Kořenový kompresor - Roots-type supercharger

Rootsovo dmychadlo s dvoulaločnými rotory. Většina rotorů dmychadel Roots má tři nebo čtyři laloky. ( animovaná verze ) Klíč:
  1. Rotační lopatka 1
  2. Těleso čerpadla
  3. Rotační lopatka 2
  1. Přívod
  2. Čerpací
  3. Nucený vzduch nebo směs vzduchu a paliva do sacího potrubí

Roots typu dmychadlo je objemové lalok čerpadlo , které pracuje čerpáním kapaliny s párem do sebe zapadajících výstupků připomínající sadu natažených zařízení. Tekutina je zachycena v kapsách obklopujících laloky a vedena ze sací strany do výfuku. Nejběžnější aplikací dmychadla typu Roots bylo indukční zařízení na dvoudobých vznětových motorech , jako jsou motory vyráběné společnostmi Detroit Diesel a Electro-Motive Diesel . Rootsova dmychadla se také používají k přeplňování motorů Otto cyklu , přičemž dmychadlo je poháněno z klikového hřídele motoru pomocí ozubeného nebo klínového řemene , válečkového řetězu nebo ozubeného soukolí .

Dmychadlo typu Roots je pojmenováno podle amerických vynálezců a bratrů Philandera a Francise Marion Rootsových , zakladatelů společnosti Roots Blower Company z Connersville, Indiana USA, která si v roce 1860 patentovala základní konstrukci jako vzduchové čerpadlo pro použití ve vysokých pecích a dalších průmyslových aplikacích . V roce 1900 zahrnoval Gottlieb Daimler v patentované konstrukci motoru dmychadlo ve stylu Roots, čímž se dmychadlo typu Roots stalo nejstarším z různých dostupných provedení. Kořenové dmychadla se běžně označují jako dmychadla vzduchu nebo dmychadla PD (objemová) a lze je běžně nazývat „huffery“, pokud se používají s motory spalujícími benzín v automobilech přizpůsobených hot rodům .

Aplikace

Na přední straně tohoto motoru Ecotec LSJ je vidět přeplňovač typu Eaton M62 Roots v Saturn Ion Red Line 2006

Dmychadlo typu Roots je jednoduché a široce používané. Může být účinnější než alternativní kompresory při vyvíjení pozitivního sacího potrubí (tj. Nad atmosférickým tlakem) při nízkých otáčkách motoru, což z něj činí oblíbenou volbu pro aplikace v osobních automobilech. Maximálního točivého momentu lze dosáhnout přibližně 2 000 ot / min. Na rozdíl od základní ilustrace obsahuje většina moderních kompresorů typu Roots třílaločné nebo čtyřlaločné rotory; to umožňuje, aby laloky měly mírné zkroucení podél os rotoru, což snižuje pulsování na vstupu a výstupu (to je nepraktické u dvou laloků, protože i mírné zkroucení by mohlo v určitých úhlech otevřít volnou cestu přes kompresor).

Nahromaděné teplo je důležitým faktorem při provozu kompresoru ve spalovacím motoru . Ze tří základních typů kompresorů měla konstrukce Roots historicky nejhorší tepelnou účinnost, zejména při vysokých tlakových poměrech. V souladu se zákonem ideálního plynu kompresní operace zvýší teplotu stlačeného výstupu. Provoz samotného kompresoru navíc vyžaduje přívod energie, která je přeměněna na teplo a může být přenesena do plynu skrz skříň kompresoru, což jej více zahřívá. Ačkoli jsou mezichladiče známější pro použití na turbodmychadlech , použití mezichladiče může také těžit. Vnitřní spalování je založeno na termodynamickém cyklu a nižší teplota sací náplně má za následek větší termodynamickou expanzi a naopak. Horká sací náplň vyvolává detonaci v zážehovém motoru a může roztavit písty v naftě, zatímco mezichladicí stupeň zvyšuje složitost, ale může zlepšit výkon zvýšením množství vstupního náboje, přesně jako by měl motor vyšší kapacitu . Mezichladič snižuje termodynamickou účinnost ztrátou tepla (výkonu) zavedeného kompresí, ale zvyšuje dostupný výkon kvůli zvýšené pracovní hmotnosti pro každý cyklus. Nad přibližně 5 psi (35 kPa) může být zlepšení mezichladění dramatické. U Rootsova kompresoru je jednou z úspěšně použitých metod přidání tenkého výměníku tepla umístěného mezi dmychadlo a motor. Voda jím cirkuluje do druhé jednotky umístěné poblíž přední části vozidla, kde ventilátor a proud okolního vzduchu mohou odvádět shromážděné teplo.

Animace ukazující směr proudění třílaločným Rootsovým dmychadlem s mírným otočením rotorů

Konstrukce Roots se běžně používala u dvoutaktních vznětových motorů (propagovaných divizemi Detroit Diesel [kamion a autobus] a Electro-Motive [železnice] společnosti General Motors), které vyžadují určitou formu nucené indukce , protože neexistuje žádný samostatný sání mrtvice. Rootes Co . dvoudobý vznětový motor, používaný ve vozidlech Commer a Karrier , měl dmychadlo typu Roots; obě společnosti nejsou ve spojení.

Tyto kompresory používané na horních palivových motorů , legrační automobilů a jiných dragsterů , stejně jako horké pruty , jsou ve skutečnosti derivátů z General Motors Trenér divize dmychadla pro své průmyslové dieselové motory , které byly přizpůsobeny pro použití v automobilech v táhnout proběhnutí . Název modelu těchto jednotek vymezuje jejich velikost - kdysi běžně používané dmychadla 4–71 a 6–71 byly navrženy pro diesely řady 71 . Současné konkurenční dragstery používají aftermarket GMC varianty podobné designu jako řada 71, ale s prodloužením rotoru a skříně pro větší kapacitu; hot rodders také používají reprodukci 6-71 s.

Kořenová dmychadla se obvykle používají v aplikacích, kde je třeba přes relativně malý tlakový rozdíl pohybovat velký objem vzduchu. To zahrnuje aplikace s nízkým vakuem, přičemž Rootsovo dmychadlo funguje samostatně, nebo v kombinaci s jinými čerpadly jako součást systému vysokého vakua. Jedna velmi běžná průmyslová aplikace je v pneumatických dopravních systémech, přičemž dmychadlo dodává velký objem vzduchu pro pohyb sypkých materiálů potrubím.

Některé sirény civilní obrany používaly dmychadla Roots k čerpání vzduchu do rotoru (vrtulníku), aby drasticky zvýšily jeho zvukový výstup ve všech roztečích výšek. Nejznámější jsou Federal Signal Thunderbolt Series a ACA (nyní American Signal Corporation) Hurricane. Tyto sirény jsou známé jako „přeplňované sirény“.

Rootsova dmychadla se také používají v opačném směru k měření toku plynů nebo kapalin, například v plynoměrech .

Technické aspekty

Konstrukce dvoulaločného cykloidního rotoru. Červená křivka je epicykloidní a modrá křivka je hypocykloidní . Menší generující kruhy (červený a modrý) mají jednu čtvrtinu průměru většího generujícího kruhu (černé). Profil rotoru je tlustá čára.
Rootsovo dmychadlo se třemi laloky. ( Otevřená animace )

Nejjednodušší forma Rootsova dmychadla má cykloidní rotory, konstruované ze střídajících se tangenciálních úseků hypocykloidních a epicykloidálních křivek. U rotoru se dvěma laloky jsou menší generující kruhy o čtvrtinu průměru větších. Dmychadla Real Roots mohou mít pro zvýšení účinnosti složitější profily. Laloky na jednom rotoru nebudou pohánět druhý rotor s minimální volnou vůlí ve všech polohách, takže oddělené dvojice ozubených kol zajistí fázování laloků.

Protože čerpadla s rotačním lalokem musí udržovat vůli mezi laloky, jednostupňové dmychadlo Roots může čerpat plyn pouze přes omezený tlakový rozdíl. Pokud je čerpadlo používáno nad rámec jeho specifikací, stlačení plynu generuje dostatek tepla, takže laloky se rozpínají do bodu, kdy se zaseknou, čímž čerpadlo poškodí.

Kořenová čerpadla jsou schopna čerpat velké objemy, ale protože dosahují pouze mírné komprese, není neobvyklé vidět více stupňů Rootsova dmychadla, často s výměníky tepla ( mezichladiče ) mezi nimi pro chlazení plynu. Nedostatek oleje na čerpacích plochách umožňuje čerpadlům pracovat v prostředích, kde je důležitá kontrola kontaminace. Vysoká rychlost čerpání uhlovodíků umožňuje kořenovému čerpadlu zajistit účinnou izolaci mezi olejovanými čerpadly , jako jsou rotační kompresní čerpadla , a vakuovou komorou.

Jedna varianta používá pro vyšší kompresi drápovité rotory.

Kořenová mapa účinnosti

Rootsovo dmychadlo může dosáhnout účinnosti přibližně 70% při dosažení maximálního poměru tlaku dva. Lze dosáhnout vyšších tlakových poměrů, ale s klesající účinností. Protože dmychadlo typu Roots pumpuje vzduch v diskrétních pulzech (na rozdíl od šroubového kompresoru ), může být pulzační hluk a turbulence přenášeno po proudu. Pokud nejsou řádně řízeny (prostřednictvím geometrie výstupního potrubí) nebo zohledněny (strukturální výztuží navazujících komponent), mohou výsledné pulzace způsobit kavitaci tekutiny a/nebo poškození součástí za dmychadlem.

Kořenová mapa účinnosti kompresoru . Zobecněná mapa účinnosti dmychadel ukazuje, jak se účinnost dmychadla mění s rychlostí a zesílením.

U jakéhokoli dmychadla Roots běžícího za daných podmínek spadne na mapu jeden bod. Tento bod bude stoupat s rostoucím zesílením a bude se pohybovat doprava se zvyšující se rychlostí dmychadla. Je vidět, že při střední rychlosti a nízkém boostu může být účinnost přes 90%. To je oblast, ve které původně měli fungovat dmychadla Roots, a jsou v tom velmi dobří.

Zesílení je dáno tlakovým poměrem, což je poměr absolutního tlaku vzduchu před dmychadlem k absolutnímu tlaku vzduchu po stlačení dmychadlem. Pokud není k dispozici žádné zvýšení tlaku, bude tlakový poměr 1,0 (to znamená 1: 1), protože výstupní tlak se rovná vstupnímu tlaku. Zvýšení 15 psi je označeno jako referenční (mírně nad tlakovým poměrem 2,0 ve srovnání s atmosférickým tlakem). Při zvýšení tlaku 15 psi (100 kPa) se ventilátory Roots pohybují mezi 50% a 58%. Výměna menšího dmychadla za větší dmychadlo posune bod doleva. Ve většině případů, jak ukazuje mapa, to přesune do oblastí s vyšší účinností vlevo, protože menší ventilátor pravděpodobně bude rychle běžet vpravo od grafu. Obvykle použití většího ventilátoru a jeho pomalejšího chodu k dosažení stejného zesílení zvýší účinnost kompresoru.

Objemová účinnost dmychadla Rootsova typu je velmi dobrá, obvykle se drží nad 90%, ale s nejnižšími otáčkami dmychadla. Z tohoto důvodu bude ventilátor s nízkou účinností stále mechanicky dodávat zamýšlený objem vzduchu do motoru, ale tento vzduch bude teplejší. V aplikacích typu drag racing, kde je horkým vzduchem vstřikováno velké množství paliva, odpařování paliva absorbuje teplo. Funguje to jako druh systému kapalného dochlazovače a jde dlouhou cestou k negaci neefektivity designu Roots v této aplikaci.

Srovnávací výhody

Rotační dmychadla, běžně nazývaná posilovače při vysokém vakuu, se nepoužívají jako samostatné čerpadlo. V aplikacích s vysokým vakuem lze rychlost čerpání posilovačů použít ke snížení koncového tlaku a zvýšení rychlosti čerpání.

Související pojmy

Termín „dmychadlo“ se běžně používá k definování zařízení umístěného na motorech s funkční potřebou dalšího proudění vzduchu pomocí přímého mechanického spojení jako zdroje energie. Termín dmychadlo se používá k popisu různých typů kompresorů. Šroubovací kompresor , rootsovo dmychadlo a odstředivý kompresor jsou všechny typy dmychadel. Naopak turbodmychadlo , využívající k roztočení turbíny kompresi výfukových plynů, a nikoli přímé mechanické spojení, není obecně považováno za „dmychadlo“, ale jednoduše za „turbo“.

Viz také

  • Drag racing , kde se používají turbodmychadla typu Roots pro špičkové palivové dragstery T/F , zábavné auto F/C Fuel Coupe využívající nitro-metanové palivo a T/AD dragstery a zábavné vozy TA/FC využívající lihové palivo a Pro upravené pomocí metanolu palivo v profesionálních třídách drag racing
  • Supercharger TVS

Reference

externí odkazy