Вам могут быть интересны темы:
Механический нагнетатель является одной из вариаций системы наддува воздуха, с целью увеличить мощность мотора. Главная задача эксплуатации такого решения заключается в создании значительно увеличенного давления, превышающего показатель атмосферного давления внутри впускного коллектора.
Устройства такого плана называют механическими по тому, что привод от коленчатого вала двигателя. Этим они отличаются от других систем нагнетания воздушной массы в цилиндры.
Устройство по принципу работы схоже с турбокомпрессором. Он аналогично турбинам осуществляет целый список связанных между собой функций. Устройство затягивает воздух снаружи, осуществляя процесс его сжатия с последующее нагнетанием во впускную двигательную систему. Втягивается воздух благодаря созданному внутри коллектора разрежению. Для осуществления нужного уровня давления нагнетателям такого типа нужно вращаться на повышенных оборотах, опережая мотор. Нагнетается воздух во впуск благодаря разнице в давлении в системе.
Сжимаемый при помощи устройства воздух характеризуется увеличением температуры во время сжатия. Это приводит к понижению плотности, а итогом этого будет сниженный уровень давления. Механическую систему оснащают промежуточным охладителем для разрешения данной проблемы. Охладитель является воздушным или жидкостным радиатором, качественно охлаждающим сжатые воздушные массы после прохода устройства.
Механический нагнетатель воздуха для автомобиля с ДВС в конструктивном плане может иметь определенные отличия в сравнении с другими похожими решениями. Главное различие от схожих систем в основном является выступающая система его привода.
Приводное устройство нагнетателя может быть таким:
Теперь стоит рассмотреть каждую из разновидностей механического типа более детально.
Современные транспортные средства могут оснащать разнообразными вариациями компрессоров.
Широкое распространение получили 3 основных типа устройств:
Такой механический нагнетатель является одной из первых разработок. Его начали устанавливать на транспортные средства с самого начала прошлого столетия.
На сегодня, реализуется данная конструкция таким образом, что компрессор оснащается парой роторов. Они могут обладать тремя или четырьмя кулаками, вращающимися встречно друг другу.
Кулаки располагаются таким образом, чтобы размещаться спирально по всей длине вышеупомянутых роторов. Угол закручивания данных элементов побирается с целью обеспечения наиболее эффективного процесса нагнетания воздуха с учетом возникающих параллельно этому потерь. Общая конструкция и принцип действия кулачкового варианта схожи с шестеренным масляным насосом, устанавливаемый смазочную систему ДВС.
Оказывающийся в нагнетателе воздух ловится кулаками ротора, перемещается в кулачковом пространстве и между стенками нагнетателя. В процессе он сжимается, а после этого начинается процесс нагнетания воздуху во впуск. Таков принцип называют нагнетанием внешнего типа. Такие компрессоры выделяются тем, что в большом темпе реализует необходимое давление.
Фиксируется и рост вышеуказанного давления одновременно с увеличением частотности вращения коленчатого вала транспортного средства.
Иногда кулачковый агрегат способен создать очень сильное давление, превышающее необходимый уровень. Как результат – образование воздушных пробок в канале нагнетания и ухудшение эффективности давления, что становится причиной общего снижения мощности силового агрегата во множестве рабочих режимах. Во избежание столь нежелательных последствий, в процессе использования агрегатов механического типа в обязательном порядке реализуют дополнительные меры по контролю и регулированию давления.
Вышеуказанное давление регулируют 2-мя распространёнными методами:
Сейчас решения наддува механического типа оснащают схемами регулировки так. Комплексный вариант включает в себя входные датчики давления наддува и во впуске, электронные управляющие блоки и т.д.
Одновременно с этим прибегают к многочисленным механизмам исполнения. К ним относятся модули привода перепускного клапана электромеханического типа, муфтовый электрический магнит и прочие элементы. Нагнетатели рассматриваемого типа преимущественно дорогие. Такое положение дел обуславливается допусками недостаточных размеров на этапе производства.
Решения такого плана характеризуются повышенными требованиями к стерильности поступающего внутрь воздуха. В независимости от уровня или типа загрязнений или посторонних предметов внутри системы, чувствительный агрегат может быть легко выведен из строя.
Устройства данной разновидности характеризуются солидным весом, а также большой шумностью во время их работы. Производителями эффективно используется большое число мер для подавления шума, начиная от конструктивных корпусных особенностей и заканчивая использованием резонаторов, демпферов и прочих.
Нагнетатели винтового типа представляют собой конструктивно схожие решения с ранее рассмотренной вариацией.
Рассматриваемый сейчас агрегат включает 2 ротора-шнека определенной формы. Один из них обладает характерными выступами, а второй выемками-канавками. Эти элементы имеют форму, близкую к конической форме, а камера для воздуха между ними имеет меньшие размеры. Это будет заметно, если присмотреться к длине роторов. Поступающие смеси наружных газов захватываются шнеками, а после перемещаются и сжимаются. Процесс сжатия осуществляется при помощи шнекового вращения.
Последний этап процесса подразумевает нагнетание компрессированного воздуха. Главное отличие рассматриваемого устройства от кулачковой разновидности заключается в обеспечении внутреннего нагнетания. Воздух будет нагнетаться между шнеками, а это позволяет сделать эффективнее.
В случае центробежных разновидностей нагнетание воздуха реализовано по принципу, напоминающему принцип работы турбокомпрессора. Основывается агрегат на рабочем колесе-крыльчатке. Оно вращается с весьма и весьма большой скоростью, а по числу оборотов способно достигнуть отметки в пятьдесят или шестьдесят оборотов в минуту.
Принцип работы центробежного решения заключается в том, что поступавший воздух засасывается устройством в пространство внутри колеса. Центробежная сила воздуха перемещается по лопастям, а воздух из колеса выходит уже на больших скоростях, но уже характеризуется низким давлением.
Именно в процессе выхода оттуда воздух будет проходить по диффузору, имеющему целый ряд лопаток стационарного типа, располагающихся вблизи колеса-крыльчатки. Потоки воздуха на огромных скоростях после прохода через диффузор проходят процесс по преобразованию и превращения высокоскоростные потоки воздуха в низко-скоростные, но теперь уже с высоким уровнем давления.
Важно упомянуть, что такой вариант устройства является наиболее распространённым среди всех механических решений. Очень распространён такого типа механический нагнетатель на ВАЗ, и других, относительно доступных автомобилях. К главным преимуществам можно отнести компактность, малую массу, рабочую эффективность, взвешенную стоимость, а также широкий спектр различных вариаций крепления на моторе.
Минусами таких вариаций являются: сильно выраженная зависимость их мощности и скорости вращения коленчатого вала. Производительно стараются учитывать и эти недостатки, пытаясь их исправить.
Максимальное число отношения привода передаточного типа требуется для работы двигателя при низких оборотах. Минимальный уровень отношения задействуют в случае режима работы при скоростных оборотах.
Благодаря целому ряду конструктивных свойств нагнетатели первых типов устанавливаются на транспортные средства для обеспечения хороших динамических показателей при разгоне, в то время центробежные решения лучше всего справляются в случае работы мотора при пиковых нагрузках и максимальных показателях скорости.
Такие устройства весьма востребованы как в случае дорогих автомобилей серийного производства, так и в случае спортивных машин. Нагнетатели активно задействуют в тюнинге авто.
Большую часть автомобилей спортивного типа оборудуют именно такими нагнетателями или комплексными решениями, включающими в себя сразу и механический агрегат и турбокомпрессор.
Стоит отметить и то, что наиболее массовые автомобили, в особенности среднего класса, оснащают компрессорами описанных выше типов крайне редко.
Поделитесь материалом в социальных сетях:
rulikolesa.ru
Двигатель внутреннего сгорания – это очень старое изобретение. Однако практически сразу инженеры стали придумывать как бы увеличить коэффициент полезного действия двигателя не слишком вмешиваясь в его устройство. На этом моменте и был изобретен нагнетатель воздуха. Принцип работы двигателя основан на том, что при впуске в цилиндры двигателя поступает смесь топлива и кислорода, которая сгорает, образуя расширяющиеся газы. Однако для качественного и эффективного сгорания топлива необходимо определенное количество кислорода. Со временем было рассчитано, что оптимальным соотношением кислорода и топлива является соотношение 1:14,7. Нагнетатель воздуха позволяет увеличить мощность двигателя в два раза.
Автомобильные нагнетатели
То есть, говоря простым русским языком, если к давлению в одну атмосферу добавить еще одну атмосферу, то выйдет в два раз больше поступающего в цилиндры кислорода. К примеру, обычный двигатель 1.5 литра при давлении компрессора равному немного более атмосферы повысит мощность до уровня 3-х литрового двигателя без компрессора. И это ни разу не конечная остановка: можно расточить картер и головку блока цилиндров до большего объема, что означает больше поступающего кислорода и еще больше мощности. Однако обычно нагнетателя ставят на малообъемные двигатели, чтобы увеличить мощность на маленьком двигателе. Основными типами нагнетателей являются:
Далее предложен разбор каждого конкретного типа.
Использовать нагнетатель воздуха в своих разработках первыминачали;Alfa Romeo Mercedes и Fiat.Вообще же идея применять механический компрессор была придумана и разработана практически сразу же после изобретения самого ДВС уже в 1885 г ученый Готтлиб Даймлер оформил патент на свой нагнетатель воздуха. Внешне его идея немного отличалась от нашего понимая сути нагнетателей: он предлагал, что некий насос или специальный вентилятор будет нагнетать в двигатель большую нежели, обычно порцию кислорода. Вскоре, всего через 7 лет, в 1902 году Луис Рено получил свой патент на конструкцию центробежного нагнетателя. Рено даже сделали выпуск малой серией автомобиля с нагнетателем, однако в дальнейшем проект забросили. Альфред Бюхи так же в 1905 году придумал свой турбонагнетатель, который работал с использованием выхлопных газов. Известные roots носят фамилию своих изобретателей изобрели их еще аж 1859 году братья Рутс. Из себя рутс представляют роторно-шестерёнчатые компрессоры. Винтовой компрессор был изобретен значительно позже, в 1936 году, патент принадлежит Альфу Лисхольму, главному инженеру SRM. У всех этих устройств есть один общий момент, в свое время, а это почти 100 лет назад, они не получили должного распространения ввиду заторможенности общего технического процесса. Зато ныне компрессор – это важная составляющая современного автомобиля.
Центробежный механический компрессор сейчас имеет широчайшее распространение среди любителей тюнинговать свои авто. Конструкционно центробежный нагнетатель воздуха наиболее близок к турбо наддуву, так как принципы их конструкции очень близки. Основной принцип работы заключается в следующем. Внутри корпуса установлена крыльчатка самая главная деталь компрессора. Говоря в общем крыльчатка представляет собой колесо с лопастями, отдаленно напоминающее корабельный винт. Оттого насколько хорошо и правильно выполнено это колесо зависит то, насколько нагнетатель воздуха будет результативен. В общем, воздух попадает внутрь “улитки” и его захватывают лопасти крыльчатки. Захваченный воздух лопасти закручивают и с помощью центробежной силы отбрасывают его на отдаленные участки корпуса, где есть диффузор, который ловит этот воздух. Диффузор предназначен для восприятия подаваемого крыльчаткой воздух так, чтобы созданное давление не терялось. Далее воздух подается в кольцевидный тоннель, который идет вокруг всего корпуса. Именно из-за этого тоннеля центробежный нагнетатель воздуха и называют улиткой. Подобная конструкция создает условия для увеличения давления воздуха. Суть в том, что воздух, который движется по каналу движется быстро и имеет маленькое давление, а потом конец канала резко расширяется. Благодаря этому скорость воздуха несколько падает, а вот давление значительно увеличивается.
По факту давление, что создает этот компрессор равно скорости крыльчатки, умноженной на саму себя. Скорости могут быть разными, преимущественно от 40 000 об/мин. Сам механизм довольно шумный, так как в действие он приводится ремнем от шкива коленчатого вала автомобиля. Некоторые производители устанавливают в корпусе еще и повышающую передачу, что позволяет сохранить ресурс турбины до 80 000 км и существенно уменьшить шум, что создает компрессор при работе.
Нагнетатель воздуха типа рутс – это представитель класса объемных нагнетателей. В плане своего устройства такой механический компрессор очень прост и больше всего напоминает обычный масляный шестеренчатый насос. Корпус имеет овальную форму. Внутри него установлены оси, на которых вращаются в противоположные стороны два ротора. Между роторами и корпусом поддерживается специальный зазор. Этот нагнетатель воздуха отличается от всех остальных тем, что сжатие воздуха происходит не в корпусе, а во внешнем трубопроводе. Из-за этого рутсы часто называют “механический компрессор с внешним сжатием”. За счет вращения роторов воздух захватывается и сквозь маленькие зазоры между корпусом и ротором выдавливается в трубопровод под давлением. Однако хоть такая система и имеет поклонников она же и главный минус. Так как нагнетатель воздуха осуществляет сжатие вне своего корпуса он может это осуществлять только до определённых значений, после которых воздух начинает просачиваться в обратную сторону. Исправить этот момент можно увеличением скорости ротора, но это тоже возможно только в определенных пределах. Механический компрессор типа рутс имеет еще один минус: при просачивании воздуха в трубопровод не под давлением создается турбулентность, благодаря которой воздух нагревается еще больше. Так как температура воздуха и так растет из-за того, что он сжимается, а тут температура еще выше поднимается. Положительными моментами можно назвать заметно меньший шум от работы по сравнению с “улиткой”; и отсутствие характерного им свиста: рутс имеют свою особую тональность. Однако из-за роторного принципа работы наддув сопровождается пульсацией давления. С пульсацией инженерам удалось справиться достаточно быстро – роторам придали спиралевидную форму, а форму входного и выходного отверстия изменили на треугольную. С помощью таких ухищрений удалось добиться равномерной и тихой работы. Еще одним большим плюсом является то, что такой нагнетатель воздуха проявляет свою эффективность уже на малых оборотах коленчатого вала, в отличие от центробежного, что очень положительно влияет на динамику разгона автомобиля.
Механический компрессор для автомобиля такого типа имеет удивительную схожесть ни с чем иным как с мясорубкой, разница только лишь в том, что шнеков два. По форме и основному принципу винтовые напоминают “рутс”, но имеют основное различие – сжатие воздуха происходит внутри корпуса. Два ротора имеют взаимодополняющие выступы и отверстия, они вращаются всегда в зацеплении, но с небольшим зазором между друг другом. Винты загребают воздух, который сжимается между роторами и подаётся дальше под действием вращательного движения винтов. Потери при таком сжатии чрезвычайно малы, а степень сжатия очень велика. Однако при достижении слишком больших оборотов роторов может возникнуть необходимость внешнего охлаждение корпуса. Зато при стандартных показателях скорости вращения эффект от прироста мощности появляется при любых оборотах коленчатого вала автомобиля. Также плюсами можно назвать компактность конструкции при высокой мощности, долговечность и отсутствие шума при работе. Этот механический компрессор имеет достаточно плюсов, должен иметь и минус винтовые нагнетатели мало распространены из-за своей дороговизны. Производить их очень сложно, поэтому и цена является высокой. Однако некоторые тюнинг ателье устанавливают на автомобили именно винтовой компрессор.
Когда речь зайдёт об установке нагнетателя для автомобиля от очень многих можно услышать, что компрессор существенно уменьшит ресурс двигателя. Это не совсем правда.
Требуется соблюдать меру и понимать, когда компрессор благоприятно влияет на двигатель автомобиля, а когда нет. Слишком высокие обороты могут действительно привести к поломке двигателя, а вот на применение нагнетателя на низких оборотах для повышения крутящего момента наоборот только положительно повлияет на ресурс.
Однако если нагнетатель будет использоваться для получения большой мощности заранее необходимо заменить многие детали на более прочные, чтобы не винить компрессор в поломке двигателя.
Похожие статьи:
autodont.ru
Нагнетатель компрессорного типа повышает мощность двигателя до 50% благодаря тому, что в цилиндры попадает дополнительный воздух и создает там положительное давление на впуске. Система управления двигателем с нагнетателем вырабатывает смесь оптимального состава, увеличивая подачу топлива; в итоге получается состав, который выделяет больше энергии при сгорании, а это, в свою очередь, увеличивает мощность двигателя. Мы остановим ваше внимание на типах приводных компрессоров (роторном, винтовом, центробежном) и на отличиях турбокомпрессора от механического нагнетателя воздуха для автомобиля.
Очень часто механический и турбокомпрессор устанавливают на бензиновые и дизельные агрегаты грузовых и легковых автомобилей с целью повышения мощности двигателя без увеличения объема цилиндров. Турбокомпрессор работает от энергии потока выхлопных газов, а механический нагнетатель – от коленчатого вала. Они имеют абсолютно разную конструкцию и действуют на работу двигателя неодинаково, но при этом оба нагнетают воздух под давлением в камеру сгорания.
Главным отличием и преимуществом механического компрессора над турбокомпрессором является то, что он равномерно увеличивает мощность двигателя независимо от оборотов, что способствует правильности работы двигателя и дает возможность избежать многих неисправностей. Но турбокомпрессор также обладает некими преимуществами: он не имеет привода от двигателя и работает от выхлопных газов, исключая потери мощности. Нагнетатель компрессорного же типа функционирует от энергии двигателя и тем самым забирает у него до 30% мощности.
Турбокомпрессор очень требователен к качеству горюче-смазочных материалов, поэтому приходится чаще менять масло, и за ним нужен особый уход, чего не скажешь о механическом нагнетателе – он менее требователен к ГСМ, и для него главное – чистота поступающего воздуха. Механический компрессор – это отдельный и независимый механизм в конструкции двигателя, что делает проще процесс обслуживания, ремонта и демонтажа. Плюсом турбины являются ее более высокие обороты, но и нагревается она быстрее, а это плохо сказывается на состоянии двигателя и его работе.
Механический компрессор почти сразу выходит на эффективный показатель после запуска двигателя, турбокомпрессор же не будет работать на низких оборотах, лишь на средних и максимальных. Стоит также упомянуть, что турбокомпрессор более экономный в плане топлива. Установка компрессора более доступна и менее затратная в сравнении с турбиной. И турбокомпрессор, и механический нагнетатель имеют свои плюсы и минусы, но их установка – задача не из простых.
На сегодняшний день различают три типа приводных нагнетателей: винтовые, роторные, а также центробежные. В роторных и винтовых компрессорах воздух подается с помощью двух вращающихся цилиндрических роторов, а в центробежном – с помощью лопастей крыльчатки.
Такие компрессоры отличаются простотой конструкции, долговечностью, чистотой подающегося воздуха, уравновешенностью и положительной зависимостью меняющихся режимов работы двигателя с частотой вращения роторов. В рабочих полостях этих компрессоров воздух не сжимается, лопасти в виде ротора нагнетают его в двигатель, в силу этого их еще называют компрессорами с внешним сжатием.
Эти нагнетатели покажут свою эффективность в случае умеренного повышения давления, а когда оно растет на впуске, то падает КПД компрессора. Самыми распространенными являются роторные компрессоры с двумя роторами на впускном и выпускном окне. Следует отметить и их недостатки:
- они сильно нагреваются;
- на КПД влияют зазоры между валами и прочими деталями;
- большой уровень шума, сильная вибрация валов,
- достаточно низкое давление – в пределах 0,7 бар.
Данный вид компрессоров более надежен и совершенен в своей конструкции, с диагональным движением воздуха в проточной части. Сжатие воздуха возможно здесь за счет изменения объема полостей между винтами вращения и корпусом, в воздухе не содержится примесей масла, что благотворно влияет на поршневой двигатель. Этот тип компрессоров отличается высоким КПД – около 85%, достаточно большим давлением – 1 бар и выше, за счет большой частоты оборотов.
Это дает возможность делать корпус менее габаритным, что, кстати, позволяет использовать винтовой компрессор на гоночных машинах. Конструкцию компрессора составляют два ротора с зубчатыми спиральными зубьями, профили которых соответствуют при соприкосновении друг другу. Недостатком считается сложное строение и, как следствие, – дорогой ремонт, да и высокая стоимость в целом. Ремонтировать их нужно на специальных станциях.
Чаще всего в ДВС устанавливаются именно центробежные компрессоры, рабочей частью которых являются особые лопасти. Этот вид более компактный, простой в изготовлении, и, как следствие, дешевле двух предыдущих. Компрессор центробежного типа состоит из входной части, рабочей (собственно, лопасть) и диффузора. Помимо этого, обязательно устанавливается воздухозаборник и специальный фильтр.
После того как воздух проходит через фильтр, он попадает во входное отверстие, которое понемногу сужается, чтобы минимизировать потери воздуха при подводе. Рабочее колесо может крепиться на шпицах, а если оно не очень большого размера, то его можно установить на гладкий вал, который связывается с коленвалом двигателя. Минусом такого типа компрессора является то, что при малых оборотах КПД компрессора будет достаточно низким; зато при высоких – может увеличиться на 30%.
Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.
Была ли эта статья полезна?Да Нет
auto.today
Нагнетатель как радикальное средство дать пинок под зад своему автомобилю
Набор «Наддуй свой двигатель сам»
Как мы писали в предыдущем номере, увеличить мощность двигателя можно единственным способом — сжигая больше горючей смеси. Этого можно добиться разными способами, но наиболее распространенные — увеличение рабочего объема двигателя или увеличение подачи горючей смеси в цилиндры посредством наддува. Первая схема хорошо известна по американским многолитровым машинам. Очевидный плюс — простота конструкции такого двигателя и, следовательно, более высокий ресурс. Минус — большая масса, что ведет за собой увеличение габаритов и веса автомобиля и, как следствие, ухудшение управляемости.
Наддув обязательно ведет к усложнению конструкции двигателя, что не может не сказываться на надежности, но позволяет достичь большей мощности при меньших размерах и габаритах. Если на Porsche поставить 12-цилиндровый двигатель, мы получим классический американский автомобиль, пускай и с прекрасной разгонной динамикой. Удивительно маневренными немецкие машины делают компактные 6-цилиндровые двигатели, в которых они умудряются снимать с 3,5 л объема мощность в 456 л.с.
Самым элементарным является инерционный наддув. Принцип его действия действительно прост: на капоте, если двигатель находится впереди, или по бокам или на крыше, если мотор сзади, ставятся дополнительные воздухозаборники, от которых по воздуховоду подводится дополнительный воздух к впускному коллектору. Заметим сразу, что воздухозаборники «ушастого» «Запорожца» никакого отношения к наддуву не имели — они служили для охлаждения двигателя. Точно так же заблуждались владельцы «тюнинговых» «Жигулей», которым умельцы устанавливали такие воздухозаборники на капоте. Дело в том, что инерционный наддув начинает работать только на скорости выше 180 км/ч, которую продукт отечественного автопрома развить не мог ни при каких обстоятельствах. А увидеть действующую систему в Москве можно на нескольких Pontiac Firebird Trans Am, на которые инерционный наддув ставился на заводе.
Реальную же прибавку в мощности можно получить, только установив компрессор. Если он приводится механической передачей от коленвала, то такое устройство чаще всего называют механическим нагнетателем в России, compressor — в Германии, supercharger — в Америке и blower — в Англии. Если же компрессор вращается турбиной, размещенной в выпускном тракте двигателя, то его чаще всего называют турбонагнетателем (turbocharger).
Впервые наддув применил в своих автомобилях легендарный француз Луис Рено. По иронии судьбы сегодня Renault — одна из немногих компаний, не применяющая наддув в своих двигателях для легковых автомобилей. Мировую же известность механическим нагнетателям принесла компания Mercedes-Benz, устанавливающая наддувочные компрессоры в конце 20-х сначала на гоночные, а начиная с 30-х — и на серийные машины. После того, как компрессорные «Мерседесы» полюбили Адольф Гитлер и немецкие кинодивы, мода на наддувные машины перекинулась на Голливуд и оттуда — на весь мир. Золотой век немецких «компрессоров» закончился одновременно с началом Второй мировой войны. Основное применение компрессоров в военное время пришлось на авиацию: наддув использовался для компенсации недостатка кислорода на больших высотах. Особенно в этом преуспели американцы. Поэтому неслучайно в послевоенное время центр производства механических нагнетателей переместился за океан. Даже вновь появившиеся на «Мерседесах» после полувекового перерыва механические нагнетатели для немецкого гиганта поставляет американская компания Eaton, что, впрочем, не очень афишируется.
Но это не значит, что европейцы распрощались с идеей наддува. Ни для кого не секрет, что к мерседесовским нагнетателям в 30-е годы приложил руку небезызвестный конструктор Фердинанд Порше. Но на собственных двигателях он решил ставить турбонагнетатели. Проблема заключалась в том, что они приводятся в действие отработанными газами и должны выдерживать довольно высокие температуры. Долгое время не существовало жаропрочных и прочных материалов и турбокомпрессоры оставались капризными и ненадежными агрегатами. И только сильный прогресс немецкой оборонной промышленности 40-х годов в области авиационных турбореактивных двигателей наконец-то дал технологии и материалы для производства надежных автомобильных турбин. С тех пор лучшие турбомоторы в Европе — у Porsche.
Современный турбокомпрессор конструктивно проще механического нагнетателя, но имеет собственные проблемы — высокую требовательность к качеству масла и, самое главное, медленный отклик на нажатие педали газа, что обусловливается инерцией турбины. С недостатком борются, устанавливая вместо одной большой две маленькие турбины (меньше масса — меньше инерция), по одной на свою сторону двигателя. Такая схема часто называется «битурбо».
Другая проблема, связанная с аэродинамикой турбины, так называемая «турбояма», — практически полное отсутствие наддува до 2500−2800 об./мин. Проблему решают разными способами, включая такую экзотику, как подкрутка турбины высокоскоростным электродвигателем.
Механический нагнетатель, который жестко связан с валом двигателя, имеет линейную зависимость наддува от оборотов: автомобиль практически мгновенно реагирует на нажатие педали акселератора, что особенно ценно при разгоне. Недостаток же данной схемы состоит в меньшем КПД по сравнению с турбонагнетателями: механический нагнетатель отбирает мощность с вала двигателя, а турбина приводится в движение практически дармовыми выхлопными газами.
Независимо от схемы привода, собственно воздух нагнетает компрессор. Наибольшее распространение получили две схемы — роторнозубчатая схема Roots, запатентованная в 1866 году братьями Филандером и Фрэнсисом Рутсами, и центробежные нагнетатели.
Достоинство нагнетателей Roots в их простоте. Первоначально рассчитанные для двухтактных двигателей, подобные нагнетатели по сути являются импульсными, что не лучшим образом сказывается на характеристиках двигателей. При такой схеме частота вращения компрессора обычно составляет 0,5−2 частоты оборотов коленвала двигателя. На больших оборотах компрессор может выйти из строя, поэтому на современных нагнетателях применяются специальные центробежные муфты, ограничивающие обороты.
Рабочая частота вращения центробежных нагнетателей составляет 40−90 тыс. об./мин (на некоторых моделях — 90−130). Если перекрутить такой компрессор, поток нагнетаемого воздуха перестает быть ламинарным и возникающая турбулентность начинает тормозить поток — давление падает. Если же недокрутить, то центробежная сила становится недостаточной для создания давления и наддув практически сходит на нет. В итоге получается, что частоту вращения центробежного нагнетателя надо поддерживать в пределах +/- 50%, тогда как во время движения частота работы двигателя меняется в среднем в 7 раз. Все это приводит к установке разнообразных вариаторов и усложнению конструкции.
Другая проблема — в предельном максимальном давлении, которое могут выдержать автомобильные двигатели. Хорошие моторы позволяют поднимать давление во впускном коллекторе в 1,6−1,7 раза, а компрессоры запросто усиливают давление в 2,7 раза. Чтобы избежать повышенного давления, приходится ставить перепускные клапана для ограничения максимального давления.
Само собой разумеется, повышение давления на входе ведет к повышению давления в цилиндрах. Но современные автомобильные двигатели уже подошли к пределу. Степень сжатия в последних моторах Mercedes достигла 10−10,5 раз, а в Porsche — 11−11,5 раз. При большем сжатии даже высокооктановый бензин перестает гореть и начинает детонировать — взрываться. Выход — либо применять специальные гипероктановые топлива, имеющие степень сжатия 17−18, на основе метанола или нитрометана, либо ставить моторы, изначально имеющие низкую степень сжатия — 8−8,5. Это, кстати, объясняет, почему ставить нагнетатели на ультрасовременные двигатели бессмысленно.
В заводских условиях проще всего ставить именно турбонаддув — больше выигрыш в мощности, менее сложная конструкция, более простая регулировка. В механических нагнетателях добавляются проблемы с размыкателями на холостых оборотах, системами управления компрессора, вариатором и т. д. Хотя некоторых это не пугает — за возможность иметь ровную тягу во всех диапазонах некоторые компании идут на усложнение конструкции и ставят механические нагнетатели — например, Mercedes, Jaguar, Land Rover. Но это, скорее, исключение. Гораздо чаще на мощных машинах можно увидеть слово «Turbo».
Другое дело — тюнинг. Здесь побоку повышенный расход топлива, повышенная токсичность и холостой ход, главное — дополнительная мощность. Тюнинговый наддув двигателей — это царство механических нагнетателей и устаревших многолитровых моторов. И то и другое, само собой разумеется, американское.
С лучших современных двигателей, например с 2,2-литрового турбодвигателя Porsche, конструкторы умудряются снимать по 160 л.с. с литра. Классический 5,4-литровый двигатель GM выдает 70 л.с. с литра. Добавление дополнительных 50−100 л.с. на литр не приведет к летальным последствиям для такого мотора, в отличие от «европейца». Осталась сущая безделица — найти свободное место под капотом и купить за
$35 тыс. готовый набор для установки нагнетателя.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2003).www.popmech.ru
16.12.11
Электрический нагнетатель воздуха
От двигателя внутреннего сгорания отказываться пока рано. По ряду причин. Поэтому многие производители работают над технологиями, которые позволят оптимизировать силовые системы, использующие углеводородное топливо. Одной из таких технологий является электрический нагнетатель воздуха. Немецкие инженеры считают, что электротурбонагнетатель в будущем вытеснит традиционный наддув, и поможет сделать ДВС компактнее, экономичнее, и в тоже время мощнее.
Для начала разберемся, что такое турбонаддув или турбонагнетатель. Как известно, двигатель внутреннего сгорания работает не на самом топливе, а на топливно-воздушной смеси. В случае с бензиновым мотором пропорции должны быть следующими: 1 часть бензина на 13-15 частей воздуха. Еще в конце 19 века знаменитый Готтлиб Даймлер понял, что нужно увеличивать не подачу топлива, а воздуха. Долгое время добиваться этого приходилось за счет увеличения объема цилиндров, из-за чего агрегаты получались большими и прожорливыми. Но в 1905 году швейцарский инженер Альфред Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетателя воздуха в цилиндры, которое для работы использовало энергию выхлопных газов.
В 90-е годы прошлого столетия инженеры стали использовать турбонаддув не только для увеличения мощности двигателя в легковом автомобиле, но и для экономии топлива и снижения выброса вредных веществ. С тех пор турбонаддув перестал быть частью тюнинга, и стал входить в базовую комплектацию дизельных машин многих брендов.
История электрического турбо-нагнетателя началась совсем недавно. С 2000 года его разработкой занимается британская фирма CPT (Controlled Power Technologies). Спустя 9 лет компания представила турбонаддув, способный работать от бортовой сети с напряжением 12 вольт. Инженерам удалось решить проблему механического нагнетателя – так называемой «турбоямы», то есть низкой способности работать на малых оборотах.
Электрические нагнетатели работают от небольшого электромотора, в отличие от механического турбонаддува, который задействует часть мощности (1-5%) двигателя. Кроме того, устройство CPT само может генерировать энергию: обратное давление, возникающее при сбросе выхлопных газов, крутит лопасти турбины, помогая вырабатывать электричество для зарядки аккумулятора.
Первый прототип автомобиля с электронагнетателем был разработан немецкой фирмой AVL List. Наддув CPT адаптировали для 2-литрового бензомотора с непосредственным впрыском топлива, установленного на VW Passat. Автомобиль выбрасывал в атмосферу на 20% меньше вредных веществ, чем аналоги с механическим нагнетателем.
На данном этапе Controlled Power Technologies координирует свои действия с такими крупными компаниями, как Ford, Valeo и Ricardo. На основе технологии CPT разработан электрический нагнетатель Hyboost, турбину в которой вращает микро-гибридная установка Valeo, получающая энергию от регенеративного торможения.
Ford Focus, оснащенный новым 3-цилиндровым EcoBoost с системой VTES (переменное увеличение крутящего момента) и нагнетателем Hyboost, улучшил экономичность на 30-35%, по сравнению с двигателями, демонстрирующими аналогичные показатели мощности. Стоит отметить, что мотор объемом всего 1 литр выдает 145 лошадиных сил при 240 Нм крутящего момента!
BMW тоже работает над созданием собственного электрического турбонагнетателя. Разработка баварской компании лишена жесткой связи между нагнетателем и ротором – между ними появился дополнительный узел, который включает в себя электромотор и пару фрикционов.
На холостом ходу ротор вращается свободно от нагнетателя, уменьшая нагрузку на двигатель. Электромотор в этот момент тоже работает, подстраивая свои обороты под скорость вращения вала компрессора. При нажатии на педаль газа сцепление между электродвигателем и компрессором замыкается. В этом случае нагнетатель раскручивается только за счет электромотора, что позволяет избежать турбоям.
По слухам, первой BMW с электрическим турбонагнетателем станет M3 нового поколения.
— ecoconceptcars.ru —
Несколько новых электроавтобусовБиотопливо в домашних условиях
www.altsyn.com
Известно, что работа ДВС (двигателя внутреннегосгорания) осуществляется благодаря тому, что топливо взаимодействует с нужнымколичеством кислорода, который играет роль окислителя. Данная «стратегия»позволяет достичь максимальной мощности, которая обеспечивается не толькополным, но и эффективным сгоранием горючего. В итоге, можно сделать короткий,но вполне ясный вывод: чем больше сгорит топлива, тем выше будет мощность.Следует заметить, что объём кислорода в воздухе всего лишь 21% (еслиокруглить), при пересчёте на массу – 23%, при этом параметры могут меняться взависимости от показателей давления и температуры окружающей среды. Длянормального функционирования ДВС пропорции смеси должны быть примерно 1:14,7(топливо-воздух). Допустим, что к стандартному давлению, равному в однуатмосферу, прибавилась ещё одна атмосфера, что удвоило значение, и количествокислорода, которое поступает в цилиндры. В таком случае, мощность двигателявнутреннего сгорания увеличивается в два раза. Таким образом, двигатель собъемом в 1,5 литра может быть эквивалентен примерно трёхлитровому мотору, приусловии, что давление в системе наддува будет больше одной атмосферы.Разумеется, здесь приведён всего лишь пример, не совсем точный. Однако, сутьидеи именно такова, и указанный прирост не является пределом.
Любопытно, что повысить мощность моторов можнодругим путём, увеличив объём двигателей. Наличие большого объёма цилиндраобеспечивает больше топливовоздушной смеси, что приводит к повышению мощности.Указанный вариант является излюбленной «стратегией» американскихпроизводителей. Таким образом, можно получить огромные двигатели с большимобъёмом и с высоким потреблением топлива, но с превосходным крутящим моментом.Более компактные, маленькие и экономичные двигатели производят, как правило, вЯпонии и Европе. Тем не менее, мощные автомобили также востребованы и в этихстрана. Возможно, именно по указанной причине производители занялисьразработкой нагнетателей.
В разработке автомобильныхдвигателей с наддувом первопроходцами и пионерами были такие компании, как «AlfaRomeo», «Sunbeam», «Fiat» и «Mercedes-Daimler». Следует заметить, что послеизобретения двигателя внутреннего сгорания вскоре была предложена идея опринудительном нагнетании воздуха в цилиндры. Таким образом, первый патент нанагнетатель воздуха получает немецкий предприниматель Готтлиб Даймлер ещё в1885 году. В те времена «схема» нагнетателя выглядела примерно так – внешнийнасос или вентилятор нагнетает воздух в двигатель. Спустя семь лет, то есть в1902 году Луис Рено получает патент во Франции на проект центробежногонагнетателя. Интересно, что с таким нагнетателем было выпущено определённоеколичество автомашин, однако, после все работы в указанном направлении былиприостановлены.
Интересно, что ещё в 1859 годубратья Рутс спроектировали и разработали объёмный нагнетатель – компрессорытипа «roots», которые представлены в виде роторно-шестерёнчатых устройств.Сегодня указанные нагнетатели называют компрессорами типа «roots». Правда, наавтомобилях нагнетатели указанного типа появились лишь в начале прошлогостолетия, примерно в 1920-ых годах, и только благодаря корпорации «Mercedes».Швейцарский изобретатель, известный как Альфред Бюхи, спроектировал изапатентовал турбонагнетатель, который работал на энергии выхлопных газов, ещёв 1905 году. В 1936 году был разработан винтовой компрессор, патент на которыйполучил главный инженер \»Svenska Rotor Maskiner AB» (SRM) – Альф Лисхольм.
Можно заметить, что в прошломстолетий, как и в конце позапрошлого века, нагнетатели воздуха были менее«популярны», чем в настоящее время. Впрочем, в сегодня данные устройства довольнораспространены и классифицируются на две большие группы: механические и турбо.К первой группе относятся устройства с приводом от коленвала, а ко второй – сприводом от выхлопной трубы. Несмотря на некоторые противоречия, будторазделение является условным, последняя группа всё же довольно обособленнаяветвь. Что ж, никакие суждения и споры не помешают рассмотреть более детальновсе варианты нагнетателей.
Нагнетатели данного типа получили наибольшуюпопулярность среди любителей тюнинга. По конструкции центробежные нагнетателиблизки к системе турбонаддува, так как имеют практически одинаковый принципдействия. Различие заключается в основном в системе привода. Таким образом,принцип действия заключается в следующем.
Основной деталью нагнетателя является крыльчаткаили рабочее колесо. Крыльчатка имеет достаточно сложную конструкциюконусообразной формы. Наиболее важную роль играют лопатки данной детали. Нужносказать, что именно от качества производства и конструкции лопаток зависит,насколько эффективным будет действие нагнетателя. Таким образом, поток воздуха,проходя по равномерно сужающемуся каналу нагнетателя, попадает непосредственнона лопасти крыльчатки, расположенные радиально. Далее лопасти закручивают потоки отбрасывают за счет центробежной силы к периферической части кожуха, вкотором располагается диффузор. В свою очередь, диффузор также может иметьлопатки, нередко с возможностью регулирования угла атаки, чтобы снизитьвозможные потери давления. После чего поток воздуха выталкивается ввоздухосборник, который в большинстве случаев имеет форму улитки, благодарячему удается создать нужное давление воздуха на выходе. Так, в кольцах улиткипоток вначале имеет высокую скорость, однако, давление остается невысоким. Помере расширения колец улитки, скорость воздуха начинает снижаться, а давлениеувеличиваться, до уровня необходимого для накачки цилиндров.
Но в самой конструкции и принципе работыцентробежного нагнетателя имеется существенный недостаток, который заключаетсяв том, что для создания необходимого давления крыльчатка должна вращатьсякрайне быстро. Если быть точнее, то давление производимое нагнетателемпропорционально квадрату скорости, с которой должна вращаться крыльчатка. Такимобразом, скорость может достигать 40 тысяч оборотов/минуту и выше, а в случаевысоконапорных нагнетателей дизельных двигателей, скорость может достигать200000 об/мин. Учитывая, что привод нагнетателя осуществляетсянепосредственно от коленвала, за счет ременной передачи, то следует ожидатьвысокий уровень шума при работе устройства. Проблема износа ресурса и шумарешается за счет дополнительного мультипликатора.
Необходимо упомянуть о довольноконструктивном предложении компании «Powerdyne», которое заключается в том, чтов корпусе нагнетателя имеется дополнительная ременная передача повышающаяскорость вращения крыльчатки. В итоге, удалось добиться повышения пробега до 80000 километров,снижение передаточное число основной и внешней ременной передачи, что в своюочередь привело к снижению нагрузки.
Естественно, что высокаяскорость вращения требует высокого качества и точности изготовления деталейнагнетателя. Также, к отрицательным качествам можно отнести и задержкусрабатывания устройства. Не стоит забывать, что нагнетатели данного типаэффективны на достаточно высоких оборотах мотора, так как поначалу давление всистеме возрастает незначительно. Максимальных значений давление достигаеттолько на высоких оборотах. В итоге, центробежные нагнетатели эффективны именнов тех случаях, когда играет роль не интенсивность разгона, а поддержаниепостоянно высокой скорости.
Популярности центробежныхнагнетателей способствовала невысокая цена и простота установки. Стоитотметить, наиболее известные компании производящие нагнетатели данного типа – Vortech,RK Sport, ATI ProCharger, Powerdyne Automotive и Paxton Automotive.
Нагнетатели данного типа относятся к классуобъемных компрессоров. Конструкция нагнетателей достаточно проста, в корпусе,имеющем овальную форму, располагаются два ротора, вращающиеся в противоположныестороны. Оба ротора располагаются на осях, которые связываются одинаковыми поразмеру шестернями. Между корпусом и роторами имеется небольшой зазор. Основнойособенностью конструкции является то, что воздух сжимается снаружи, а не внутрикомпрессора, в самом трубопроводе.
Минус подобного метода заключается в том, чтоэффективность работы компрессора возможно только при определенном уровненаддува. Так, с ростом давления в трубопроводе наблюдается утечка воздуха, чтоприводит к снижению КПД. Чтобы увеличить давление воздуха используют наддувы с2 и более ступенями, что приводит к повышению давления в 2-3 раза. Однако,подобные конструкции имеют достаточно большие габариты.
Также, к недостаткам относится тот факт, что внагнетателе возникает турбулентность, которая способствует росту температурывоздуха. Чтобы избежать перегрева воздушного потока, нагнетатели данного типаоснащаются интеркулером, который охлаждает воздух. Нужно заметить, что уровеньшума подобных компрессоров значительно ниже, чем у центробежных нагнетателей,однако, у рутс-компрессоров отмечается пульсация давления. Чтобы снизить шум ипульсацию начали применять в компрессорах трехзубчатые роторы, имеющиеспиральную форму, а выпускное окно делают треугольной формы.
Однако, благодаря тому, что эффективностькомпрессоров данного типа отмечается уже на малых оборотах, рутс-компрессоры сталивсё чаще применяться в тех случаях, когда необходим динамичный разгон. Ещёодним положительным моментом является простота компрессоров. За счет того, чтов конструкции используется небольшое количество вращающихся, трущихся идвижущихся деталей, компрессоры данного типа по праву считаются самымидолговечными и надежными. К сожалению, рутс-нагнетатели достаточно сложны впроизводстве и установке, к тому же весьма дорого стоят, данные факторы в
Объёмные нагнетатели воздуха типа Лисхольм иливинтовые компрессоры были названы в честь Альфа Лисхольма, который разработалданное устройство. В принципе, данные нагнетатели немного похожи на компрессорытипа «roots»с роторами спиральной формы. Но больше всего, конструкция винтовых нагнетателейнапоминает мясорубку, правда, с небольшой разницей, которая заключается в том,что шнеков два, вместо одного. Указанные шнеки сцеплены особым образом, так чтоработают как взаимодополняющие элементы. Таким образом, два ротора захватываютвоздух, который поступает, и двигаются на встречу друг другу, точнее, начинаютвстречное вращение. В итоге, захваченная порция воздуха проталкивается вперёд,словно мясо в мясорубке. Следует заметить, что между роторами зазорычрезвычайно маленькие – это предупреждает потери и обеспечивает достаточновысокую эффективность. Винтовые компрессоры отличаются от объёмныхроторно-шестерёнчатых устройств наличием внутреннего сжатия, что обеспечиваетданным нагнетателям высокую эффективность практически по всей шкале оборотовмотора. Впрочем, для того чтобы достичь существенных значений давления,возможно, потребуется охлаждение корпуса нагнетателя. Однако, при стандартных,то есть, небольших давлениях наддува, может быть, воздух согреется не таксильно, как в компрессорах типа «roots
Другим положительными сторонами данных устройствявляются компактность, надёжность и высокая эффективность. Следует заметить,что данные нагнетатели работают практически «шёпотом», конечно, при правильномиспользовании и установке. Впрочем, именно здесь и скрывается единственный«минус» этих компрессоров. К сожалению, эти нагнетатели довольно сложные,произвести их трудно, а потому компрессоры указанного типа дорого стоят. Именнопо этой причине такие нагнетатели практически не используются в массовомпроизводстве автомобилей. Впрочем, производством столь прогрессивныхнагнетателей занимается не так много компаний. К серьёзным производителям такихкомпрессоров можно отнести «Whipple Superchargers» и «Comptech Sport». Хотятакие нагнетатели также производят западные ателье «AMG» и «Kleemann»,любопытно, что существуют и отечественные производители.
Следует упомянуть о лопастных или шиберныхнагнетателях воздуха, которые, возможно, оказались забытыми незаслуженно.Данные устройства являются довольно простыми как по принципу действия, так и поконструкции машинами. Указанное устройство было представлено в видецилиндрического корпуса с двумя отверстиями, которые могут быть растянуты навсю длину находиться на одной стороне корпуса, но необязательно строгопротивоположно. Внутри цилиндра расположен ротор, диаметр которого составляеттри четверти относительно внутреннего диаметра нагнетателя. Следует заметить,что ротор смещён к одной из сторон, находится приблизительно посрединеотверстий. В самом роторе имеется несколько канавок, в которых находятсялопатки (шиберы). Во время вращения ротора, благодаря эксцентриситету илопаткам, которые выдвигаются за счёт центробежной силы, сначала воздухвсасывается в одну из долей, образующихся соседними шиберами, а после воздухсжимается до подхода к выпускному отверстию.
Качественно изготовленные шиберные нагнетателимогли образовать довольно большое давление, и потому считаются забытыминезаслуженно. По сравнению с компрессорами типа ROOTS шиберные нагнетателиобладали более высоким коэффициентом полезного действия, гораздо меньшепропускали воздуха, были менее шумными и практически не нагревали воздух. Самоеинтересное, что шиберные нагнетатели снижали мощность двигателя сравнительноменьше. Кроме того, лопастной нагнетатель, при правильном использовании, можетбыть более производительным (на 50%), разумеется, на фоне указанныхкомпрессоров ROOTS.К сожалению, из-за конструкции «ахиллесовой пятой» шиберных нагнетателейсчитаются фрикционные нагрузки между корпусом и шиберами. По мере изнашиваниякоэффициент полезного действия существенно снижался по причине увеличенияутечек воздуха. Именно поэтому шиберные компрессоры производили довольнобольшими, но с низким оборотом. Тем не менее, довольно странно, что шиберныенагнетатели были забыты, возможно, потому что в те времена эта проблемаказалась непреодолимой.
Около сорока лет назад, примернов 1980-ых годах западная компания «Volkswagen» проводила эксперименты соспиральными нагнетателями, которые могут показаться довольно необычными. Внекоторых кругах указанные нагнетатели больше известны под названием «G-Lader».Однако, в настоящее время компания «Volkswagen» свернула исследование. Тем неменее, до сих пор можно встретить автомашины «Corrrado», «Passat» и «Golf» именнос указанными необычными нагнетателями. Более того, ряд компании, особенно немецких,занимаются производством таких нагнетателей. Сегодня самым распространённымвариантом вполне обычных воздушных компрессоров являются поршневые нагнетатели,которые довольно активно использовались на судовых двигателях, однако вавтомобилях так и не прижились.
Довольно интересным можетпоказаться метод нагнетания воздуха подпоршневым насосом. В данном случае, собственнонагнетателем воздуха является поршень, который при движении к нижней мёртвойточке (НМТ) выталкивает воздух, находящийся под ним. Любопытным является тотфакт, что знаменитый роторный мотор Ванкеля изначально был разработан какнагнетатель. К слову, замечательный двигатель с успехом использовался вкачестве нагнетателя, правда, только некоторое время. Следует заметить, чтотакже существуют и осевые компрессоры, которые так и называются. Здесь воздухдвижется в осевом направлении.
В настоящее время порой можновстретить электрические нагнетатели, которые построены по указанному принципу.Один или несколько параллельных, либо последовательных вентиляторов с небольшиммоторчиком, которые устанавливаются в воздушном тракте, двигают воздух вдольсебя назад, либо в фильтр, либо после фильтра во впускной коллектор. Известно,что некоторые производители данных устройств утверждают, что при этом мощностьвозрастает на 20 лошадиных сил и выше. Спорить в этим сложно, но если данныеустройства смогут преодолеть хотя бы сопротивление всех фильтрующих элементов,в принципе, уже неплохо.
Другим, довольно интереснымрешением является система резонансного наддува. Следует заметить, что данныйметод нагнетания воздуха не является искусственным. Простая идея основана натом, чтобы обеспечить избыточное давление непосредственно перед впускнымклапаном, как раз в момент его открытия. Данная схема обеспечивает лучшеенаполнение цилиндров. Таким образом, необходимо вовремя «оседлать» волнусжатия, впрочем, при работе двигателя именно так действует воздух, находящийсяво впускном коллекторе. Здесь картину можно представить как череду приливов иотливов. Амплитуда указанных колебаний меняется с изменением оборотов. Вконечном результате, необходимо менять именно длину впускного коллектора, длятого, чтобы поймать нужную волну. Изначально, схема может показатьсяпримитивной, как и суть идеи, впрочем, реализация может быть довольно сложной.Ведь всё выглядит примерно так – несколько воздуховодов разных размеров (длины)и клапаны, которые открываются в тот или другой канал. Тем не менее, сегодняданная схема вполне воплотилась в устройствах впускного коллектора, таксказать, переменной длины. К примеру, компания знаменитая BMW используетсяустройство, обеспечивающее именно изменение длины впускного тракта. Конечно,данный вариант не является полноценной заменой нагнетателю, однако, в этомопределённо есть «плюс». Ведь в таком случае, двигатель практически не тратитэнергию на замечательный «нагнетатель».
Подавляющее большинство людей считает, чтоиспользование нагнетателей негативно отражается на ресурсе мотора. В принципе,данное мнение является и правильным, и неправильным. Необходимо заметить, чтосамой выгодной позицией является «золотая середина», то есть важно соблюдать вовсём меру. Следует заметить, что повышенные обороты могут спровоцироватьполомку двигателя. Таким образом, использование нагнетателя, который повышаеткрутящий момент на средних и низких оборотах, возможно наоборот, положительноотразиться на ресурсе мотора. Однако, при желании получить действительновысокую мощность, рекомендуется заменить большинство штатных деталей на более прочныеи выносливые варианты. К примеру, вполне уместно использование кованых поршнейи шатунов. Тем более, с учётом серьёзных тепловых нагрузок в камере сгорания,которые проявляются именно у наддувных двигателей.
Не следует забывать, что при использованиинагнетателей температура может оказать фундаментальное воздействие. Ведь,законы физики никто не отменял. В конечном результате, сжатие воздухасопровождается повышением температуры. Конечно, в некоторых компрессорахуказанное повышение не является существенным. Однако, воздух следует охлаждатьв любом случае для повышения воздушного заряда и уменьшения потери мощности (засчёт уменьшения противодавления) на привод нагнетателя.
На фоне всего, более важной является другаяпроблема – детонация, над которой задумываются не все, к сожалению. Дело в том,давление и высокая температура воздуха, который подается в цилиндр, в концетакта сжатия, во время того, как в цилиндре поршень спрессует уже сжатую смесьиз топлива и воздуха, конечная температура и давление могут повыситьсянастолько, что вызовут взрыв, то есть преждевременную детонацию. В концеконцов, такой «поворот» может довольно скоро вывести из строя двигатель (или«убить»). Для предупреждения подобной проблемы рекомендуется использоватьвысокооктановые сорта топлива, впрочем, зачастую этого оказываетсянедостаточно. Также следует знать, что при высоких значениях давлениянеобходимо снижать степень сжатия, то есть нужно производить декомпрессию.Более того, нужно уделить внимание регулированию угла опережения зажигания, чтоявляется немаловажным. При использовании нагнетателей необходимо изменитьнастройку по зажиганию. В данном случае, играет роль даже подбор свечейзажигания, который должен быть правильным. Разумеется, при установке наддуваможет возникнуть масса вопросов, больше чем ответов. В конце концов, установкакомпрессора на обычный серийный мотор может привести к самым неожиданнымрезультатам. Порой, даже производители готовых комплектов не могутпредусмотреть все нюансы. Тем не менее, следует понимать, что установка наддуваизначально требует наличия высокой квалификации инсталляторов, которые нетолько правильно подберут компрессор, но и смогут настроить двигатель. В такомслучае, можно надеяться на положительный результат без негативных последствий.
rusauto.net
Работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) построена на том, что топливо должно быть замешено с необходимым количеством окислителя, т. е. кислорода. Это обеспечит полное и эффективное сгорание горючей смеси и позволит достичь максимально возможной мощности. Больше сгорит – больше мощность. Кислорода в воздухе по объему всего 21%, а по массе 23% (это на уровне моря, при определенных давлении и температуре). 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. И, кстати говоря, такой прирост отнюдь не предел.
Можно пойти по пути увеличения объема моторов. Больше рабочий объем цилиндра – больше топливовоздушной смеси со всеми вытекающими отсюда последствиями. Так делали американские производители. Огромные, высокообъемные моторы с неимоверным потреблением горючего, но впечатляющим крутящим моментом. В Европе, и особенно в Японии, делали маленькие, компактные и экономичные двигатели. Но мощность, тем не менее, была также востребована покупателями автомобилей. Наверное, это была одна из причин, почему именно на старом континенте появились первые разработки нагнетателей.
В качестве первопроходцев, разработавших автомобильные двигатели с наддувом, можно упомянуть такие компании, как Mercedes-Daimler, Fiat, Sunbeam, Alfa Romeo. Сама идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения самого ДВС. Уже в 1885 г. 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 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Было выпущено некоторое количество автомобилей, но затем все работы в данном направлении свернули.
Принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи еще в 1905 г., но и здесь технологии того времени притормозили внедрение подобных устройств. Братья Рутс разработали объемный нагнетатель еще в 1859 г. Эти роторно-шестеренчатые компрессоры теперь так и называются – компрессоры типа «roots». На автомобилях устройства подобного типа появились в 20-е годы прошлого века благодаря компании Mercedes. Винтовой компрессор был разработан в 1936 г. Патент получил Альф Лисхолм (Alf Lysholm) – главный инженер SRM (Svenska Rotor Maskiner AB).
Тогдашний уровень развития технологий не способствовал распространению подобных устройств, но сейчас они довольно популярны. Были и другие типы нагнетателей. Со временем они естественным
[spoiler]образом разделились на механические (с приводом от коленвала или другим способом) и турбо (с приводом от выхлопной системы). Последние, хоть и имеют общие корни и назначение, все же довольно обособленная ветвь развития нагнетателей. Далее в этой статье речь пойдет о нескольких основных типах механических нагнетателей.
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. Итак, 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 (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). 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 существенный 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. Появились даже обманки, имитирующие звучание работающей турбины. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора.
Здесь стоит упомянуть интересное решение компании Powerdyne. Внутри единого корпуса нагнетателя располагается дополнительная повышающая ременная передача. Она не требует обслуживания, смазки и рассчитана на пробег более 80 тыс. км. Это позволяет уменьшить передаточное число внешней, основной ременной передачи, чем снизить ее рабочие нагрузки.
Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). 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.
Как было отмечено выше, центробежные нагнетатели очень популярны. Сравнительно низкая цена и, самое главное, простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы. Особенно в сфере тюнинга. В настоящее время центробежные нагнетатели производятся рядом компаний. Вот лишь самые известные из них: Paxton Automotive, Powerdyne Automotive, ATI ProCharger, RK Sport, Vortech. Нагнетатели большинства производителей доступны и у нас, в России.
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. Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.
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. Чтобы повысить давление наддува, применялись конструкции с двумя и более ступенями. Они позволяли поднять итоговые значения давления в 2, 3 раза и больше. Но в силу того, что эти компрессоры теряли одно из своих главных преимуществ – компактность, такие многоярусные конструкции не прижились.
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 (особое устройство для охлаждения воздуха). Шум от работы объемных компрессоров не столь сильный, как у центробежных, и имеет несколько иную тональность. Но, в отличие от последних, работа роторно-шестеренчатых нагнетателей сопровождается пульсациями давления. Происходит это по причине неравномерности подачи воздуха. Для снижения шума и амплитуды пульсаций последнее время наибольшее распространение получили трехзубчатые роторы спиральной формы. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно.
В настоящее время современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Такие автогиганты, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors, устанавливают на некоторые свои автомобили механические нагнетатели именно рутс-типа. Тому есть несколько причин. В первую очередь объемные нагнетатели, в отличие от центробежных, 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 важный плюс – относительная простота конструкции. Малое количество движущихся частей и малые скорости вращения делают эти нагнетатели одними из самых надежных и долговечных. Однако сложность в изготовлении и установке, а значит, и высокая цена (относительно центробежных) несколько снизили их рыночную популярность. Если не считать перечисленных выше производителей, для вторичного рынка подобные нагнетатели производит несколько компаний. Вот некоторые из них: Jackson Racing, Kenne Bell Superchargers, Magna Charger. Отдельно стоит отметить компанию Eaton Automotive. Именно она является, что называется, локомотивом раскрутки нагнетателей рутс-типа. Кстати, это ее компрессоры и устанавливаются на двигатели Ford и GM. В России такие нагнетатели в силу дороговизны не столь популярны, но, по крайней мере, пара марок представлены и у нас.
По имени отца-основателя эти компрессоры иногда называют объемными нагнетателями типа Лисхольм. Они несколько напоминают рутс-компрессоры с роторами спиральной формы, но более всего эта конструкция похожа на мясорубку. С одним лишь отличием: шнек не один, их два, и они особым образом входят в зацепление, имея взаимодополняющие профили. Два ротора («папа» и «мама»), захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед, как мясо вдоль шнека мясорубки. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в рутс-компрессорах.
Еще плюсы: высокая эффективность, надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие. Работают они почти «шепотом» (разумеется, при правильном, точном проектировании и изготовлении). Вот тут-то и кроется, возможно, единственный их минус. Дело в том, что такие компрессоры довольно сложны в производстве и, как следствие, дороги. По этой причине они практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много. Мне удалось найти из серьезных производителей лишь два бренда: Comptech Sport и Whipple Superchargers. Подобные устройства выпускают также некоторые западные тюнинговые ателье – например, Kleemann, AMG. Самое интересное то, что такие совсем недешевые нагнетатели можно найти и у нас.
Я просто обязан упомянуть, на мой взгляд, незаслуженно забытые шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это были довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Представьте себе цилиндрический корпус с двумя отверстиями, как правило, растянутыми во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.
Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Более того, при правильном конструктиве шиберный нагнетатель может быть практически на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотистыми, но довольно габаритными. Странно, но на то время это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. Правда, мне удалось найти патенты на ряд конструктивных решений, которые могут возродить шиберные насосы, и, если это произойдет, они по сумме характеристик способны не просто потеснить, но и практически монополизировать рынок компрессоров. Автомобильных в том числе.
В 80-х годах прошлого столетия компания Volkswagen экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как G-Lader. Сейчас это направление компанией VW свернуто. Однако еще можно встретить автомобили Golf, Passat и Corrado с такими нагнетающими устройствами, и, кроме того, ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры. Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко.
Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух. Интересен тот факт, что изначально знаменитый роторный двигатель Ванкеля был спроектирован как нагнетатель. И, между прочим, некоторое время с успехом использовался в данном качестве. Существуют и так называемые осевые компрессоры. Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении.
Сейчас можно встретить электрические «воздуходувки», построенные по этому принципу. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с моторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Некоторые производители подобных изделий заявляют о 20 л. с. и более прибавки мощности. Не буду утверждать обратного, но, если эти устройства преодолевают хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.
Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, – система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что для лучшего наполнения цилиндров необходимо обеспечить избыточное давление перед впускным клапаном непосредственно в момент его открытия. А стало быть, нужно просто «оседлать» волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы «поймать» волну, нужно менять длину впускного коллектора. Поначалу пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания BMW применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. И энергии мотора на такой «нагнетатель» практически не тратится.
Многие считают, что использование нагнетателей может негативно сказаться на ресурсе двигателя. Это и так, и не так. Во всем нужна мера. Начать с того, что, 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. В особенности, учитывая более серьезные тепловые нагрузки в камере сгорания, проявляющиеся у наддувных моторов.
При использовании нагнетателей температура оказывает и вполне фундаментальное воздействие. Физику не обманешь. 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 (за счет снижения противодавления) воздух необходимо охлаждать.
Но 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 (а детонация может «убить» мотор довольно быстро), 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. Кроме того, следует внимательно подойти к регулировке угла опережения зажигания. 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. И даже готовые комплекты от известных фирм не могут предусмотреть всех нюансов вашего автомобиля. В любом случае установка наддува требует высокого профессионализма инсталляторов, которые могут правильно подобрать компрессор и грамотно настроить двигатель. Тогда есть уверенность в том, что результат не приведет к нежелательным последствиям.
[/spoiler]
avto.win7ka.ru
