Механический нагнетатель воздуха для автомобиля
Autoservice-ryazan.ru

Автомобильный портал

Механический нагнетатель воздуха для автомобиля

RusTamka098 › Blog › Механический нагнетатель. Устройство и принцип работы

Работа двигателя построена на том, что топливо должно быть замешено с необходимым количеством кислорода. Это обеспечит полное и эффективное сгорание горючей смеси и позволит достичь максимально возможной мощности. Больше сгорит – больше мощность. В данной статье речь пойдет про механические нагнетатели воздуха для автомобиля, их устройство и принцип работы.

Для нормальной работы двигателя пропорции смеси топливо–воздух принимаются приблизительно 1:14,7. Если прибавить к стандартному давлению в одну атмосферу, к примеру, еще одну, то получим в 2 раза больше воздуха, а значит, и кислорода, поступающего в цилиндры. Стало быть, мы должны получить от мотора в 2 раза больше мощности. Двигатель объемом 1,5 л при давлении наддува чуть более атмосферы практически эквивалентен трехлитровому «атмосфернику». Это, конечно, грубая арифметика, но идея именно такова.

🔎 Принцип работы и устройство центробежного нагнетателя

Подобные нагнетатели в тюнинге получили в настоящее время наибольшее распространение. По своей конструкции они наиболее близки к турбонаддуву, поскольку имеют одинаковый принцип нагнетания воздуха. Разняться лишь способы привода. Работа осуществляется следующим образом.

Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя.

Принцип работы центробежного нагнетателя состоит в следующем: воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки, призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму.

Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается. Так создается необходимый подпор для накачки цилиндров «спрессованной атмосферой».

В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40 тысяч об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к цифре 200 тыс. об/мин. И поскольку привод осуществляется от коленвала посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Хотя многим именно этот характерный свист греет душу.

Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления. К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании, хотя нужно отметить, что эта задержка не столь заметна, как у турбонагнетателей.

И еще одно замечание. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.

❗ Центробежные нагнетатели воздуха для автомобиля очень популярны. Сравнительно низкая цена и простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие и стали популярны в тюнинге автомобилей.

🔎 Нагнетатели воздуха типа ROOTS

Компрессоры типа “Рутс” относятся к классу объемных нагнетателей. Конструкция их довольно проста и более всего напоминает масляный шестеренчатый насос двигателя. В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор.

Основное отличие этого метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе. Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием.

Главным минусом такого способа нагнетания является то, что, раз процесс сжатия воздуха осуществляется вовне компрессора, его эффективная работа возможна лишь до определенных значений наддува. Как бы точно ни были выполнены детали компрессора, с ростом давления в нагнетательном трубопроводе увеличивается просачивание воздуха назад, и его КПД ощутимо снижается. Увеличивая скорость вращения роторов, можно несколько снизить утечки воздуха, но это возможно лишь до определенных пределов. Далее мощность, затрачиваемая на вращение самого нагнетателя, может превысить добавочную мощность двигателя.

Еще один существенный недостаток. В компрессорах подобного типа при выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда. То есть, наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления, в рутс-компрессорах происходит дополнительный нагрев. В этой связи подобные нагнетатели в обязательном порядке оснащаются интеркулерами.

Шум от работы объемных компрессоров не столь сильный, как у центробежных, и имеет несколько иную тональность и при этом, в отличие от центробежных, механические нагнетатели типа ROOTS эффективны уже на малых и средних оборотах двигателя. Эта особенность рутс-компрессоров сделала их наиболее пригодными для дрегрейсинга, где ценится прежде всего именно динамика разгона. Другой плюс – относительная простота конструкции.

❗ Малое количество движущихся частей и малые скорости вращения делают эти механические нагнетатели одними из самых надежных и долговечных. Однако сложность в изготовлении и установке, а значит, и высокая цена несколько снизили их рыночную популярность. В России такие нагнетатели в силу дороговизны не столь популярны.

➕ Плюсы и минусы использования механических нагнетателей ➖

Многие считают, что использование нагнетателей воздуха для автомобиля может негативно сказаться на ресурсе двигателя. Это и так, и не так. Как правило, поломку мотора вызывают повышенные обороты. Стало быть, использование нагнетателя, повышающего крутящий момент на низких и средних оборотах, может, наоборот, благоприятно сказаться на ресурсе двигателя. С другой стороны, если добиваться действительно большого роста мощности, многие штатные детали придется заменить на более прочные. Так, например, кованые поршни и шатуны будут совсем нелишними.

При использовании нагнетателей температура оказывает вполне фундаментальное воздействие. Так уж выходит, что сжатие воздуха всегда сопряжено с повышением его температуры. В некоторых компрессорах это повышение не столь существенно, но в любом случае для увеличения воздушного заряда и снижения потери мощности на привод нагнетателя воздух необходимо охлаждать.

Еще более важна другая проблема, о которой мало кто задумывается, – детонация. Дело в том, что высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию, т. е. взрыв.

Дабы избежать подобных проблем, можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т. е. снижать степень сжатия. При использовании нагнетателей рекомендуется изменить настройку по зажиганию. Правильный подбор свечей зажигания также немаловажен. На самом деле при установке наддува вопросов возникает куда больше.

❗ Установка компрессора на серийный двигатель может привести к различным результатам. Даже готовые комплекты от известных фирм не могут предусмотреть всех нюансов вашего автомобиля. В любом случае установка механического наддува требует высокого профессионализма.

Спасибо, что прочитали статью до конца
Удачи на дорогах

Supercharger — механический нагнетатель

Понятие, плюсы и минусы механического нагнетателя Supercharger

Механический наддув – это процесс увеличения давление некой смеси на впуске двигателя для повышения массы горючей смеси в цилиндре для увеличения мощности относительно единицы объема двигателя.

Supercharger (cуперчарджер) также известный как компрессор Рутса — это механический нагнетатель использующий для собственного привода энергию коленчатого вала. Он является основным элементом механического наддува.

Главным функциональным плюсом cуперчарджера является то что он может закачивать воздух на минимальных оборотах, абсолютно без задержки, при этом рост силы наддува строго пропорционален оборотам двигателя.

Главным же минусом cуперчарджера является то что он обирает часть мощности двигателя на собственный привод.

На данный момент механические нагнетатели практически не используются. Их место заменили турбонагнетатели (турбокомпрессоры). За редким исключением их продалжают устанавливают на легковые автомобили, если необходимо сделать разбег по мощности, дабы не изменять конструкции двигателя.

В среднем применение механического нагнетателя обеспечивает увеличение мощности двигателя до 50%, а крутящего момента на 30%. При этом механический нагнетатель отличают существенные потери мощности двигателя из-за затрат энергии на его привод. В разных механических нагнетателях они могут составлять до 30%.

Виды конструкций механического нагнетателя делятся в зависимости от типа привода.

  1. Прямое крепление нагнетателя к фланцу коленчатого вала называют прямым приводом;
  2. Ременной привод – характеризуется различными вида привода при помощи ремней. Делится на:
  3. Зубчатый
    • Клиновой
    • Плоский
  4. Зубчатая передача через цилиндрический редуктор
  5. Цепной привод;
  6. Электрический привод подразумевает под собой использования для привода электродвигателя.

Данный вид привода естественно является наиболее энерго-затратным и требует большей мощности для аккумуляторов, но при этом он не снижает мощности двигателя.

Механический нагнетатель можно условно поделить на такие виды как:

  1. Объемные
    • Кулачковый – Roots, Eaton (Рутс, Итон)
    • Винтовой — Lysholm
  2. Центробежные

Объемные нагнетатели

Объемные нагнетатели получили свое название из-за того что принцип их работы заключается в простой перекачке определенного объема воздуха без сжатия.

Кулачковый нагнетатель

Кулачковый нагнетатель является самым первым и от того самым старым и проверенным типом наддува. Его история развития стартовала 1859 году с работы двух талантливых братьев под фамилией Рутс (Roots). Изначально его использовали как промышленный вентилятор для продувки помещений. Чуть позже он получил широкое применение из-за своей простоты. Две помещенные в общий кожух прямозубые шестерни вращаются в разных направлениях, при этом перекачивая определенный объем воздуха от впускного до выпускного коллектора.

Читать еще:  Как это устроено двигатель

Спустя 90 лет другому американскому ученому Итону пришло в голову, как можно усовершенствовать конструкцию. Прямозубые шестерни заменили на косозубые роторы, и воздух стал перемещаться вдоль, а не поперек как это было раньше. С того времени усовершенствование нагнетателей этого типа идет по пути увеличения количества зубчатых лопаток (косозубых роторов). В первоначальной модели Итона «Eaton» их было две, а теперь сложно встретить меньше четырех. Основными функциональными недостатками нагнетателей типа Рутс является:

  1. Неравномерная пульсационная подача воздуха создающие периодический недостаток давления. Увеличение количества зубчатых-лопастей и изменение формы впускного и выпускного окна компрессора на треугольное, позволяет свести этот недостаток к минимуму. К тому же эти конструктивные решения помогают сделать работу компрессоров Рутса намного тише и равномернее.
  2. Во время выдавливания несжатого воздуха в трубопровод где находиться сжатый воздух, создается турбулентность, которая способствует росту температуры заряда воздуха. Это отрицательно сказывается на производительности ухудшая показатели калорийности топливной смеси из-за менее полного сгорания. Данная проблема коленчатых компрессоров решается установкой инкулера.

Развитие машиностроение позволило полностью оценить плюсы и минусы нагнетателей Рутса и получить из них максимум производительности.

Плюсы компрессоров Рутс:

  1. Компактность
  2. Простота конструкции
  3. Долговечность
  4. Эффективность на малых оборотах
  5. Низкий уровень шума

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель (Lysholm) также как и компрессор «Рутса» относится к объемно-роторным нагнетателям и в своей работе использует те же принципы, но в отличии от своего более раннего коллеги рабочую нагрузку в нем исполняют пара роторов с взаимодополняющими профилями. На английском винтовой нагнетатель называют Lysholm в честь его изобретателя Альфреда Лисхольма, который в 1936 году изготовил и запатентовал на него права.

Принцип работы компрессора Lysholm

  • Начиная встречное взаимное движение, пара роторов захватывает воздух.
  • Вдоль роторов воздух порциями проталкивается вперед попутно сжимаясь.

Следовательно, на выпуске окна компрессора не возникает турбулентности, как у компрессоров «Рутса». Это является главным отличием от роторно-шестеренчатых нагнетателей. Подобная схема работы обеспечивает стабильно высокую эффективность на всех уровнях нагрузки.

Плюсы компрессоров «Лисхольм»:

  1. Высокий КПД (70%)
  2. Надежность
  3. Компактная конструкция
  4. Низкий уровень шума.

Главным и единственным минусом компрессоров «Лисхольм» является очень слона форма роторов, из-за чего их производство является очень затратным и как следствие сам компрессор очень дорогой. Поэтому он не встречается в серийных авто и его производят очень мало компаний.

Центробежный нагнетатель

ентробежный нагнетатель получил на данный момент наиболее широкое применение среди всех механических нагнетателей. Главным образом его, используют в компоновке турбонаддува и реже как самостоятельное устройство наддува. Центробежный нагнетатель аналогичен турбонаддуву в плане нагнетания воздуха. Его основной деталью, как и у турбокомпрессора является крыльчатка. У этой детали весьма сложная в исполнении конусообразная форма и от того насколько правильно она спроектирована и сделана зависит КПД всего нагнетателя.

Принцип действия центробежного нагнетателя:

  1. воздух проходит по воздушному сужающемуся каналу и раскручивает лопасти крыльчатки.
  2. Раскрученные лопасти, ведомые центробежной силой, отбрасывают воздух на периферию кожуха.
  3. Там установлен диффузор, снижающий потери давления. Порой он имеет лопатки с регулируемым углом атаки.
  4. Через диффузор воздух выталкивается в воздушный окружающий туннель (иначе воздухосборник) в форме улитки. Данная форма не случайна. Поток воздуха движется по каналу, который изначально был узким, а под конец стал широким, тем самым меняется скорость и давление воздушной массы на необходимые.

Главный недостаток центробежного компрессора связан с базовым принципом, который приводит его в действие. Для работы ему необходимо огромная скорость вращения крыльчатки. Давление производимое компрессором равно квадрату скорости крыльчатки. Поэтому базовая скорость компрессора начинается от 40 тысяч оборотов за минуту и может достигать 200 тысяч. Понятно что для разгона на такую скорость ремень привода должен работать крайне быстро. Из-за чего от работы этого наддува появляется очень сильный шум и детали подвергаются быстрому износу. Частично проблема шума решается установкой дополнительного мультипликатора, при этом теряя часть КПД механического нагнетателя.

Огромная нагрузка накладывает высокие требования на качество материалов и точность обработки деталей нагнетателя.

К еще одному минусу данного механического нагнетателя можно отнести его инерционное действие, проявляющий себя в отставании срабатывании. На малых оборотах его эффективность ничтожна, но при увеличении оборотов происходит быстрый скачек в мощности. Из-за данной особенности центробежный нагнетатель устанавливают на машины, где требуется высокая мощность и скорость, взамен интенсивности разгона.

Плюсы центробежного нагнетателя:

Низкая цена и простота установки центробежного нагнетателя сделали его очень популярным среди автолюбителей.

Минусы центробежного нагнетателя:

Повышенный износ, шум и эффективность прибавки мощности исключительно на высоких оборотах.

Спиральные компрессоры (нагнетатели)

Леон Креукс в 1905 году подал заявку на патент для создания паровой машины, которая в процессе 10 лет доработки превратилась в компрессор с двумя спиральными витками, восьмью струями вместо четырех, внешней и внутренней камерой расположенными по бокам с разворотом в 180 градусов. Но на тот момент думать о массовом производстве компрессоров было очень рано. Не было материалов способных выдержать рабочую температуру и оборудования для точной обработки деталей. Последнее является решающим фактором, поскольку любая погрешность в изготовлении деталей, качестве или структуре поверхности могла привести к значительной потери КПД, быстрой поломке всего двигателя и нагнетателя в частности. Из-за этого его применение в машиностроении началось гораздо позднее.

Компания «Volkswagen» в середине 80-х годов начала активно экспериментировать с необычными спиральными компрессорами наиболее известными как G-lader устанавливая их на модели «Golf», «Passat», «Polo», «Carrado». Хотя сейчас это направление ею уже свёрнуто, работа инженеров VW в нем никогда не будет забыта. Их наработки продолжает использовать ряд (преимущественно немецких) производителей устанавливая спиральные компрессоры в свои авто.

Преимущества спирального компрессора:

  1. Высокий КПД -76%
  2. Хорошие уплотнения и как следствие хорошая отдача на малых оборотах.
  3. Низки уровень шума

Поршневые компрессоры

Одна из самых распространённых схем среди обычных воздушных компрессоров является поршневые компрессоры (нагнетатели). На данный момент они совершенно не используются в автомобиле строении, в отличие от судоходства, где устанавливаются почти на все крупные судна. Основным действующим элементом поршневого компрессора как это ни странно звучит, является поршень. При движении в нижнюю мертвую точку (НМТ) он выталкивает весь находящейся под ним сжатый воздух.

Шиберные (лопастные) компрессоры (нагнетатели также известные как ротационно пластинчатые компрессоры)

Говоря о незаслуженно забытых видах компрессорах, стоит обязательно упомянуть шиберные (лопастные) компрессоры – прекрасные в своей простоте конструкции и принципе действия апараты.
Устройство лопастного компрессора

В корпусе компрессора находится ротор чей размер составляет ¾ от внутреннего размера корпуса. Он смещен в одну из сторон относительно середины пары отверстий растянутых по всей длине цилиндра. На роторе нанесены несколько продольных канавок, в которые помещены лопатки. При вращении ротора воздух сначала засасывается в одну из долей (промежуток между лопатками), в момент когда лопасти выдвигаются повинуясь центробежной силе, а затем сжимаются по пути подхода к выпускному отвествию.

Плюсы лопастного компрессора (нагнетателя)

Качественно изготовленные лопастные компрессоры могут создавать весьма и весьма большое давление. Если сравнивать их с теме же компрессорами Рутс у них на 50% больше мощности, меньше шумность, выше КПД, меньше потери воздуха и его температура. К тому же они меньше отбирают мощности двигателя.

Минусы лопастного компрессора

Из-за свой конструкции лопастной компрессор имеет огромную фрикционную нагрузку между корпусом и шиберами (лопастями). Со временем эксплуатации нагнетателя, увеличивался износ и потери воздуха, КПД существенно уменьшалось. Из-за этого лопастные компрессоры приходилось делали габаритными и низкооборотными. Что являлось недопустимо для развития машиностроения. О них стали отказывается и по не многу забывать. По пришествию долгих лет металлообрабатывающая отрасль шагнула далеко вперед. Появились новые материалы и технологии высоко-точной обработки, конструкторы стали задумывается о применении старых технических решений, которые ранее не нашли применения в жизни. Возможно, в скором будущем лопастные компрессоры вернутся в массовое производство.

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

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.

Схема работа механического наддува

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.

Читать еще:  Как завести двигатель после долгого простоя

Типы привода механического наддува

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.

Виды механических компрессоров

Каждый тип привода наддува имеет свои эксплуатационные особенности. Всего различают три вида механических нагнетателей:

  • Центробежный нагнетатель. Самый распространенный вид механических нагнетателей. Основной рабочий элемент системы — колесо (крыльчатка), которое имеет сходную конструкцию с компрессорным колесом турбины. Оно вращается со скоростью порядка 60 000 оборотов в минуту. При этом воздух всасывается в центральную часть компрессорного колеса в режиме высокой скорости и малого давления. Пройдя через лопасти нагнетателя, воздух подается во впускной коллектор, но уже в режиме низкой скорости и высокого давления. Этот вид нагнетателя используется в комплексе с турбокомпрессорами для устранения турбоямы.
  • Винтовой нагнетатель. Представляет собой систему из двух вращающихся шнеков (винтов) конической формы. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит по камерам компрессора и, благодаря вращению, сжимается и нагнетается в патрубок впускного коллектора. Такие системы применяются в основном на спортивных и дорогостоящих автомобилях, поскольку достаточно сложны в изготовлении. Их преимущество — высокая эффективность работы.
  • Кулачковый нагнетатель (roots). Один из первых видов механических нагнетателей. Конструктивно он представляет собой два ротора со сложным профилем сечения. Оси вращения роторов соединяются двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, в результате чего происходит его нагнетание во впускной трубопровод. Недостатком этой системы является образование избыточного давления, что провоцирует сбои в работе наддува. Для устранения этого явления в конструкции кулачкового нагнетателя предусматриваются либо муфта с электрическим приводом (управление с отключением нагнетателя), либо перепускной клапан (без отключения нагнетателя).

Винтовой нагнетатель

Механические нагнетатели довольно часто применяются на автомобилях марок Cadillac, Audi, Mercedes-Benz а также Toyota. При этом кулачковые и винтовые компрессоры устанавливаются преимущественно на мощных спортивных автомобилях с бензиновыми двигателями, а центробежные входят в систему двойного турбонаддува для дизельных моторов.

Преимущества и недостатки схемы с механическим нагнетателем

В сравнении с турбонагнетателем механическая система наддува приводится в движение не отработавшими газами двигателя, а за счет вращения коленчатого вала. Это означает, что, с одной стороны, мощность мотора увеличивается, а с другой — возникает дополнительная нагрузка, отбирающая, в зависимости от вида компрессора, до 30% производительности двигателя. Также минусом системы является высокий уровень шума, который создает привод системы.

Использование механического наддува на повышенных оборотах провоцирует более быстрый износ деталей двигателя, а потому они должны быть изготовлены из материалов повышенной прочности.
Основным достоинством механического привода является низкая стоимость изготовления (в сравнении с турбонаддувом), простота монтажа, а также мгновенный отклик системы на повышение оборотов двигателя. Так системы с винтовыми и кулачковыми компрессорами обеспечивают высокую динамику разгона, а центробежные нагнетатели стабильную работу двигателя на высоких скоростях.

Помимо привода от коленчатого вала двигателя, механический наддув может работать за счет отдельного электродвигателя. В этом случае потери мощности мотора удается избежать.

Приводные нагнетатели

«Мото» начинает цикл материалов о наддувных силовых агрегатах. И если с первого взгляда их количество ничтожно мало, то это только с первого. Со второго становится понятно, что мы уже одной ногой в плотном мирке моторов с принудительным кормлением.

000_MOTO_1110_072

Идея увеличить мощность мотора, затолкав в него дополнительную порцию воздуха и топлива, стара как мир. И достичь этого можно, если создать на пуске давление больше атмосферного. Именно для этого и применяют нагнетатели. Их множество моделей, но в «Мото» №№ 8 и 9 (Horex и я со своей бешеной «голдой») мы говорили о центробежных. Если кратко, это высокоскоростные вентиляторы, а если образно — «пацанские пылесосы».

Сама идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения самого ДВС. Уже в 1885 году Готтлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетатель. Идея заключалась в том, что некий внешний вентилятор, насос или компрессор нагнетает в двигатель увеличенный заряд воздуха. В 1902 году во Франции Луи Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Но после выпуска нескольких автомобилей, все работы в этом направлении свернули — несовершенство технологий и материалов вываливало на чаши весов больше «против», чем «за». Аббревиатура ПЦН (приводной центробежный нагнетатель) укоренилась в обиходе мотористов в 30-е годы ХХ века — правда, только в авиации. Внедрение ПЦН позволило убить сразу двух зайцев: повысить удельную мощность и снизить падение мощности на больших высотах. (С ростом высоты плотность воздуха падает, соответственно, в движок его попадает меньше, и для сохранения мощности приходится загонять окислитель силком.) Все нагнетатели, устанавливаемые на двигатели внутреннего сгорания, по принципу работы можно разделить на две основные группы: центробежные и объемные. А по типу привода — на приводные (с приводом от коленвала) и газотурбинные (использующие энергию отработавших газов).

Что же такое ПЦН? Давайте окунемся в детство и вспомним юлу. Что будет, если на раскрученную юлу сверху плеснуть воды? Правильно, вода разбрызгается по сторонам под действием сил инерции (центробежной силы), а юла останется почти сухой. Так и в центробежном нагнетателе роль юлы выполняет крыльчатка, а роль воды — молекулы воздуха. Думаю, в детстве каждый заглядывал внутрь пылесоса и видел за решеткой отсека пылесборника странный диск с лопастями и гаечкой посередине. Это и есть простейший центробежный нагнетатель, только работает он на отсос, а не создание избыточного давления. А что будет, если подсоединить шланг к пылесосу, но с той стороны, откуда он выдувает воздух? А если его еще и внедрить во впуск двигателя…

Крыльчатка настоящего ЦН имеет довольно сложную конусообразную форму, а лопатки — сложный профиль и изгиб. От их геометрии зависит производительность и эффективность всего нагнетателя. (Скажем, чем больше диаметр крыльчатки, тем большее давление она может дать на тех же оборотах, но в то же время кушает больше мощности; или при увеличении количества лопастей растет давление, но падает производительность.) Воздух, пройдя по воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти отбрасывают его к периферии кожуха через тонкую щель. Там воздух тормозится в улиткообразном диффузоре, его скорость падает, а давление растет.

Фактически ПЦН — половинка уже привычного в мире авто турбокомпрессора, только вместо «горячей» (турбинной) части — механический привод от коленвала. В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Соответственно, отсюда и основной недостаток центробежников: узкий рабочий диапазон. Но этот теоретический минус на практике оборачивается плюсом. Ведь если нагнетатель будет все время насильно пичкать мотор воздухом, то это приведет к росту тяги во всем диапазоне оборотов, и совладать с таким «фруктом» на низах будет тяжело. Другое дело, если избыток давления во впуске начинает зарождаться на средних оборотах и достигает пика на высоких, когда наполнение цилиндров ухудшается за счет потерь на трение о впускной тракт воздушно-топливной смеси (этим обуславливается заваленный вниз хвостик кривой крутящего момента в области высоких оборотов на многих дино-графиках). Центробежник здорово «наддувает» именно верхи, помогая смеси поступать в цилиндры в должном объеме. Именно поэтому отпадает необходимость отключать нагнетатель на малых оборотах, как это приходится делать с объемными компрессорами.

Все про механический нагнетатель воздуха

С разработкой ДВС (двигателя внутреннего сгорания) возникла проблема повышения его мощности. Первый вариант — увеличение количества цилиндров. Но этот подход рождает проблемы, связанные с увеличением размеров и веса мотора. Второй вариант более перспективный. Это установка нагнетателя (наддува), позволяющего подать дополнительный объем воздуха.

Со временем были созданы различные варианты такого оборудования:

  1. механический наддув, работающий от коленвала;
  2. турбонаддув, работающий за счет выхлопных газов;
  3. электрический нагнетатель;
  4. Сomprex, работающий от выхлопных газов;
  5. комбинированный, совмещающий элементы механического и турбо.

Механический нагнетатель воздуха (он же компрессор, compressor, Supercharger) увеличивает мощность на 50%. Он берет воздух с воздушного патрубка, после сжатия переправляет в коллектор.

Устройство нагнетателя

Для работы мотора в машине нужна ТВС (топливо-воздушная смесь), соотношение элементов зависит от нагрузки, режима работы. Без дополнительного оборудования ТВС подается за счет разряжения при впуске и полностью зависит от объема цилиндров. Объем можно увеличить, если создать дополнительное давление. В результате сгорит больше ТВС, мощность увеличится. Подобный подход экономит топливо, так как требуемую мощность можно получить при небольшом объеме цилиндров.

Механический наддув состоит из:

  1. компрессора;
  2. воздушного фильтра;
  3. интеркулера (охладителя);
  4. двух заслонок (дроссельной, трубопроводной);
  5. двух датчиков (температуры, давления).

Схема работы механического нагнетателя

Механический нагнетатель связан с коленвалом, поэтому работа начинается одновременно с запуском мотора, объем подаваемого на двигатель воздуха пропорционален оборотам, что является основным преимуществом этого оборудования. Минусом считается потеря мощности двигателя.

Принцип действия

Механическим нагнетателем для автомобиля управляет заслонка на дросселе. Если обороты высокие, она открывается при закрытой заслонке на трубопроводе. Воздух свободно перемещается в коллектор. При низких оборотах заслонка дросселя тоже открыта, но под углом. Заслонка трубопровода при этом открывается полностью, возвращая часть воздуха обратно в компрессор. Функция интеркулера — снизить температуру воздуха на 10 градусов с целью повысить степень сжатия.

Крутящий момент от коленвала на компрессор передается через:

  • прямой привод (если нагнетатель установлен на фланец вала);
  • ремень (плоский, с зубьями или клиньями);
  • цепь;
  • шестеренчатую передачу.

Недостаток ремней — вероятность проскальзывания, короткий срок службы. При использовании шестерни увеличиваются размеры оборудования, создается дополнительный шум.

Классификация

Разработано несколько систем, обеспечивающих механический наддув. Они отличаются по конструкции, методу нагнетания, эксплуатационным особенностям.

Roots (роторный, кулачковый нагнетатель)
Это оборудование не совсем является компрессором, а скорее объемным нагнетателем. Сначала это были две шестерни, соединяющие оси двух роторов, вмонтированные в корпус. Поток воздуха создавался благодаря вращению роторов, оснащенных лопатками со сложной конструкцией. Нагнетание воз

духа в трубопровод создавалось во время его перемещения между кулачками и корпусом.

Плюсы роторной конструкции:

  • начало активной работы на низких оборотах;
  • отсутствие потери эффективности во время работы;
  • надежность, простота, компактные размеры конструкции;
  • бесшумность;
  • длительный срок эксплуатации.

Машины с роторным наддувом в почете у гонщиков-спортсменов.

Основные недостатки этого типа оборудования:

  • подача воздуха неравномерная, пульсирующая;
  • на высоких оборотах (большой скорости вращения роторов) создается большой поток, излишки которого, возвращаются в нагнетатель. В результате Рутс выдает меньше энергии чем потребляет, снижается КПД системы.

На средних оборотах поток воздуха тоже пульсирует, что вызывает чрезмерный перегрев. В более современные системы монтируется перепускной клапан или муфта с электроприводом для отключения агрегата.

Центробежный нагнетатель

Этот самый распространенный вид механического наддува. Такое оборудование устанавливается отдельно (как компрессор) или вместе с турбонагнетателем.

Главная деталь такой конструкции крыльчатка, похожая на колесо турбины, вращающаяся со скоростью до 60 000 об/мин. Воздух под небольшим давлением но на большой скорости поступает на крыльчатку. Лопатки колеса бросают захваченный поток на корпус. При перемещении по корпусу-улитке приобретается нужный уровень давления. В коллектор, поток перемещается уже на небольшой скорости, но под высоким давлением.

К плюсам можно отнести:

  • простоту;
  • небольшой вес;
  • сравнительно низкую стоимость.

Благодаря этим свойствам центробежные нагнетатели часто используют для тюнинга.

Важно знать и недостатки:

  • начало работы только после достижения определенного количества оборотов;
  • для повышения эффективности требуется высокая скорость вращения колеса.

Недостатками предопределена необходимость в создании требуемых условий, проблемами при смазке подшипников.

Винтовой нагнетатель (спиральный компрессор Lysholm)

Внешний вид напоминает Roots, но конструкция другая. Внутри корпуса два ротора, похожие на сверла, с формой заостренной елочки. Именно из-за особенностей конструкции система называется винтовой (спиральной). Воздух после поступления в корпус не просто перекачивается, а сжимается. А это значит, что при больших оборотах он не будет возвращаться обратно в компресор и не будет потери мощности. Результат — сравнительно высокий, стабильный КПД, который считается главным преимуществом. Благодаря этому, таким наддувом комплектуются машины класса элит, спорткары.

Недостатки спиральной конструкции:

  • сложность, высокая стоимость проектирования, производства;
  • все тоже потребление мощности мотора.

Короткий видео-урок по принципу работы винтового компрессора

Комбинированная (двухступенчатая) система наддува состоит из двух компрессоров. Один из них приводной, механический, его предназначение — обеспечить работу двигателя на малых оборотах. Второй элемент чаще всего турбо, утилизирующий выхлопные газы. При достижении определенного уровня оборотов механический нагнетатель выключается и в работу вступает турбина, работающая от выхлопных газов.

Преимущества и недостатки механических нагнетателей

Пришло время обобщить все преимущества и недостатки.

Основные плюсы:

  1. Система этого типа не дорогая, легко устанавливается, обеспечивает хорошую работу на небольших оборотах, мгновенно реагирует на манипуляции с педалью газа.
  2. Винтовые нагнетатели лучше всего функционируют на разгоне, центробежные на высоких скоростях.
  3. Потери мощности практически нет, если система подключается к отдельному электроприводу.

Основные минусы:

  1. Механический наддув осуществляется за счет вращательного момента коленвала. Если сравнивать с турбонаддувом, то мощность меньше, расход топлива больше, отбирается примерно 30% производительности мотора.
  2. Привод создает определенный уровень шума. Если механическая система используется на высоких скоростях, детали изнашиваются очень быстро.
  3. При установке на карбюраторный или инжекторный двигатель требуется дополнительная подготовка. Необходимо учесть изменения давления, то есть, заменить часть «железа», прошивку ЭБУ. Все работы нужно выполнить одновременно, чтобы предотвратить снижение мощности двигателя.

Важно правильно подобрать нагнетатель, учитывая устройство, принцип работы, соответствие:

    • по производительности;
    • размерам, весу;
    • режимам функционирования;
    • типу привода;
    • особенностям смазки.

На практике чаще всего приобретаются новые или б/у комплекты механических нагнетателей воздуха, рассчитанные на конкретную модель авто. Они продаются вместе с инструкцией, приводом, трубопроводом для воздуха, ремнями, крепежом.

При самостоятельном подборе важно знать классификацию, особенности эксплуатации. Необходимо учесть, что при сжигании большего объема топлива будет выделяться дополнительное количество тепла. Перед установкой дорабатывается топливоподача, система охлаждения, конструкция цилиндров с учетом увеличения КПД. Чаще всего меняется бензонасос, форсунки.

По этим причинам лучше всего доверить эту работу специалистам. Важно понимать, что с целью избежания детонации в будущем придется использовать высокооктановое топливо.

Приводные нагнетатели

«Мото» начинает цикл материалов о наддувных силовых агрегатах. И если с первого взгляда их количество ничтожно мало, то это только с первого. Со второго становится понятно, что мы уже одной ногой в плотном мирке моторов с принудительным кормлением.

000_MOTO_1110_072

Идея увеличить мощность мотора, затолкав в него дополнительную порцию воздуха и топлива, стара как мир. И достичь этого можно, если создать на пуске давление больше атмосферного. Именно для этого и применяют нагнетатели. Их множество моделей, но в «Мото» №№ 8 и 9 (Horex и я со своей бешеной «голдой») мы говорили о центробежных. Если кратко, это высокоскоростные вентиляторы, а если образно — «пацанские пылесосы».

Сама идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения самого ДВС. Уже в 1885 году Готтлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетатель. Идея заключалась в том, что некий внешний вентилятор, насос или компрессор нагнетает в двигатель увеличенный заряд воздуха. В 1902 году во Франции Луи Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Но после выпуска нескольких автомобилей, все работы в этом направлении свернули — несовершенство технологий и материалов вываливало на чаши весов больше «против», чем «за». Аббревиатура ПЦН (приводной центробежный нагнетатель) укоренилась в обиходе мотористов в 30-е годы ХХ века — правда, только в авиации. Внедрение ПЦН позволило убить сразу двух зайцев: повысить удельную мощность и снизить падение мощности на больших высотах. (С ростом высоты плотность воздуха падает, соответственно, в движок его попадает меньше, и для сохранения мощности приходится загонять окислитель силком.) Все нагнетатели, устанавливаемые на двигатели внутреннего сгорания, по принципу работы можно разделить на две основные группы: центробежные и объемные. А по типу привода — на приводные (с приводом от коленвала) и газотурбинные (использующие энергию отработавших газов).

Что же такое ПЦН? Давайте окунемся в детство и вспомним юлу. Что будет, если на раскрученную юлу сверху плеснуть воды? Правильно, вода разбрызгается по сторонам под действием сил инерции (центробежной силы), а юла останется почти сухой. Так и в центробежном нагнетателе роль юлы выполняет крыльчатка, а роль воды — молекулы воздуха. Думаю, в детстве каждый заглядывал внутрь пылесоса и видел за решеткой отсека пылесборника странный диск с лопастями и гаечкой посередине. Это и есть простейший центробежный нагнетатель, только работает он на отсос, а не создание избыточного давления. А что будет, если подсоединить шланг к пылесосу, но с той стороны, откуда он выдувает воздух? А если его еще и внедрить во впуск двигателя…

Крыльчатка настоящего ЦН имеет довольно сложную конусообразную форму, а лопатки — сложный профиль и изгиб. От их геометрии зависит производительность и эффективность всего нагнетателя. (Скажем, чем больше диаметр крыльчатки, тем большее давление она может дать на тех же оборотах, но в то же время кушает больше мощности; или при увеличении количества лопастей растет давление, но падает производительность.) Воздух, пройдя по воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти отбрасывают его к периферии кожуха через тонкую щель. Там воздух тормозится в улиткообразном диффузоре, его скорость падает, а давление растет.

Фактически ПЦН — половинка уже привычного в мире авто турбокомпрессора, только вместо «горячей» (турбинной) части — механический привод от коленвала. В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Соответственно, отсюда и основной недостаток центробежников: узкий рабочий диапазон. Но этот теоретический минус на практике оборачивается плюсом. Ведь если нагнетатель будет все время насильно пичкать мотор воздухом, то это приведет к росту тяги во всем диапазоне оборотов, и совладать с таким «фруктом» на низах будет тяжело. Другое дело, если избыток давления во впуске начинает зарождаться на средних оборотах и достигает пика на высоких, когда наполнение цилиндров ухудшается за счет потерь на трение о впускной тракт воздушно-топливной смеси (этим обуславливается заваленный вниз хвостик кривой крутящего момента в области высоких оборотов на многих дино-графиках). Центробежник здорово «наддувает» именно верхи, помогая смеси поступать в цилиндры в должном объеме. Именно поэтому отпадает необходимость отключать нагнетатель на малых оборотах, как это приходится делать с объемными компрессорами.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector