Поршневой компрессор широко известен в различных видах производства как машина, создающая высокое давление воздуха или какого-то газа. Они применяются, например, для привода пневматического инструмента, для обеспечения подачи газа по трубопроводам и т.д. Компрессоры такого назначения могут создавать чрезвычайно высокие давления, для чего их делают многоступенчатыми. Они могут обеспечивать большие расходы подаваемого газа при сравнительно низких перепадах давления, для чего их выполняют с большими рабочими объёмами. На рис. 1. показана принципиальная схема такого компрессора. В корпусе 1 размещается поршень 2, имеющий связь с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное.
В данном случае таким механизмом является шатунно-кривошипный механизм, связанный с приводом 3 компрессора. Этот привод при наддуве обычно осуществляется от коленчатого вала двигателя. В головке компрессора размещены впускной 4 и выпускной (нагнетательный) 5 клапаны. Обычно они являются автоматическими клапанами, т.е. открываются и закрываются благодаря перепаду давления на них. Но могут и иметь привод, аналогичный приводу клапанов в ДВС. Воздух поступает в компрессор через фильтр 6, а после повышения его давления в компрессоре нагнетается в ресивер 7, откуда подаётся в ДВС. Таким образом, на каждые два такта работы компрессора или один поворот его вала происходит всасывание воздуха и его нагнетание в ресивер.
На рис. 2 приведена P-V - диаграмма поршневого компрессора. На диаграмме видно влияние вредного пространства и давления на выходе Р2 на объём наполнения, на объём всасывания Vh компрессора.
Вследствие расширения заключённого во вредном пространстве количества воздуха в период наполнения цилиндра объём всасывания уменьшается тем сильнее, чем больше вредное пространство и чем выше давление на выходе Р2. Здесь же приведены характеристики постоянных частот вращения при изменении степени повышения давления и расхода компрессора (Б). В связи с тем, что у четырёхтактных двигателей рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, передача между коленчатым валом и валом компрессора обычно делается понижающей (два оборота вала двигателя на один оборот вала компрессора). А раз такой компрессор является низкооборотной машиной, то его габариты соответственно оказываются повышенными.Такой компрессор по своим характеристикам не очень хорошо согласуется с потребными характеристиками дизеля при его работе в широком диапазоне изменения режимов. (P.S. В дальнейшем характеристики дизеля (или вообще ДВС) по потребному расходу воздуха будем называть гидравлическими характеристиками двигателя).
По сравнению с другими типами компрессоров поршневые имеют высокие КПД. Производительность этих компрессоров мало изменяется в соответствии с режимами работы. Компрессор подвержен существенному нагреву, что снижает производительность по сжатому воздуху. В то же время его характеристики (рис. 3) на данном режиме могут прекрасно согласовываться с гидравлическими характеристиками двигателя.
Переходные процессы компрессора чрезвычайно кратковременны. Он практически мгновенно реагирует на изменение режима двигателя. Такой компрессор обычно размещается в блоке самого двигателя, имея привод от его коленчатого вала.По оси абсцисс отложены частоты вращения вала компрессора, по оси ординат - степень повышения давления в компрессоре, т. е. отношение давления на выходе из компрессора (Р2) к давлению на входе (Р1). В указанных координатах показаны кривые постоянных расходов (G) (постоянной производительности компрессора), кривые постоянного КПД (j), а также абсолютного манометрического давления (М).
Анализируя вид характеристик, можем отметить, что достаточно высокий КПД у такого компрессора достигается лишь при высокой степени повышения давления (Р2/Р1). При данной степени повышения давления максимальный КПД достигается при сравнительно низких частотах вращения (п/4). Видно, что при постоянстве производительности компрессора (G=Const) для повышения давления на выходе Р2 необходимо несколько повышать частоту вращения вала (п). В то же время при практически постоянном манометрическом давлении (М) повышение производительности (G) достигается увеличением частоты вращения вала компрессора (п). Повышение Р2/Р1 достигается при постоянной частоте вращения путём дросселирования воздуха на выпуске, а следовательно, путём снижения расхода (G).
Очевидно, что использование поршневого компрессора подразумевает только механический его привод от вала двигателя. Известно, что в этом случае изменение эффективной мощности двигателя при наддуве зависит от изменения его индикаторной мощности, мощности механических потерь, а также мощности, необходимой для привода компрессора.
Мощность компрессора при его механическом приводе непрерывно растёт с ростом давления наддува.
При определённом значении давления наддува мощность привода компрессора повышается настолько, что дальнейшее повышение наддува происходит при одновременном снижении эффективной мощности двигателя. При частичных нагрузках необходимо снижать давление наддува. Однако приводной компрессор при одной и той же частоте вращения на всех нагрузках потребляет одинаковую мощность. Чтобы её уменьшить, можно, например, перепускать часть воздуха на всасывание компрессора. Однако полностью реализовать преимущества уменьшения расхода воздуха на частичном режиме всё же не удаётся. Поэтому рациональное давление наддува в этом случае не превышает 0,15 - 0,16 Мпа.
