Двигатель с компрессором: устройство, преимущества и недостатки

Устройство автомобиля. Как работает компрессор?

14 Март 2012

• Новости
• Анонсы
• Статьи
• Пресс-релизы
• Документы
• Акции

Как работает компрессор   С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания автомобильные инженеры, любители скорости и проектировщики гоночных автомобилей все время находились в поисках путей увеличения мощности моторов. Один из способов увеличения мощности – построение двигателя большого внутреннего объема. Но большие двигатели, которые больше весят и обходятся существенно дороже в производстве и обслуживании, не всегда однозначно лучше. Другой путь добавления мощности – это создание двигателя нормального размера, но более эффективного. Вы можете достичь этого, нагнетая больше воздуха в камеру сгорания. Большее количество воздуха дает возможность подать в цилиндр дополнительное количество топлива, что обозначает, что будет произведен более сильный взрыв и будет достигнута большая мощность. Добавление компрессора к впускной системе является отличным способом достижения усиленной подачи воздуха. В этой статье мы объясним, что такое компрессоры (их также еще называют нагнетателями), как они работают и чем отличаются от турбокомпрессоров (турбонаддува). Компрессором является любое устройство, которое создает давление на выходе выше атмосферного. И компрессоры, и турбокомпрессоры способны это делать. На самом деле, турбокомпрессор является сокращенным названием от «турбонагнетателя» – его официального названия. Различие между данными агрегатами заключается в способе получения энергии. Турбокомпрессоры приводятся в действие за счет плотного потока выхлопных газов, вращающих турбину. Компрессоры работают за счет энергии, передаваемой механическим путем через ременный или цепной привод от коленчатого вала двигателя. В следующем разделе мы подробно рассмотрим, как компрессор выполняет свою работу.  
Основы компрессора
Обычный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания использует один из тактов для впуска воздуха.
Этот такт можно разделить на три шага:

• Поршень перемещается вниз
• Это создает разрежение
• Воздух под атмосферным давлением засасывается в камеру сгорания

Как только воздух поступит в двигатель, он должен быть объединен с топливом для формирования заряда – пакета потенциальной энергии, которую можно превратить в полезную кинетическую энергию в результате химической реакции, известной как горение. Свеча зажигания инициирует эту реакцию путем воспламенения заряда. Как только топливо подвергается реакции окисления, сразу же высвобождается большое количество энергии. Сила этого взрыва, сконцентрированная над днищем поршня, толкает поршень вниз и создает возвратно-поступательное движение, которое в конечном итоге передается на колеса. Подача большего количества топливно-воздушной смеси в заряд будет порождать более сильные взрывы. Но вы не можете просто так подать больше топлива в двигатель, так как требуется строго определенное количество кислорода для сжигания определенного количества топлива. Химически-верная смесь – 14 частей воздуха к одной части топлива – имеет очень большое значение для эффективной работы двигателя. Итог – чтобы сжечь больше топлива, придется подать больше воздуха. Это работа компрессора. Компрессоры увеличивают давление на входе в двигатель путем сжатия воздуха выше атмосферного давления без образования вакуума. Это заставляет большему количеству воздуха попадать в двигатель, обеспечивая повышение давления. С дополнительным количеством воздуха больше топлива может быть добавлено, что вызывает увеличение мощности двигателя. Компрессор добавляет в среднем 46 процентов мощности и 31 процент крутящего момента. В условиях высокогорья, где мощность двигателя снижается за счет того, что воздух имеет меньшую плотность и давление, компрессор обеспечивает более высокое давление воздуха в двигателе, что позволяет ему работать в оптимальном режиме.
Рис.1 ProCharger D1SC – центробежный компрессор   В отличие от турбокомпрессоров, которые используют отработанные газы для вращения турбины, механические компрессоры приводятся в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя. Большинство из них приводятся в движение с помощью приводного ремня, который обернут вокруг шкива, который подключен к ведущей шестерне. Ведущая шестерня, в свою очередь, вращает шестерню компрессора. Ротор компрессора может быть по-разному спроектирован, но, не смотря на это, в любом случае его работа сводится к захвату воздуха, сжатию воздуха в меньшем пространстве и сбросу его во впускной коллектор. Для того чтобы создавать давление воздуха, компрессор должен вращаться быстрее, чем сам двигатель. Создание ведущей шестерни большей, чем шестерни компрессора, заставляет компрессор вращаться быстрее. Компрессоры способны вращаться со скоростью, превышающей 50,000-60,000 оборотов в минуту. Компрессор, вращающийся со скоростью 50,000 оборотов в минуту, способен повысить давление с шести до девяти дюймов на квадратный дюйм (PSI). Это дополнительная прибавка с шести до девяти фунтов на квадратный дюйм. Атмосферное давление на уровне моря составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм, так что типичный эффект от применения компрессора – это увеличение подачи воздуха в двигатель примерно на 50 процентов. Постольку поскольку воздух сжимается, он становится более горячим, а это значит, что он теряет свою плотность и не может столь сильно расширяться во время взрыва. Это обозначает, что он не может высвободить столько же энергии, сколько высвобождается при воспламенении свечой зажигания более холодной топливно-воздушной смеси. Для того чтобы компрессор работал на пике своей эффективности, сжатый воздух на выходе из компрессора должен быть охлажден перед подачей во впускной коллектор. Интеркулер несет ответственность за данный процесс охлаждения. Интеркуллеры бывают двух констуркций: «воздух-воздух» и «воздух-жидкость». Оба работают по принципу радиатора, с более холодным воздухом или жидкостью, циркулирующей по системе трубок или каналов. Горячий воздух, выходя из компрессора, попадает в трубки интеркулера и охлаждается там. Снижение температуры воздуха увеличивает его плотность, что делает плотнее заряд, поступающий в камеру сгорания. Далее мы рассмотрим различные типы компрессоров.    
Роторный компрессор Roots
Существует три вида компрессоров: роторный, двухвинтовой и центробежный. Главное отличие между ними заключается в способе подачи воздуха во впускной коллектор двигателя. Роторный и двухвинтовой компрессоры используют различные типы кулачковых валов, а центробежный компрессор – крыльчатку, которая увлекает воздух внутрь.
Хотя все эти конструкции обеспечивают прибавку мощности, они значительно отличаются по своей эффективности. Каждый из этих типов компрессоров может быть доступен в различных размерах, в зависимости от того, какого результата хотите вы достичь – просто повысить мощность автомобиля или подготовить его к участию в гонках. Конструкция роторного компрессора является самой древней.
Братья Филандер и Фрэнсис Рутс в 1860 году запатентовали конструкцию своего компрессора в качестве машины, способной обеспечивать вентиляцию в шахтах. В 1900 году Готтлиб Вильгельм Даймлер включил роторный компрессор в конструкцию автомобильного двигателя.  
Рис.

2  Роторный компрессор   Так как кулачковые валы вращаются, воздух, находящийся в пространстве между кулачками, оказывается между стороной наполнения и напорной стороной. Большое количество воздуха перемещается во впускной коллектор и создает условия для образования положительного давления.

По этой причине рассматриваемая конструкция является не чем иным, как объемным нагнетателем, а не компрессором, при этом термин «нагнетатель» по-прежнему часто используется для описания всех компрессоров. Роторные компрессоры, как правило, имеют довольно большие размеры и располагаются в верхней части двигателя.
Они популярны в автомобилях дрэгстеров и роддеров, поскольку зачастую выступают за габариты капотов. Тем не менее, они являются наименее эффективными компрессорами по двум причинам:

• Они существенно увеличивают вес транспортного средства.
• Они создают дискретный прерывистый воздушный поток, а не сглаженный и непрерывный.

 
Двухвинтовой компрессор Двухвинтовой компрессор работает, проталкивая воздух через два ротора, напоминающих набор червячных передач. Как и в роторном компрессоре, воздух внутри двухвинтового компрессора оказывается в полостях между лопастями роторов. Но двухвинтовой компрессор сжимает воздух внутри корпуса роторов.
Это происходит за счет того, что роторы имеют коническую форму, при этом воздушные карманы уменьшаются в размерах по мере продвижения воздуха из стороны наполнения в напорную сторону. Воздушные полости сжимаются, и воздух выдавливается в меньшее пространство.  
Рис.
3 Двухвинтовой компрессор   Это делает двухвинтовой компрессор более эффективным, но они стоят дороже, потому что винтовые роторы требуют дополнительной точности в ходе процесса производства. Некоторые типы двухвинтовых компрессоров располагаются над двигателем, подобно роторному компрессору типа Roots. Они также порождают много шума. Сжатый воздух на выходе из компрессора издает сильный свист, который следует приглушить с помощью специальных методов поглощения шума.  
Центробежный компрессор
Центробежный компрессор – это крыльчатка, напоминающая собой ротор, которая вращается с очень высокой скоростью и нагнетает воздух в небольшой корпус компрессора. Скорость вращения крыльчатки может достигать 50,000-60,000 оборотов в минуту.

Воздух, попадающий в центральную часть крыльчатки, под действием центробежной силы увлекается к ее краю. Воздух покидает крыльчатку с высокой скоростью, но под низким давлением.

Диффузор – множество стационарно расположенных вокруг крыльчатки лопаток, которое преобразует высокоскоростной поток воздуха с низким давлением в поток воздуха с малой скоростью, но высоким давлением.
Скорость молекул воздуха, встретивших на своем пути лопатки диффузора, уменьшается, что влечет за собой увеличение давления воздуха.  
Рис.4  Центробежный компрессор
  Центробежные компрессоры являются наиболее эффективными и самым распространенными устройствами из всех систем принудительного повышения давления. Они компактные, легкие и устанавливаются на передней части двигателя, а не сверху. Они также издают характерный свист по мере роста количества оборотов двигателя, способный заставить случайных прохожих на улице поворачивать головы в сторону вашего автомобиля. Monte Carlo и Mini-Cooper S – два автомобиля, которые доступны в версиях с компрессором. Любой из рассмотренных выше типов компрессоров может быть добавлен к транспортному средству как дополнительная опция. Несколько компаний предлагают комплекты, состоящие из всех необходимых частей для собственноручного дооснащения автомобилей компрессорами. Такие доработки также являются неотъемлемой частью культуры «машин для фана» (смешных машинок) и автомобилей из мира спорта «Fuel Racing». Некоторые производители даже включают компрессоры в оснащение своих серийных моделей автомобилей. Далее мы узнаем обо всех преимуществах компрессора, установленного в ваш автомобиль.  
Преимущества компрессора
Самое главное преимущество компрессора – это увеличение мощности двигателя, измеряемой в лошадиных силах. Добавьте компрессор к любому обычному автомобилю или грузовику, и он станет вести себя как автомобиль с двигателем большего внутреннего объема или просто как с более мощным двигателем.

Но как узнать, какой из нагнетателей выбрать – механический компрессор или турбокомпрессор? Этот вопрос горячо обсуждался авто инженерами и энтузиастами, но, в целом, механические компрессоры имеют несколько преимуществ над турбокомпрессорами.

Механические компрессоры лишены такого недостатка как лага (отставания) двигателя – термина, используемого для описания времени, прошедшего с момента нажатия водителем педали газа до момента ответа двигателя на это внешнее воздействие.
Турбокомпрессоры, к сожалению, подвержены явлению отставания, постольку поскольку требуется некоторое время, прежде чем выхлопные газы достигнут скорости, достаточной для полноценного раскручивания крыльчатки турбины. Механические компрессоры не имеют такого лага, так как они приводятся в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя.
Одни компрессоры наиболее эффективны при работе в диапазоне низких скоростей вращения коленчатого вала, в то время как другие раскрывают весь свой потенциал лишь на высоких оборотах. Например, роторный и двухвинтовой компрессоры обеспечивают большую мощность на низких оборотах.

Центробежные компрессоры, которые становятся все более эффективными по мере роста скорости вращения крыльчатки, обеспечивают большую мощность в диапазоне высоких оборотов. Установка турбокомпрессора требует обширной переделки выпускной системы двигателя, в том время как механические компрессоры могут быть легко привинчены к передней части двигателя или сверху.

Это делает их дешевле в установке и проще в эксплуатации и обслуживании. Наконец, при использовании компрессора не требуется никакой специальной процедуры остановки двигателя. Это обусловлено тем, что они не смазываются моторным маслом и могут быть остановлены привычным образом.
Турбокомпрессоры должны отработать на холостом ходу 30 секунд и более для того, чтобы дать возможность моторному маслу остыть. С учетом сказанного, для компрессоров имеет важное значение предварительный прогрев, так как они работают наиболее эффективно при нормальной рабочей температуре двигателя.
Компрессоры являются характерной составляющей частью двигателей внутреннего сгорания самолетов. Это имеет смысл, если учесть, что самолеты проводят большую часть своего времени на больших высотах, где значительно меньше кислорода доступно для сгорания. Внедрение компрессоров позволило самолетам летать на большей высоте без снижения производительности двигателя. Компрессоры, установленные на авиационные двигатели, работают на основе тех же самых принципов, которые заложены в конструкцию автомобильных компрессоров. Компрессоры получают энергию непосредственно от вала двигателя и способствуют подаче в камеру сгорания смеси, находящейся под давлением. Далее рассмотрим некоторые недостатки компрессоров.  
Недостатки компрессоров

Самый большой недостаток компрессоров является также и их определяющей характеристикой: постольку поскольку компрессор приводится в движение коленчатым валом двигателя, он отнимает несколько лошадиных сил у двигателя. Компрессор может потреблять до 20 процентов общей выходной мощностью двигателя.

Но так как компрессор способен прибавить до 46 процентов мощности, большинство автолюбителей склоняется к тому, что игра стоит свеч. Компрессор дает дополнительную нагрузку на двигатель, который должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать дополнительный импульс и более сильные взрывы в камере сгорания.
Большинство производителей учитывают это и создают усиленные узлы для двигателей, предназначенных для работы в паре с компрессором. Это в свою очередь удорожает автомобиль. Компрессоры также дороже в обслуживании, а большинство производителей предлагают использовать высокооктановое горючее премиум класса.
Несмотря на свои недостатки, нагнетатели по-прежнему являются наиболее экономически эффективным способом увеличения количества лошадиных сил.

Компрессор может дать от 50 до 100 процентов увеличения мощности, что делает его находкой для гоночных автомобилей, автомобилей, перевозящих тяжелые грузы, а также для водителей, желающих получить от вождения своего автомобиля новую порцию острых ощущений.    

Механический нагнетатель – чтобы двигатель стал мощнее

Выбор большинства специалистов в области тюнинга падает на компрессор не зря. Дело в том, что монтаж объемного нагнетателя воздуха с механическим приводом является самым простым способом существенно увеличить мощность двигателя автомобиля с минимальной его доработкой.
Этого нельзя сказать об установке турбонаддува, для выполнения которой требуется тщательная промывка магистралей вентиляционной системы, демонтаж фильтров и карбюратора машины.

Привод объемного нагнетателя воздуха с механическим приводом осуществляется непосредственно от коленвала автомобиля, благодаря чему компрессор начинает закачивать воздух в цилиндры уже при минимальных оборотах.

Большинство компрессоров из-за особенностей своей конструкции не нуждаются во вмешательстве в штатную смазочную и охлаждающую систему. Работая, механический нагнетатель не нагревает выпускной коллектор, тем самым не увеличивая температуру под капотом автомобиля. Все эти факторы, бесспорно, относятся к достоинствами компрессоров.

Наряду с преимуществами, нагнетатель воздуха имеет и недостатки. К ним относится снижение КПД двигателя, так как на привод  компрессора затрачивается 10-15% от всей мощности мотора.
В некоторых случаях такое оборудование занимает много места под капотом и требует специального шестеренчатого привода.
Помимо того, старые модели нагнетателей имеют свойство издавать много шума в процессе работы.

Механический нагнетатель можно установить двумя способами: экспериментальным, или приобрести готовый Кит-комплект. Чтобы понять, какой метод подойдет именно вам, рассмотрим каждый из них по отдельности.

Для того чтобы установить нагнетатель воздуха с механическим приводом экспериментальным способом, необходимо самостоятельно определить состояние двигателя, требующего улучшения. Для того чтобы получить более четкую картину, от вас потребуется:

• точно рассчитать, каким образом будут обеспечены крепежи, и как будет осуществляться привод компрессора (шестеренки, натяжной ролик или ремень);
• своими силами определить производительность системы подачи топлива машины;
• произвести подсчеты необходимых доработок ДВС (к примеру, снижение показателей сжатия)
• приобрести и суметь установить своими руками бай-пасную заслонку или бай-пасный клапан;

В зависимости от типа выбранного нагнетателя воздуха количество параметров для подсчета может увеличиваться.
Недостатки экспериментального метода монтажа очевидны: большая стоимость и сложность проекта. Этот метод требует услуг специалистов, способных подобрать детали компрессора для установки нагнетателя.
Единственным большим плюсом экспериментального метода является эксклюзивность автомобиля, полученного в итоге.

Для тех, кто не готов платить большую сумму денег за эксклюзивный нагнетатель воздуха для своего автомобиля, есть более простой вариант монтажа компрессора. Эти вариантом является покупка кит-комплекта – готового набора, включающего в себя рассчитанный или адаптированный компрессор, а также все составляющие, необходимые для выполнения монтажных работ своими руками.

Основное достоинство готового компрессора – возможность его установки своими руками. С приобретением набора тоже не возникнет трудностей: в автомагазинах страны есть огромный выбор китайских комплектов, которые отличаются простотой адаптации.
Среди недостатков китайских наборов стоит отметить их недолговечность. Средний срок службы такого кит-комплекта составляет около 3-5 лет.
Перед приобретением готового набора стоит определиться с его параметрами. Прежде чем отправиться в автомагазин, найдите в интернете модель подобранного вами кит-комплекта и просмотрите его характеристики.

После того, как вы приобрели подходящий набор, можно приступать к его монтажу. Установка комплекта нагнетателя воздуха своими руками не требует специальных навыков. Однако умение произвести несложный ремонт, а также опыт в обращении с отверткой определенно вам не помешает.

Если для своего автомобиля вы купили нагнетатель воздуха с механическим приводом типа “auto-turbo”, то установка оборудования отнимет у вас не более получаса. Все, что от вас потребуется – это установить компрессор на специальный кронштейн, который идет в комплекте, а также подключить провода согласно инструкции.
В случае, если вы приобрели нагнетатель воздуха типа “sc-vaz”, отличающийся более мощным наддувом, то для его монтажа от вас потребуется больше времени.
Перед установкой данного оборудования необходимо “разжать” мотор, заменить старую косу двигателя, прикрутить интеркулер и масляный радиатор. Далее вставляем нагнетатель воздуха с механическим приводом, прикручиваем его и подсоединяем магистрали.

По окончанию работы стоит несколько раз завести и заглушить двигатель. Таким образом новое оборудование адаптируется к двигателю.

Стоит помнить, что последние модели кит-комплекта типа “sc-vaz” способны резкими скачками увеличивать мощность мотора. Поэтому сразу после установки такого оборудования не рекомендуется эксплуатировать автомобиль более 2 часов.

Виды и принцип работы механического нагнетателя

Механический наддув является одним из способов повысить мощность двигателя. Главным элементом такой системы является механический нагнетатель (Supercharger или compressor).
Он представляет собой компрессор, приводимый в действие за счет вращения коленчатого вала. Установка механического нагнетателя обеспечивает увеличение мощности двигателя до 50%.
Supercharger осуществляет забор воздуха через воздушный фильтр, сжимает и далее отправляет его во впускной коллектор ДВС, что и способствует повышению мощности последнего.

Конструкция и принцип работы механического наддува

В современном автомобилестроении применяется несколько видов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и принцип нагнетания воздуха.

Устройство механического наддува

Схема работа механического наддува
Система механического наддува состоит из следующих элементов:

• механический нагнетатель (компрессор)
• интеркулер
• дроссельная заслонка
• заслонка перепускного трубопровода
• воздушный фильтр
• датчики давления наддува
• датчики температуры воздуха во впускном коллекторе

Управление механическим нагнетателем осуществляется при помощи дроссельной заслонки, которая при высоких оборотах открыта.
При этом заслонка трубопровода закрыта, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя.
Когда двигатель работает на низких оборотах, дроссельная заслонка открыта под небольшим углом, а заслонка трубопровода открыта полностью, что обеспечивает возврат части воздуха на вход компрессора.

Поступающий из нагнетателя воздух проходит через интеркулер, что снижает температуру нагнетаемого воздуха примерно на 10°C, способствуя более высокой степени его сжатия.

Типы привода механического наддува

Ременной привод кулачкового компрессора
Передача крутящего момента от коленчатого вала к механическому компрессору может осуществляться различными способами:

• Система прямого привода — предполагает  монтаж компрессора непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя
• Ременный привод. Передача усилий реализуется при помощи ремня. Различные производители используют свои виды ремней (плоские, клиновидные или зубчатые). Системы с использованием ремня характеризуются коротким сроком службы и вероятностью возникновения проскальзывания.
• Цепной привод. Имеет аналогичный ременному приводу принцип.
• Шестеренчатый привод. Недостатком такой системы является повышенный шум и большие габариты.

Достоинства и недостатки системы «Компрекс»

Основным достоинством системы «Компрекс» является, (конечно, дополнительно к увеличению мощности и момента) возможность получения благоприятного протекания внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя по крутящему моменту. Т. е.
достигается ВСХ с незначительным снижением момента после достижения его максимума (в отличие от резкого падения момента при применении системы турбонаддува). Кроме того, система обеспечивает двигателю высокую приёмистость, т. к.
при разгоне не требуется разгон нагнетателя, как при применении ГТН, а все параметры наддува зависят лишь от изменения параметров давления газов и обмена давлением с воздухом. С системой «Компрекс» возможно повышение крутящего момента на величину до 70 % по сравнению с моментом двигателя без наддува.

В то же время максимум момента может быть расположен при частоте вращения, равной 0,5 от номинала. А это обеспечивает двигателю высокую приспособляемость, «эластичность».

Как показывает анализ характеристики системы, грузовик с системой «Компрекс» в условиях пересечённой местности не требует большого числа переключений передач благодаря благоприятному протеканию кривой момента (высокий фактор устойчивости режима). При этом минимизируется и расход топлива.
Дополнительное достоинство — более высокое экологическое качество дизеля с системой «Компрекс». Оно достигается частично благодаря разжижению отработавших газов воздухом и некоторой возможности дожигания продуктов неполного сгорания уже в зоне ячеек ротора.
Но важнее является то, что благодаря низкой инерционности процесса обмена давлением газов, по сравнению с инерционностью турбокомпрессора, все переходные режимы протекают при более высоком коэффициенте избытка воздуха, чем в дизелях с турбонаддувом. А значит, при более полном сгорании топлива в камере сгорания и т.д.

Этот же фактор объясняет более высокую эксплуатационную топливную экономичность дизеля с системой «Компрекс».

По сравнению с объёмными компрессорами, размещение компрессора «Компрекс» на двигателе так же сложно из-за необходимости связи с валом двигателя. Однако «Компрекс» отбирает от вала двигателя весьма малое количество энергии.
Дополнительным достоинством системы является то, что для изготовления ротора и корпуса не требуется применение жаропрочных материалов. Так как ротор и корпус при работе попеременно омываются, то горячими выпускными газами, то холодным воздухом. По этой же причине корпус не требует системы охлаждения.
В то же время системе присущи и определённые недостатки, препятствующие её широкому распространению. Прежде всего это большие габариты и более высокая стоимость, по сравнению с турбонаддувом.

В то же время следует отметить, что система «Компрекс» обеспечивает повышение мощности на 40% без применения промежуточного охлаждения воздуха, в то время как при турбонаддуве этот уровень повышения момента или мощности уже требует установки промежуточного охлаждения, а следовательно, холодильников, трубопроводов, т.е. и дополнительных габаритов, и повышенной стоимости.

Из-за необходимости связи ротора с валом двигателя возникают ограничения в размещении системы на двигателе. Возможности размещения турбокомпрессора конечно более широки.
Предполагается, что затраты на снижение шума в данном случае также будут более высоки, чем при турбонаддуве.

Основные преимущества и недостатки поршневых компрессоров

Компрессор поршневого типа относится к нагнетающему оборудованию, где базовыми являются две основные детали – рабочий цилиндр и поршень.
В крышке цилиндра располагаются два клапана, которые попеременно открываются. Один из них отвечает за всасывание воздуха, а второй за его нагнетание.
Кривошипно-шатунный механизм является основным звеном в системе, благодаря которому коленчатый вал приводит в движение поршень.

В системе поршневого компрессора могут быть задействованы один или несколько цилиндров, расположением которых может быть горизонтальная или вертикальная плоскость.
Наряду с агрегатами одинарного действия можно встретить и оборудование двойного действия, где поршневая система работает в режиме нагнетания, работая в два направления.
Системный подход к организации многоступенчатого сжатия позволяет проектировать целые компрессорные каскады.

При наличии автоматизированного модуля в конструкции поршневого компрессора агрегат способен самостоятельно контролировать уровень давления в трубопроводе нагнетания, который определил оператор. Кроме того, влиять на процесс можно при помощи частотной регулировки вращения вала. 

Стоит отметить, что именно поршневые компрессоры, производительностью до 100 куб. м/мин., нашли свое практическое применение на большинстве предприятий в странах СНГ. Говоря о преимуществах, можно акцентировать внимание на приемлемую ценовую категорию, доступный процесс производства и прекрасную ремонтопригодность.
Если должным образом использовать оборудование и проводить своевременные мероприятия по техническому обслуживанию, то поршневой компрессор прослужит достаточно длительный срок. Впрочем, нельзя забывать, что система узлов агрегата со временем может подвергаться модернизации.
Замене не подвержена лишь рама несущей конструкции компрессора.

Преимущества поршневого компрессора:

Доверяя практическому опыту и мнению специалистов, можно сделать совершенно однозначные выводы о следующих принципиальных характеристиках, которые присущи поршневым компрессорам:
–  Если для выполнения производственной задачи окажется достаточно типичного по мощности компрессора, то поршневой вариант может окажется практичнее винтового компрессора;
–  Принцип работы поршневой техники позволяет использовать её кратковременно, исключая необходимость бесперебойной работы. Если требуется сделать длительную паузу в потреблении воздуха, то к временным перепадам техника абсолютно подготовлена;
–  Агрегаты поршневого принципа действия специальным образом адаптированы для работы в сложных условиях.
Рациональным вариантом использования агрегата служат фасовочные помещения, угольные склады, технические центры помола зерна и прочие сферы, где принципиально важно использование сжатого воздушного потока.
Поршневая система является примером стойкого оборудования, на обслуживание которой не нужно затрачивать больших инвестиций;
–  Поршневое компрессорное оборудование широко используются для организации сжатия агрессивных газов;
–  Можно однозначно утверждать, что поршневой компрессор является эффективным и достаточно дешевым в эксплуатации, особенно в ситуации, когда требуется производственная мощность до 200 л/мин при оптимальном давлении от 20-30 атмосфер. За исключением можно говорить об эффективности турбокомпрессоров, где работа будет напрямую зависеть от количества качества и количества потребляемых ресурсов;
–  Известно точно, что поршневое оборудование в промышленности использовать экономичнее, чем аналогичные винтовые агрегаты. Способность работы в повторно-кратковременном режиме позволяет оперировать разницами потребления сжатого воздуха.

Основные недостатки поршневых компрессоров:

–  Одним из значимых недостатков является значительная энергозатратность оборудования. Об этом утверждении идут споры, где в пример приводятся винтовые компрессоры, в отношении которых аналогичным образом идут суждения о затратности в ресурсах. Известно, что энергопотребление на единицу потока в обоих классах устройств, практически одинаково;
–  Достаточно частое обслуживание. Речь идет о межсервисном интервале, который, как правило, составляет до 500 часов. Эта предельная мера, когда на производственном предприятии необходимо проводить сервисное обслуживание компрессорного оборудования. Как правило, для непрерывности процесса требуется наличие дублирующего оборудования, что не всегда предусматривается на предприятии;
–  Кроме того, к классу недостатков можно отнести ремонтные работы, проведение которые требует одновременного присутствия нескольких специалистов;
–  Агрегаты поршневого принципа действия достаточно сильно шумят и издают вибрацию;
–  Если на предприятии предусматривается наличие поршневого компрессора мощностью более 5 куб. м/мин., то для фиксированной установки агрегата потребуется провести подготовительные работы и уложить фундаментную площадку, однако использование фундаментной площадки применимо и к установке винтовых компрессоров;
​

Что такое турбонаддув. Преимущества и недостатки систем наддува двигателей

Сегодня мы узнаем, что называется турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, каков принцип его работы, как он устроен, а также какие преимущества и недостатки имеют системы наддува современных автомобилей
 ЧТО ТАКОЕ ТУРБОНАДДУВ. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СИСТЕМ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ
Добрый день, сегодня мы узнаем, что называется турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, каков принцип его работы, как он устроен, а также какие преимущества и недостатки имеют системы наддува современных автомобилей. Кроме того, расскажем, про основные виды систем наддува двигателей и чем они отличаются друг от друга. В заключении мы наглядно увидим принципиальные схемы функционирования того или иного вида турбонаддува мотора.
Мощность двигателя зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть доставлено в мотор. Если мы хотим увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не имеет никакого эффекта до тех пор, пока не будет необходимого для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток не сгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя и повышенной непрозрачности или дымности от отработанных выхлопных газов.
1. Понятие и виды систем наддува двигателей внутреннего сгорания автомобиля
Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала.
Увеличение смещения увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном счете, его стоимость.
Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникших технических проблем, особенно для двигателей с большим объемом.
Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что поступающий в двигатель воздух сжимается перед входом в камеру сгорания.
Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива.

Следовательно, при предыдущем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем больше мощности.

Существует две основные системы наддува: с механическим приводом, которая отражена ниже на изображении “а” и просто “турбо”, отражена на рисунке “б” (использующие энергию отработавших газов).
Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная, отображена на рисунке “в”.
Ниже на изображении можем наглядно видеть, как устроены вышеописанные системы наддува двигателей.

В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленвалом двигателя и компрессором.

Давление воздуха турбокомпрессора достигается за счет вращения потока выхлопных газов турбины. Турбокомпрессор состоит из двух турбин впрыска и привод, соединенный с валом.
Вал установлен на двух подшипниках, которые постоянно подается масло, оказывающие охлаждающее и смазочную поддержку.

Обе турбины вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление.
Они ускоряются до высокой скорости (около 10 000 оборотов в минуту) и соприкасаются с лопастным приводным колесом, и преобразуют свою кинетическую энергию в механическую вращательную энергию (крутящий момент).
С такой же скоростью и давлением вращается колесо турбины, которое подает сжатый воздух в двигатель. Разрядное колесо сконструировано таким образом, что уже при небольшом расходе выхлопных газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха.

При полной нагрузке двигатель достигает максимального избыточного давления (от 1,1 до 1,6 атмосфер); при этом обороты двигателя составляют около 2000 оборотов в минуту и остаются постоянными при дальнейшем наборе частоты вращения до максимальной.

Между двигателем и турбокомпрессором имеется соединение только через поток выхлопных газов.
Частота вращения турбины напрямую не зависит от скорости вращения коленчатого вала двигателя и характеризуется некоторой инерцией, то есть увеличением подачи топлива, увеличением энергии выхлопного потока, а затем увеличением частоты вращения турбины и напором разряда, а мотор следовательно получает больше воздуха в цилиндры, что позволяет увеличить подачу топлива. Ниже на изображении наглядно отображена принципиальная схема типового турбокомпрессора.
Основные компоненты турбокомпрессора отображенные на рисунке: 1 – трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 – нагнетательное колесо турбины; 3 – корпус нагнетательного колеса; 4 – промежуточный корпус; 5 – сбрасывающий клапан; 6 – диафрагма; 7 – пружина; 8 – диафрагменная камера; 9 – приводное колесо; 10 – корпус турбонагнетателя; 11,12 – опоры; А – подача воздуха от воздушного фильтра; B – подача воздуха к впускным клапаном;  C – обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D – подача отработавших газов от двигателя;  E – подача отработавших газов к выпускной системе; H – подача смазки; J  – отвод смазки; K – подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана.  
2. Современные системы наддува двигателя, их преимущества и недостатки
Для предотвращения нарастания давления более, чем необходимо на высоких оборотах двигателя,в компрессоре находится специальное устройство, состоящее из разгрузочного клапана и диафрагмы с пружиной, которое обеспечивает контроль давления и оборотов мотора. Полость перед мембраной связана с давлением поступающего воздуха через трубопровод. С увеличением давления, которое происходит с нарастанием частоты вращения коленчатого вала, диафрагма сгибается, сжимая пружину опуская и открывая клапан. Выхлопные газы таким образом проходят через дополнительный обводной канал с тем, чтобы снизить скорость вращения приводного колеса турбины, а значит и разгрузочного колеса. Повышение давления становится постоянным.
Для двигателей, работающих в широком диапазоне скоростей (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, то есть турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого показателя.
Для удовлетворения все возрастающих требований, которые необходимы для автомобильной техники в областях потребления топлива, выбросов выхлопных газов и шума, сегодня проектируются и разрабатываются электронные системы контроля за наддувом.
На первом этапе, исходя из определенного количества параметров, таких как охлаждающая жидкость, масло, впускной воздух и выхлопные газы анализируется состояние двигателя.
Также измеряются обороты двигателя, положение педали акселератора и другие параметры.
Все эти данные анализируются компьютером и используются для определения оптимума в условиях давления наддува на мотор.

На втором этапе значение давления передается исполнительным устройствам, контролирующим этот показатель во впускной системе. При определении этого давления также учитываются критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Акустические датчики позволяют определить даже самовозгорание в системах мотора.

Давление наддува в этом случае уменьшается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не исчезнет. Когда детонация остановится, давление наддува снова возрастет до исходного значения.
Компьютер также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, возникающей, например, из-за использования некачественного топлива.
Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, который определяет время его открытия, и работает, соответственно, как специальный регулятор турбины. Таким образом, мембрана действует не на все давление наддува, а только на ее небольшую часть. Данный момент зависит от положения электромагнитного клапана.
При нажатии на педаль акселератора компьютер выдает команду закрыть клапан и все выхлопные газы заходят в турбину, вызывая повышение давления наддува и мотор развивает значительную мощность, что делает возможным быстро ускориться автомобилю. После достижения желаемой скорости сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится стандартным. Ниже на изображение наглядно отображена схема электронного управления турбонаддувом.
Вариантом системы наддува для двигате­лей легковых автомобилей является вол­новой нагнетатель воздуха, также известный, как Comprex. Двигатель, управляемый через зубчатый ремень, делится на секции, ротор вращается в цилиндрическом корпусе с торцами прорезных окон для прохождения свежего воздуха и выхода выхлопных газов. Система окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет волнам давления выхлопного потока преобразовать под давлением поток свежего воздуха. Ниже на изображении наглядно отображен волновой нагнетатель системы турбонаддува.
Основные элементы волнового нагнетателя системы наддува двигателя: 1 – поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 – зубчатый ремень; 3 – поток свежего воздуха под низким давлением; 4 – поршень двигателя; 5 – поток отработавших газов под высоким давлением; 6 –  поток отработавших газов под низким давлением; 7 – ротор; 8 – щелевые окна.
Существенным достоинством волнового нагнетателя является непосредственный газодинамический энергообмен между отработавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой и сверхзвуковой скоростью.
Волновой обменник, как и механический нагнета­тель, автоматически реагирует на изме­нения нагрузки изменением давления наддува. При постоянном передаточном отноше­нии между двигателем и волновым нагнетателем, энергооб­мен оптимален только для одного рабочего режима.
Для устране­ния этого недостатка на торцах корпуса имеется ряд воздуш­ных «карманов» раз­ной формы и размера, благодаря которым диапазон оптималь­ной работы нагнетате­ля расширяется.

Кро­ме того, это позволяет достичь благоприят­ного протекания кри­вой крутящего момен­та, чего невозможно добиться при помо­щи других методов наддува.

Нагнетатель волнового типа по сравнению с другими устройствами наддува требует много места для ременной передачи и систем трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в подкапотном пространстве автомобиля.
Однако для дизельных двигателей используется турбонаддув с изменяемой геометрией турбины, который позволяет ограничить поток выхлопных газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя.
Ниже на изображение наглядно продемонстрирован принцип работы волнового турбонаддува.
Основные фазы и компоненты участвующие в работе волнового наддува двигателя: а – положение направляющих лопаток при высокой скорости потока отработавших газов; б – положение направляющих лопаток при низкой скорости потока отработавших газов; 1 – крыльчатка турбины; 2 – управляющее кольцо; 3 – подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 – управляющий рычаг; 5 – управляющий пневматический цилиндр; 6 – поток отработавших газов.

Подвижные направляющие лопатки соплового типа изменяют сечение каналов, через которые отработанные газы устремляются на крыльчатку турбины. Они  соприкасаются в турбине и происходит выброс газа под давлением с желаемым повышающим коэффициентом.
При низкой нагрузке двигателя подвижные лопасти открывают небольшое поперечное сечение каналов, так что повышается давление выхлопа назад. Поток газов в турбине развивается на высокой скорости, обеспечивая высокую скорость вала нагнетателя.

Поток выхлопных газов действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины. Таким образом, имеется большая моментная нагрузка на рукоятку, которая увеличивает крутящий момент.

При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что снижает скорость течения потока выхлопных газов. В результате этого турбонагнетатель при равном количестве выхлопных газов меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов.
Этот метод ограничивает давление наддува. Поворачивая кольцо управления он изменяет угол наклона лопастей, которое устанавливаются под определенным углом либо непосредственно отдельным рычагом управления, установленным на лопастях, или при помощи поворотных камер.
Поворотное кольцо осуществляет управление пневматическим цилиндром под действием вакуума или давления воздуха и в качестве альтернативы, с помощью положения обратной связи двигателя лопастей (датчика положения) их открывает.
Открытый нагнетатель с изменением геометрии находится в определенном положении и поэтому безопасен, то есть в случае отказа управления ни он, ни двигатель не повреждаются. Однако могут возникать потери, но только от производительности и при низких частотах вращения коленчатого вала.

Достоинства, а также недостатки компрессоров винтовых и компрессоров поршневых

Описание и сравнение положительных, отрицательных качеств компрессорного оборудования разной конфигурации по отдельным параметрам
Достоинства и недостатки компрессоров винтовых
В сравнении с компрессорами поршневыми, компрессоры винтовые обладают заметными преимуществами:
1) Компрессоры винтовые имеют низкий уровень шума и вибрации. 2) Компрессоры винтовые отличаются малыми габаритами, весом и могут монтироваться непосредственно в рабочих помещениях, где потребляется воздух. 2) Компрессоры винтовые не требуют специального фундамента. 3) Компрессоры винтовые минимально расходуют масло (2-3 мг/куб. м), в отличие от крупных поршневых компрессоров работают с лубрикаторной смазкой, что позволяет вырабатывать более чистый воздух и как следствие использовать их для питания самого современного пневматического оборудования. 4) Компрессоры винтовые оборудованы автоматической системой управления и контроля работоспособности агрегатов, не нуждаются в наблюдении рабочего персонала, отличаются высокой надежностью, а также способны на длительную бесперебойную работу без обслуживания. 5) Компрессоры винтовые оснащены воздушным охлаждением, которое дает возможность не использовать системы оборотного водоснабжения – именуемые градирнями. Более того, можно вторично использовать выделяемое в результате работы винтовых компрессоров тепло (например, для обогрева помещений). 6) Компрессоры винтовые не нуждаются в персонале для их обслуживания. 7) Компрессоры винтовые потребляют меньше электроэнергии, а следовательно экономичны. 8) Компрессоры винтовые имеют значительно больший (в 2-3 раза) ресурс работы по сравнению с компрессорами поршневыми.
Но конечно же главное достоинство компрессоров винтовых – это их экономичность: исследования компрессорного оборудования показывают, что в рабочем режиме в среднем используется только 50-80% мощности компрессора.

В этих случаях обыкновенный винтовой компрессор функционирует в режиме «нагрузка – холостой ход», а компрессор поршневой выбрасывает избытки произведенного воздуха в атмосферу, другими словами деньги за употребляемую компрессором электроэнергию вылетают «в трубу».

Недостатками винтовых компрессоров являются:
1) Компрессоры винтовые нуждаются в эффективном отделителе масла и маслоохладителе. 2) Компрессоры винтовые неэффективно используют устройство промежуточного всасывания (экономайзера) в момент снижении производительности компрессора винтового на 15—20% от его максимальной мощности. 3) Компрессоры винтовые оснащены сложными устройствами и механизмами, которые позволяют устанавливать степень сжатия компрессора в зависимости от необходимой величины в данный момент.
Достоинства и недостатки компрессоров поршневых
Специалисты акцентируют на том, что компрессоры поршневые по своим характеристикам лучше использовать, чем другие компрессоры в следующих случаях:
1) Когда требуется малая производительность, при которой они превосходят компрессоры винтовые. 2) Когда возможны большие перепады в потреблении сжатого воздуха. Промышленные компрессоры поршневые отлично работают в повторно-кратковременном режиме, обеспечивая экономичность в сравнении с компрессорами винтовыми. 3) Когда компрессор работает в неблагоприятных условиях: использование в установках расфасовки цемента, на складах угля или зерновых мельницах при больших колебаниях температуры, прочее. В подобных условиях компрессоры поршневые обеспечивают более длительный срок службы и нуждаются в меньших затрат на обслуживание. 4) Когда компрессорные установки используются для сжатия агрессивных газов, прочее.
Все вышеизложенное о компрессорной технике можно подытожить следующим образом: в случаях, надобности небольшой (до 200 л/мин.) производительности и высокого (более 20—30 атмосфер) давление, компрессоры поршневые на порядок эффективнее и дешевле в эксплуатации, чем компрессорами других технологий сжатия (исключение – турбокомпрессоры, эффективны при больших потребностях в сжатом воздухе).
Основные недостатки поршневых компрессоров
Частое техобслуживание, нуждающееся в квалифицированном персонале, и немалые затраты энергии. Например, компрессор поршневой с двигателем мощностью 15 кВт обеспечивает расход воздуха, равный расходу компрессора винтового с двигателем мощностью 7,5 кВт.

Интервал времени между сервисным обслуживанием поршневого компрессора не превышает 500-т рабочих часов.

В результате стала обыденной ситуация для промышленных организаций, использующих компрессоры поршневые до нашего времени, когда на один функционирующий поршневой компрессор приходится один запасной или находящийся в ремонте поршневой компрессор.
Также, надо заметить, что для обслуживания поршневого компрессора требуется несколько человек. Другой недостаток поршневых компрессоров заключается в высоком уровне шума и вибрации. По этой причине в промышленных организациях компрессоры производительностью 5 куб. м/мин.
и выше устанавливаются на фундаментах в специально отведенных компрессорных помещениях, с чем связаны лишние затраты на строительство, проведение разветвленных пневматических сетей, в коих теряется и охлаждается сжатый воздух, а это приводит к снижению его давления.