Механічний компресор на двигун автомобіля: плюси та мінуси

18.05.2022

Реклама наших партнерів

Після появи перших ДВЗ головним завданням конструкторів та інженерів із самого початку стало підвищення продуктивності силової установки. Іншими словами, основною метою є збільшення потужності двигуна. Як відомо, найпростішим способом стає рішення фізично збільшити робочий об'єм двигуна та кількість циліндрів. Двигун "засмоктує" з атмосфери більше повітря, в результаті можна спалювати більше пального.

При цьому такі силові агрегати зі збільшеним робочим об'ємом великі за розмірами та вагою, їх дорого виробляти, не завжди вдається розмістити такий мотор у просторі підкапотному компактного легкового спортивного авто і т.д. Ще одним способом збільшення потужності двигуна є будівництво такого агрегату, який «видаватиме» необхідну потужність і крутний момент без збільшення об'єму камери згоряння.

Вирішити задачу дозволяє примусове нагнітання повітря в циліндри під тиском. Для нагнітання повітря на багатьох ДВЗ використовується турбонаддув, ще одним рішенням є компресор (механічний нагнітач). У цій статті ми розглянемо, як влаштований та працює автомобільний компресор на двигун, а також які плюси та мінуси має компресорний двигун.

Компресор на атмосферний двигун

Почнемо з того, що встановлення компресора (нагнітача) у впускній системі двигуна дозволяє досягти подачі потрібної кількості повітря для спалювання більшої кількості палива. Якщо просто, компресор-пристрій, який здатний створити на виході тиск, який буде більше атмосферного.

З цим завданням справляються як звичайні механічні нагнітачі, і турбокомпресор. При цьому головною відмінністю турбонагнітач від компресора є те, що турбокомпресор розкручується за рахунок вихлопних газів, у той час як механічний компресор наводиться від колінвала двигуна.

Як за рахунок компресора відбувається збільшення потужності двигуна

Атмосферний двигун внутрішнього згоряння здійснює забір повітря зовні в той момент, коли поршень у циліндрі рухається вниз і створюється розрідження, внаслідок чого повітря засмоктується в камеру згоряння. Кількість повітря, що надходить, фізично обмежена робочим об'ємом, який має циліндр і камеру згоряння. Після цього повітря змішується з паливом у певних пропорціях, після чого заряд (паливно-повітряна суміш) згоряє в циліндрах.

Здавалося б, щоб збільшити потужність двигуна, потрібно подати більше палива, проте насправді це не так. Якщо просто, надлишок палива призведе до того, що без відповідної кількості повітря пальне не ефективно згорятиме. Виходить, щоб спалити більше палива, потрібно одночасно подати більшу кількість повітря.

Якщо врахувати, що об'єм двигуна не змінюється, повітря потрібно подавати примусово під тиском. Це головне завдання компресора. Компресори утворюють тиск у впуску, нагнітаючи повітря в циліндри. В цьому випадку залишається тільки впорскувати більше палива, після чого така суміш ефективно горить і віддає енергію поршню. На практиці, нагнітач здатний підняти потужність двигуна на 35-45%, відзначається близько 30% відсотків приросту крутного моменту в порівнянні з таким же атмосферним аналогом.

Механічний нагнітач: будова компресора на двигун автомобіля та принцип роботи

Як було зазначено вище, механічні компресори приводять у дію від колінчастого валу. Найчастіше для цього використовується приводний ремінь. Щодо компресора, в його основі лежить ротор, який створює тиск повітря.

При цьому компресор повинен обертатися швидше за колінвал ДВЗ. Для цього провідна шестерня виготовляється більшою за розміром ніж шестерні компресора. Компресор обертається з частотою близько 50 тис. об/хв., піднімаючи тиск PSI з 6 до 9 дюймів на квадратний дюйм. Враховуючи те, що атмосферний тиск становить близько 14.7 фунтів на квадратний дюйм, компресор збільшує подачу повітря фактично в половину.

Додамо, що повітря, яке нагнітається під тиском, сильно стискається і нагрівається, втрачаючи свою щільність. Простими словами, що менше щільність, тим менше повітря вдасться подати в циліндри. Щоб збільшити кількість повітря, його додатково слід охолодити перед подачею у впуск.

За охолодження відповідає інтеркулер, який буває повітряним та рідинним. Інтеркулери є радіатором, куди потрапляє гаряче стиснене повітря після виходу з компресора для охолодження.

Види механічних компресорів

Механічні компресори, що встановлюються на двигун внутрішнього згоряння:

роторний компресор,
двогвинтовий нагнітач;
відцентровий компресор.

Основні відмінності у тому, як реалізована подача повітря. Компресор роторний та двогвинтовий мають у своїй будові різні типи кулачкових валів. Відцентровий нагнітач обладнаний крильчаткою, яка затягує повітря усередину. Також зазначимо, що залежно від розмірів та типу нагнітача безпосередньо залежить його ефективність.

Наприклад, роторні компресори мають великі розміри і ставляться зверху на двигун. В основі лежить великий ротор. При цьому дане рішення відрізняється меншою ефективністю, ніж аналоги, тому що вага автомобіля сильно збільшується і створюється переривчастий потік повітря зі сплесками, а не постійний і стабільний.
Двогвинтовий компресор працює за принципом проштовхування повітря через пару менших за розміром роторів, схожих на черв'ячну передачу. В результаті роботи повітря потрапляє у порожнини між лопатями роторів. Потім повітря стискається усередині корпусу роторів.

Ефективність такого рішення вища, проте вартість нагнітача вища, конструкція складніша і менш ремонтопридатна. Також двогвинтовий компресор шумний, необхідно глушити характерний свист повітря, що виходить під тиском, за допомогою додаткових рішень.

Якщо розглядати відцентровий компресор, це рішення відрізняється від аналогів наявністю крильчатки, яка схожа на ротор. Крильчатка розкручується, подаючи повітря в корпус компресора. При цьому за крильчаткою повітря рухається з високою швидкістю, але ще перебуває під низьким тиском.

Щоб підняти тиск, повітря проходить через дифузор. Зазначений дифузор є лопатками, розташованими навколо крильчатки. В результаті потік повітря після проходження через дифузор починає рухатися з малою швидкістю, але вже під високим тиском. Такий компресор найефективніший, найлегший і невеликий за розмірами. Їх можна встановити перед двигуном, а не на двигуні зверху.

Переваги та недоліки компресора на двигун

Отже, почнемо із очевидних плюсів. Насамперед, це збільшення потужності двигуна. Також слід виділити відносну простоту та дешевизну монтажу з мінімальними переробками впускної системи в порівнянні з установкою турбонаддуву. Ще слід виділити відсутність турбоями завдяки прямому зв'язку механічного нагнітача з колінвалом.

При цьому компресори, залежно від типу, можуть демонструвати різну ефективність. Одні дають відчутний приріст потужності на «низах» (колінвал обертається з невеликою частотою), тоді як інші збільшують потужність на середніх та високих оборотах. Як правило, роторний компресор і двогвинтовий розрахований на низькі обороти, відцентрові компресори добре працюють на високих.

Ще наявність компресора в рамках подальшої експлуатації не передбачає будь-яких додаткових вимог та складнощів. Компресорний двигун можна відразу глушити (на моторах з турбонаддувом потрібно почекати час для остигання турбіни), знижено вимоги до якості моторного масла і т.д.

Тепер перейдемо до недоліків компресорів. Головним мінусом прийнято вважати відбір потужності у двигуна, тому що компресор приводиться від колінвалу. Насправді компресор забирає до 20% потужності двигуна. Виходить, загальна надбавка до 50% насправді є фактичним збільшенням потужності на 25-30%.

Також установка компресора означає, що двигун починає відчувати вищі навантаження. Такий двигун повинен бути виготовлений з використанням розрахованих на такі збільшені навантаження частин, що дозволяє реалізувати необхідний запас міцності.

В результаті виготовлення такого ДВЗ виходить більш витратним, автомобіль з компресором коштує спочатку дорожче за атмосферні версії. Ще потрібно враховувати, що компресор також потребує обслуговування, що збільшує загальні витрати на утримання ТЗ.

Підведемо підсумки

Як видно, механічні нагнітачі є одним з доступних і економічно обґрунтованих способів збільшення потужності атмосферного мотора. Як правило, це рішення залишається затребуваним у різних видах автоспорту, при створенні унікальних проектів, під час будівництва ексклюзивних спортивних авто тощо.

Виробники компресорів часто пропонують готові "кити" під ключ, що дозволяє швидко встановити компресор на конкретну модель автомобіля з мінімальними доробками. Для любителів тюнінгу та форсування двигуна таке рішення у багатьох випадках більш виправдане порівняно з установкою турбонаддуву на атмосферний мотор.

Насамкінець зазначимо, що також можна зустріти мотори, на яких одночасно встановлена турбіна та компресор. Хоча практична реалізація досить складна в технічному плані, такий підхід дозволяє досягти максимальної віддачі від пристроїв з урахуванням різних режимів роботи ДВЗ і позбавити двигун властивих даним технологіям недоліків, взятих окремо.

Наприклад, успішно реалізована зв'язка компресор + турбіна цілком здатна змусити двигун працювати таким чином, коли компресор забезпечує потрібну тягу на низах, прибираючи турболог (турбояму), потім після розкручування двигуна підключається турбіна. Практичною реалізацією такої схеми є двигун Volkswagen 1.4 TSI.