых двигателей, заключается в том, что первые являются "обратными" по отношению ко вторым, т. е. в них процессы сжатия на диаграмме Р - V располагаются выше процессов расширения. В связи с тем, что для осуществления компрессорного цикла необходимо затрачивать механическую энергию, представляет интерес - какие резервы существуют в оптимизации рабочего процесса для снижения затрат мощности двигателя на привод.

На диаграмме P - V, отображающей расчетный цикл (рис. 4), кроме соответствующих политропических процессов (а - b) и (с - d) с показателями политропы n1 и n2, указаны также адиабатические процессы сжатия и расширения (k = 1,4) для теоретического цикла, в котором явления теплопередачи между газами и поверхностью статора не учитываются. Совместное рассмотрение приведенных кривых показывает, что охлаждение статора, с одной стороны, уменьшает энергию, затрачиваемую на совершение цикла, а с другой стороны, увеличивает количество молей газа, поступающего в рабочую полость, а следовательно, и уходящего из нее за цикл.

Действительно, чем сильнее охлаждается статор компрессора, тем меньше становится величина показателя политропы n1 и кривая сжатия располагается ближе к кривой изотермического процесса (n1 = 1), поэтому общая площадь диаграммы цикла, ограниченная указанными кривыми, заметно уменьшается, а следовательно, снижается и мощность, расходуемая на привод компрессора.

При охлаждении статора точка d на диаграмме Р - V смещается влево, что увеличивает объем поступающего газа (участок d - а); следовательно, при одном и том же числе оборотов эксцентрикового вала компрессора его часовая производительность должна возрасти.

Эти рассуждения наглядно подтверждаются также диаграммой Т - S компрессорного цикла, которая приведена на рис. 5. Обозначение типовых точек сохранено аналогичным использованному на диаграмме Р - V.

Из всего сказанного следует, что в компрессоре для повышения экономичности установки выгодно применять интенсивное охлаждение стенок статора, а также клапанной системы.

В совокупности, применяя на практике отмеченные выше особенности РПК, можно говорить о нем как об объемной машине, являющейся оптимальным источником выработки энергии для тормозных механизмов и других агрегатов автомобиля, которые нуждаются в пневмоприводе.

В целом, более жесткие требования XXI века к экологическим параметрам двигателей и современные достижения в области технологий и материаловедения являются основанием для усовершенствования конструкции в части:

Поставленных целей предлагается достичь путем:

Кроме того, среди приоритетных целей разработки - обеспечение технологичности и ремонтопригодности конструкции.

В заключение необходимо обозначить перспективную задачу разработки и внедрения в производство компрессора, не нуждающегося в циркуляционной системе смазки. При разработке бессмазочных уплотнений ротора поставлены цели по уменьшению сил трения при высокой герметизирующей способности, обеспечению большего ресурса работы, минимизации габаритных размеров и массы, улучшению технологичности и экономичности производства, снижению трудоемкости технического обслуживания и ремонта.

Для реализации поставленной задачи разработана конструкция компрессора РПК 400/600, образцы которого в настоящее время проходят заводские доводочные испытания. Результаты доводки и исследований предполагается опубликовать в последующих статьях.