Благодаря чему повышается мощность двигателя - как устроен нагнетатель? Механический компрессор
Турбокомпрессор или механический нагнетатель?
Многие автолюбители очень часто задаются вопросом касательно того, какое решение окажется в итоге лучшим-турбина или компрессор? Такой вопрос может возникнуть как при выборе нового автомобиля, так и при покупке машины б/у. Не менее часто с задачей такого выбора сталкиваются и любители тюнинга.
Рекомендуем также прочесть статью о тюнинге топливной системы. Из этой статьи вы узнаете об устройстве системы, выборе форсунок и топливного насоса для форсированных двигателей. Стоит отметить в самом начале, что оба устройства одновременно имеют как ряд определенных преимуществ, так и недостатков. Все это однозначно влияет на конечный выбор. Отличия указанных систем заключаются не только во внешнем виде, форме, весе, способе крепления на двигателе и габаритах, но и в главных принципах работы. Не всегда однозначно просто выявить все главные критерии при выборе того или иного устройства. Давайте разбираться в этом вопросе более подробно.
Читайте в этой статье
Механический нагнетатель и турбокомпрессор
Турбина представляет собой ротационный двигатель, особенностью которого является его постоянная и беспрерывная работа. Ранние попытки создать турбину предпринимались еще на заре развития человечества, но качественная реализация стала возможна только в 19 веке. Эпоха развития машиностроения позволила создать первые турбины, которые были паровыми. Турбина осуществляет преобразование кинетической энергии пара, газов или воды в полезную механическую работу. Турбины нашли свое применение во многих устройствах, а также стали неотъемлемой частью различных видов транспорта. Это касается как наземных средств передвижения, так и морских судов наряду с воздушными летательными аппаратами.
Если говорить о компрессоре, то конструктивно устройство может иметь разные модификации и успешно применяется во многих промышленных областях. Главной его задачей становится сжатие и подача газа под давлением.
Дальнейшее развитие технологий привело к появлению своеобразного симбиоза турбины и компрессора. Разработка турбокомпрессора позволила значительно повысить КПД и мощность двигателей.
Как известно, получить максимальную мощность мотора без увеличения его объема можно при помощи принудительного нагнетания в камеру сгорания большего количества воздуха. Остается только подать больше топлива и мощность силового агрегата существенно возрастет. Как показывают приведенные в различных источниках данные, в среднем компрессор обеспечивает прибавку мощности до 50% и обеспечивает около 30% прироста крутящего момента.
Сейчас механические и турбокомпрессоры устанавливаются отдельно и даже в совокупности для увеличения мощности двигателя легковых и грузовых автомобилей. Их ставят на бензиновые и дизельные агрегаты. Данные решения являются оптимальным и наиболее экономичным вариантом прибавки «лошадей» в том случае, если нужно качественно увеличить мощность ДВС без увеличения объема цилиндров.Компрессор VS турбина
Разница между турбиной и компрессором наглядно продемонстрирована в тех отличиях, которые имеются у ряда устройств подобного типа.
- К основным преимуществам компрессора заслуженно относят бесперебойное и равномерное сгорание рабочей смеси. Это качественно влияет на правильность работы всего двигателя и исключает ряд неисправностей, которые могут потенциально возникнуть в процессе эксплуатации такого мотора.
- Основным преимуществом турбины является то, что она не имеет привода от двигателя и питается от энергии выхлопных газов. Это не вызывает потери мощности. Компрессор же берет энергию от двигателя, отнимая при этом до 30% его мощности. Справедливости ради стоит добавить, что эта потеря наиболее проявляется в режиме максимальных нагрузок на ДВС.
- Процесс установки турбины на двигатель является крайне сложным и трудоемким. Не менее сложна и настройка турбокомпрессора, которая потребует существенных финансовых затрат, установки многочисленного дополнительного оборудования и большого количества времени. Еще одним нюансом является то, что перед установкой турбокомпрессора как сам двигатель, так и в ряде случаев трансмиссию нужно существенно и основательно доработать, подготовить к таким сильно возросшим нагрузкам. Если говорить о механическом компрессоре, то двигатель и КПП также дорабатывают, но делается это далеко не всегда, а сама доработка может быть поверхностной.
- Установить компрессор в подкапотное пространство и далее качественно его настроить намного проще, а еще легче произвести последующий правильный подбор параметров необходимой для нормальной работы мотора топливовоздушной рабочей смеси. Установка компрессора облегчена еще и тем, что имеются уже готовые комплекты для решения этой задачи.
- Если турбину в автомобиле нужно настраивать только при помощи квалифицированного специалиста или самостоятельно обладать специальными знаниями, то компрессор не потребует специального оборудования, знаний и навыков. Такие особенности еще более упрощают процесс установки механического наддува.
- Автомобильный турбокомпрессор излишне требователен к смазке и качеству ГСМ. Необходимо реализовать подвод масла под давлением, намного чаще менять указанное масло, организовать слив масла в поддон. Все это увеличивает расходы на последующее содержание авто и на работы по установке турбонаддува. Межсервисные интервалы по замене масла заметно сокращаются. Если не обслуживать турбомотор с завидной регулярностью, тогда машина относительно быстро ответит неисправностями и дополнительными проблемами. Компрессор в этом плане намного менее требователен к качеству топлива и ГСМ.
- За турбиной требуется особый уход. Решение подразумевает целый список периодических процедур по обслуживанию. Механическому компрессору же главное обеспечить только чистоту поступающего воздуха, да и то применительно к кулачковым и шнековым решениям.
- Турбина демонстрирует негативный эффект на низких оборотах, который называется «турбояма». При низком количестве оборотов от турбины ожидать чудес вовсе не стоит. Только средние и максимальные обороты позволяют добиться полной отдачи от силовой установки. В режиме повседневной эксплуатации в городе это не всегда удобно.
Автовладелец вполне может приобрести турбины новейшего поколения, которые лишены в большей мере такого недостатка и не так сильно зависят от оборотов ДВС, но и сумма итоговых затрат после покупки и доработок будет внушительной. Компрессор по своей производительности не зависит от оборотов машины и выходит на наддув при низких оборотах, обеспечивая при этом прогнозируемую мощность при любой скорости.
- Компрессор представляет собой отдельное и независимое устройство в конструкции всего ДВС, что упрощает процесс его демонтажа, обслуживания и проведения ремонтных работ. Обслуживать компрессор относительно просто, так что намного более доступно получить качественный, менее затратный и квалифицированный ремонт элемента в случае необходимости.
- К плюсам турбины можно заслуженно отнести более высокие обороты сравнительно с компрессором. Но и уровень нагрева турбонаддува намного выше, а перегревается турбина заметно быстрее. Это негативно сказывается на всей работе и состоянии двигателя. Износ мотора при повышенных температурных режимах повышается, а также существенно возрастают требования к системе охлаждения ДВС.
- Компрессор выходит на эффективный показатель практически сразу же после момента запуска двигателя. В этом заключается его безусловное преимущество. Турбина же на низких оборотах работать не будет. При этом не стоит забывать о том, что компрессор отнимает мощность у двигателя, а вот турбина не снимает с мотора часть мощности от дополнительной нагрузки.
- К минусам компрессора однозначно относится повышенный расход топлива по сравнению с турбинами. КПД компрессора также заметно меньше. В плане топливной экономичности турбина в автомобиле представляется лучшим вариантом.
- От двигателя компрессор приводится в действие приводным ремнем или цепью, что требует периодического обслуживания элемента. Если говорить о турбине, то затраты на её обслуживание по сравнению с уходом за компрессором все равно намного больше.
- Подобрать компрессор или готовый комплект установки в свободной продаже однозначно проще и легче. На современном рынке представлен широкий выбор компрессоров различного типа. Выбор турбин сильно ограничен по сравнению с аналогичным выбором компрессоров.
- Высококачественная современная турбина в ряде случаев стоит дороже механического компрессора. Несмотря на это, большинство автомобилей оснащаются именно турбонаддувом, так как турбина намного качественнее повышает производительность ДВС.
Что получается в итоге
- Компрессор обеспечивает более правильную и стабильную работу двигателя во всех режимах работы, продлевается долговечность мотора;
- Турбина не отнимает процент общей мощности ДВС;
- Компрессор проще установить и настроить;
- Турбина потребует организации подвода и слива масла;
- Компрессор имеет постоянную отдачу, а турбина зависит от оборотов ДВС;
- Турбина потребует регулярной диагностики и обслуживания, компрессор проще обслуживать;
- Компрессор потребляет больше топлива и демонстрирует меньший показатель КПД сравнительно с турбиной;
- Турбина устанавливается в двигатель с доработками, компрессор же представлен полностью отдельным устройством и обеспечивает простоту при монтаже;
- Турбина предоставляет лучшие показатели на высоких и максимальных оборотах и пиковых скоростных режимах; Компрессор выделяется подхватом в самом «низу»;
- Компрессор можно свободно подобрать и приобрести, причем сделать это можно практически под любую модель авто, а вот выбор турбин заметно ограничен;
- Стоимость компрессора и его установки получается более доступной по сравнению с турбиной;
Как вы уже поняли из всего вышесказанного, установка любого типа компрессора является не самой простой задачей. Перед установкой стоит тщательно взвесить все «за» и «против» относительно каждого из доступных решений по обеспечению наддува, а также просчитать необходимые итоговые показатели мощности в соответствии с поставленной задачей.
Сегодня же оптимальным можно считать систему двойного наддува, когда на одном моторе задействованы механический компрессор и турбонаддув одновременно. При этом устройства работают на разных оборотах, обеспечивая максимум эластичности и комфорта в широком диапазоне оборотов двигателя.
Читайте также
krutimotor.ru
Механический нагнетатель своими руками
Одной из возможностей продлить жизнь старому автомобилю, например любому ВАЗ 2107, 2106, 2114, 2112, является его тюнинг. Конечно, речь в данном случае идет не об установке новых дисков и чехлов, а в первую очередь о повышении мощности двигателя. И один из самых простых и вполне доступных вариантов обеспечения этого – установить на мотор механический нагнетатель своими силами.
Механический нагнетатель на ВАЗ – за и против
Чем больше мотор и чем больше в нем цилиндров – тем выше его мощность. Таков самый первый вывод при наблюдении за моторами и машинами. Но это не всегда именно так. Чем больше топлива сгорает в цилиндрах двигателя, тем большую мощность он способен показать. Но объем цилиндров конечен, а мощность хочется иметь повышенную. Вот в этих случаях на помощь приходит механический нагнетатель воздуха.
Принцип его действия чрезвычайно прост и работает на любых автомобилях, в том числе семейства ВАЗ 2107, 2106, 2114, 2112 – он обеспечивает подачу дополнительного воздуха в мотор, в результате чего:
- увеличивается продувка цилиндров, и они лучше освобождаются от остатков сгоревшего топлива;
- в цилиндры мотора попадает больше топлива, что обеспечивает получение большей мощности;
- повышается степень сжатия, что также дает прирост мощности.
Такой подход практически похож на режим турбо, применяемый на дизелях. Только там для этих целей используется турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, а в этом случае – механический нагнетатель воздуха, который ремнем связан с коленвалом двигателя. Такой подход гораздо проще, подача воздуха зависит от оборотов двигателя, чем они выше, тем его поступает больше; а также не требует обеспечения режимов работы турбины и может быть выполнен своими руками на любом автомобиле ВАЗ.
Стоит учесть, что если механический нагнетатель ставится на инжекторную машину ВАЗ, то потребуется изменение прошивки. Однако подобную доработку можно сделать и для карбюраторного авто, только в этом случае, скорее всего, придется менять жиклеры в карбюраторе и регулировать угол опережения зажигания.
Не стоит забывать, что вами производится форсирование двигателя ВАЗ, будь то любая его модель 2107, 2106, 2114, 2112, работа должна выполняться комплексно, и только тогда возможно получение ожидаемого результата. Однако это не такая уж и большая плата за прирост мощности.
Как установить воздушный нагнетатель своими руками
Существует несколько подходов, позволяющих установить механический нагнетатель воздуха на автомобили семейства ВАЗ своими руками. Это изготовление самим такого устройства, обеспечивающего режим турбо или форсирование двигателя, или использование готового КИТ-набора.
Самодельный нагнетатель на ВАЗ
При таком подходе определяющим будет механический нагнетатель воздуха. Именно от него зависит вся будущая конструкция. Главное – найти соответствующий требованиям воздушный нагнетатель от импортного автомобиля, или придется использовать самодельный. Возможно и такое, причем в этом случае применяются подходящие детали и узлы от совершенно неожиданных устройств, например, пылесоса.
Изготавливая подобный самодельный воздушный нагнетатель, необходимо учитывать буквально все – габариты, вес, размещение в подкапотном пространстве, как и где будет располагаться приводной шкив и ремень, производительность этого устройства, режимы работы (кратковременный или продолжительный), возможность смазки и многое, многое другое.После того, как появится ясность с компрессором, необходимо рассчитать реализацию турбо режима для двигателя.
Здесь надо учесть, каким образом будет изменена топливная и охлаждающая система автомобиля, какие изменения необходимо внести в его управление и как это осуществить, какое давление окажется допустимым для безопасной работы мотора, при реализации с помощью подобного устройства режима турбо.
Даже приведенный далеко не полный перечень вопросов показывает, что изготовить самодельный воздушный нагнетатель на ВАЗ любого семейства, хоть 2107,2106, хоть 2114, 2112, достаточно сложно, но возможно. Примером может послужить фото, показывающее, что такая работа успешно выполнена. Правда, это не ВАЗ, но важен сам факт – изготовить самодельный воздушный компрессор, в котором его приводной узел подсоединен к коленвалу двигателя, – возможно.
Приводной нагнетатель своими руками – из КИТ-набора
Да, есть в продаже такие комплекты, позволяющие своими руками реализовать режим турбо в автомобилях ВАЗ 2107, 2106, 2114, 2112. Как правило, он включает в себя все нужное для сборки и установки подобного устройства на автомобиль – сам компрессор, ремни, приводной узел, кронштейны и воздуховоды. Что собой представляет подобный комплект, позволяет понять приведенное фото.
Главное достоинство подобного подхода по реализации режима турбо на своей машине – простота и полная адаптация технических решений под конкретный вариант – 2107, 2106, 2114, 2112. Как правило, изготовителями КИТ-наборов являются китайские производители, что обеспечивает их достаточно приемлемую цену.
В качестве достоинств реализации режима турбо таким образом, стоит отметить его заточенность именно на автомобили ВАЗ той или иной модели (2107, 2106, 2114, 2112). К преимуществам подобного подхода следует также отнести то, что при некоторых условиях, когда уровень создаваемого дополнительного давления не больше половины бара, не требуется вмешательства в топливную систему автомобиля.
Расписывать порядок реализации режима турбо из подобного набора нецелесообразно, в каждом из них есть своя инструкция по сборке. К недостаткам можно отнести страну-изготовителя, но здесь уж как повезет. Как выглядит автомобиль после доработки и как ее выполнить, дополнительно поможет понять видеоОдин из доступных автолюбителям способов форсировать мотор старого автомобиля и придать ему новую жизнь – поставить нагнетатель воздуха. Эту работу можно выполнить и своими руками, если использовать имеющиеся в продаже КИТ-наборы на автомобили ВАЗ.
znanieavto.ru
Что такое механический нагнетатель и чем он краше турбины?
Все конструкторы автомобилей, так же как и обычные автовладельцы, готовы на все, ради повышения мощности двигателя. При чем, современный тюнинг совсем не предполагает вмешательство в конструкцию самого двигателя, а использование дополнительных устройств, которые «помогали» бы ему показывать более высокие результаты. Одним из таких устройств и является механический нагнетатель, суть работы которого схожа с работой обычного компрессора, поскольку по своей сути он таковым и является. Главная задача нагнетателя - повышать атмосферное давление, что, несомненно, приносит ощутимый результат в работе двигателя.
Однако, есть у механических нагнетателей и свои недостатки, особенное внимание на которые мы и хотим обратить в нижеприведенной статье. Но перед этим подробнее рассмотрим механизм этого устройства и все существующие виды механических нагнетателей.
1. Как работает нагнетатель на обычном автомобильном двигателе внутреннего сгорания?
И так, под таким устройством как механический нагнетатель необходимо понимать один из конструктивных элементов всей системы механического наддува автомобильного двигателя. Именно благодаря его работе во впускном тракте является возможным поднять давление выше атмосферного. Почему же это устройство является механическим? Потому что его привод осуществляется благодаря функционированию коленчатого вала, а не от электронной системы управления. В англоязычной литературе и инструкциях механический нагнетатель обозначается одним словом - «supercharger».
На что именно влияет работа механического нагнетателя? Во-первых, его использование позволяет в разы повысить мощность двигателя, вплоть до 50% от изначального показателя. Во-вторых, появляется возможность повысить показатель крутящего момента двигателя, но этот показатель максимально может увеличиться только до 30%.
Вместе с этим, каждый водитель должен осознавать, что если так сильно повышается мощность двигателя, значит, и работа механического нагнетателя также должна быть очень интенсивной. Как следствие, двигатель также несет определенные затраты на работу привода механического нагнетателя, которые могут достигать даже 30%, что совсем не мало. Основные функции, которые выполняет механический нагнетатель, являются взаимосвязанными, и заключаются они в следующем:
1. Втягивание воздуха из атмосферы.
2. Сжатие воздуха путем интенсивной работы самого устройства.
3. Нагнетание сжатого воздуха непосредственно во впускную систему двигателя.
Выполнение самой первой функции возможно благодаря специально созданному разряжению. Далее, посредством очень быстрого вращения нагнетателя, которое перегоняет в скорости даже вращения двигателя, создается достаточно высокое давление. Именно за счет полученной разницы в давлении механический нагнетатель и запускает воздух во впускной тракт.
Однако, здесь есть один важный нюанс: при сжатии воздух начинает очень сильно разогреваться и если его дополнительно не охлаждать, то могут настать нежелательные последствия для двигателя. Также, охлаждение необходимо для того, чтобы не снижалась плотность воздуха и его давление, ради которого мы и устанавливаем механический нагнетатель. Поэтому, для охлаждения сжатого воздуха в самых распространенных системах наддува используются специальные охладители – интеркулеры. Они могут быть как воздушными, так и жидкостными.
Конструктивные особенности привода механического нагнетателя
Для того, чтобы лучше понимать особенности работы описываемого устройства, важно ознакомиться с разновидностями приводов, которые используются как их основание:
1. Прямой. Привод, который позволяет закреплять нагнетатель непосредственно на коленчатый вал, а вернее, на его фланец.
2. Ременной. Для функционирования такого нагнетателя используются самые разные виды ремней: зубчатый, клиновый или же плоский.
3. Цепной. Функционирует также, как и ременной.
4. Зубчатый. Привод, который работает на базе циклического редуктора.
5. Электрический. В этом случае роль привода выполняет отдельный электродвигатель, который и приводит в действие нагнетатель. Он более затратный, поскольку требует повышенной мощности от аккумуляторов, но вот непосредственно мощность двигателя он не забирает.
Использование разных конструкций для изготовления механических нагнетателей стало причиной того, что появился целый ряд видов этого устройства. При чем, отличаются они друг от друга не только конструктивно. В связи с этим, в следующем разделе мы подробно изучим особенности наиболее распространенных видов нагнетателей.
2. Виды нагнетателей, которые используются на современных автомобилях
Что касается классификации механических нагнетателей, то среди них стоит выделить такие:
1. Объемные нагнетатели, которые включают в себя две разновидности устройств:
- кулачковые, представленные на автомобильном рынке такими производителями, как Roots и Eaton.
- винтовые, известные автовладельцам под названием производителя Lysholm.
2. Центробежные.
Если говорить о первом виде, а вернее группе видов нагнетателей, то их главным отличием является способ нагнетания воздуха. В принципе, особенности их функционирования уже заложены в их же название: они просто перекачивают определенные объемы воздуха, не сжимая его. То есть, потоки воздуха движутся не потому, что устройство постоянно меняет их плотность и температуру, а потому что оно «насильно» заставляет их двигаться. Чтобы Вам было понятнее, как это происходит на конкретных примерах, рассмотрим оба вида объемных нагнетателей.
Особенности кулачковых нагнетателей автомобильного двигателя
Данный вид является самым первым представителем механических нагнетателей, но не смотря на это, используется он до сих пор. Как это не смешно, но его «родителя» братья Рутс использовали данное устройство не как важную деталь автомобиля, а как промышленный вентилятор для продувки воздуха в больших помещениях.
Поскольку устройство было достаточно простым в производстве и использовании, со временем оно все больше и больше распространялось по миру, находя все новые способы применения. А функционирует кулачковый нагнетатель следующим образом: в один общий кожух помещается две прямозубые шестерни, вращение которых происходит в разных направлениях. Благодаря их вращениям и происходит перекачивание определенного объема воздуха от впускного коллектора к выпускному.
Прошел практически целый век, пока еще один изобретатель по фамилии Итон не усовершенствовал конструкцию вышеописанного устройства. Вместо прямозубых шестерней он установил на нагнетатель косозубые роторы. Результат это дало очевидный: воздух начал перемещаться не поперек, а вдоль конструкции. Чтобы сделать конструкцию еще более совершенной, на устройство устанавливают дополнительные зубчатые лопатки (то есть, косозубые роторы). Если в самой первой модели под названием «Eaton» ее автор Итон установил всего две, то сегодня очень трудно найти кулачковый нагнетатель меньше чем с четырьмя лопатками.
Вместе с тем, данный вид нагнетателей нельзя назвать совершенным. Он отличается целым рядом довольно существенных недостатков:
1. Подача воздуха этим устройством происходит пульсационно, поэтому в двигателе могут возникать моменты, когда ему не хватает давления для нормального функционирования. Однако, современные конструкции кулачковых нагнетателей с увеличенным количеством зубчатых лопастей и треугольным окном впускного и выпускного окон компрессора, позволили максимально нивелировать этот недостаток. Более того, благодаря этому нагнетатели «Рутс» отличаются тихой и равномерной работой.
2. Когда нагнетатель выталкивает несжатый воздух в трубопровод со сжатым воздухом, внутри этой конструкции создается турбулентность. По этой причине увеличивается температура заряда воздуха. Как результат, топливная смесь не сгорает полностью, а из за ее возросшей калорийности снижаются показатели производительности автомобильного двигателя. Однако, данная проблема также является решаемой, если на такой нагнетатель установить вышеупомянутый инкулер.
Но плюсы нагнетателей, которые мы описываем, все же не позволяют даже современным автоконструкторам отказаться от их использования. Так, компрессоры «Рутс» отличаются:
- компактностью;
- конструкционной простотой;
- долговечностью использования;
- эффективностью даже при функционировании автомобиля на малых оборотах;
- низким шумовым уровнем.
Но какими ни были прекрасными кулачковые нагнетатели, мы все равно не можем упустить из виду их винтовых собратьев, с которыми и познакомимся далее.
Отличия и преимущества винтовых нагнетателей
Так же как и нагнетатели «Рутс» и «Итон», винтовой нагнетатель воздуха «Lysholm» является представителем объемно-роторной группы этих устройств. Однако, отличие между ними есть и оно довольно существенное: рабочая нагрузка в винтовом нагнетателе выполняется парой роторов, которые имеют взаимодополняющие профили. Давайте ознакомимся с принципами его функционирования более детально и последовательно:
- движущиеся на встречу друг другу два ротора осуществляют захват воздуха;
- порции воздуха, которые проходят вдоль роторов, вынуждены сжиматься;
- сжатый воздух создает дополнительное давление, которое положительно влияет на мощность работы двигателя.
Благодаря всему этому на выпускном окне нагнетателя не создается турбулентность, как это происходит в случае с «Рутсами». По сути, это и есть главное преимущество винтовых нагнетателей, в сравнении с роторно-шестеренчатыми. Описанная схема работы позволяет обеспечивать стабильно высокую эффективность работы как самого устройства, так и двигателя, при чем на всех уровнях нагрузки.
Плюсы нагнетателей «Lysholm» заключаются в:
1. Очень высоком коэффициенте полезного действия, который может достигать 70%.
2. Надежность устройства и долговечность его использования, не зависимо от интенсивности эксплуатации.
3. Компактность конструкции.
4. Бесшумность работы.
Но упустить из виду минусы нагнетателей «Lysholm» мы не можем. Правда, недостаток у них один и заключается он в сложности формы роторов, что влияет на затратность производства подобных конструкций. Именно по этой причине винтовые нагнетатели не используются при серийном выпуске автомобилей. Это скорее атрибут более дорогих и эксклюзивных авто. Ну, или результат самостоятельного тюнинга.
Что необходимо знать о центробежных нагнетателях?
Среди всех видов нагнетателей центробежные является наиболее распространенным и востребованных среди конструкторов автомобилей. Но чаще всего такой нагнетатель используется как составляющая турбонаддува, а не как самостоятельное устройство (хотя и в таком виде он используется не так уж и редко). В плане функционирования и нагнетания воздуха центробежное устройство практически аналогично турбонаддуву. И самое главное сходство – это крыльчатка, которая также является основной деталью турбокомпрессора. Сама крыльчатка имеет очень сложную конусообразную форму, к изготовлению которой выставляются очень высокие требования. Ведь от того, насколько правильным был ее проект и насколько точно он был воплощен в жизнь, напрямую зависит коэффициент полезного действия всего устройства.
Принцип работы центробежного нагнетателя не такой уж и сложный:
1. Лопасти крыльчатки устройства раскручиваются за счет воздуха, который проходит по воздушному сужающему каналу.
2. Раскрученный лопасти нагнетателя, которые ведет центробежная сила, перебрасывают воздух в периферию кожуха устройства.
3. В кожухе установлен специальный диффузор, который не допускает потери давления воздуха. В некоторых конструкциях нагнетателей диффузор может отличаться наличием лопатки с регулируемым углом атаки.
4. Именно через диффузор воздух выталкивается в воздушный окружающий тоннель, который имеет форму улитки (другое название этого туннеля – воздухосборник). Форма улитки не является случайно для данного устройства. Ведь благодаря ей воздух сначала движется по узкому каналу, а потом по все более широкому. Благодаря этому и меняется скорость и давление воздушной массы, выравниваясь до необходимых показателей.
Но самый базовый принцип, благодаря которому и проходит функционирование центробежного нагнетателя, и обозначает самый главный недостаток устройства. Достаточно очевидным фактом является то, что для работы нагнетатель требует огромную скорость вращения крыльчатки. То давление, которое производит нагнетатель, равно квадрату скорости, с которой движется крыльчатка.
В связи с этим базовая скорость нагнетателя начинается от 40тыс. оборотов за одну минуту, и с легкостью может достигать 200тыс. Чтобы достигнуть такого количества оборотов ремень привода работает на пределе своих возможностей. Не сложно догадаться, что в следствии подобного все детали устройства изнашиваются чрезвычайно быстро, да и работает такой нагнетатель довольно шумно.
Чтобы решить проблему с шумом, обычно используют дополнительный мультипликатор, который устанавливается на устройство. Однако, за подобную хитрость приходится платить потерями коэффициента полезного действия механического центробежного нагнетателя. А для того, чтобы износ деталей не происходил слишком быстро, для их производства используются только качественные сплавы металлов, а их размеры с точностью подгоняются друг к другу.
Нельзя также не упомянуть и о инерционном действии, которое также уменьшает достоинства устройства. Проявляется оно в том, что иногда устройство отстает в срабатывании. Так, если нагнетатель работает на малых оборотах – его эффективность совсем не впечатляет, но если его разогнать очень сильно – то произойдет очень резкий скачек мощности. Поэтому, такой нагнетатель больше подходит тем автомобилям, от которых требуется высокая мощность и скорость, на не интенсивность разгона.
Но все же, несмотря на множество негативных моментов в функционировании центробежного нагнетателя, он все равно является наиболее распространенным. Причина тому – доступная стоимость и простота установки, доступная каждому автолюбителю.
3. Нужен ли автомобилю механический нагнетатель: достоинства и недостатки устройства
Данную проблему мы уже несколько раз затрагивали выше, однако, важно все же просуммировать, стоит ли устанавливать на свой автомобиль механический нагнетатель, или можно обойтись без него. Первый и самый главный фактор, который нельзя упускать из виду принимая такое решение – использование нагнетателя воздуха негативно сказывается на мощности двигателя автомобиля. Ведь главная его задача – увеличивать количество оборотов двигателя, что может стать причиной поломки мотора. Однако, подобная ситуации может возникнуть только тогда, когда нагнетатель используется на повышенных оборотах. На низких и средних оборотах его действие является благоприятным для мощности двигателя.
Еще один минус нагнетателей – если он повышает мощность деталей двигателя, но они начинают быстрее изнашиваться. Поэтому, единственное решение проблемы – это установка более прочных деталей, которые менее интенсивно подвергаются износу. К примеру, заменить штампованные поршни и шатуны на кованные. Конечно, это даст хороший результат, но чтобы его достигнуть придется немного потратиться.
Нельзя забывать и о том, что без дополнительного охлаждения привод нагнетателя требует охлаждения. В противном случае он будет не только сам нагреваться, но и нагревать двигатель, что является крайне нежелательным для любого авто.
Но самая главная проблема, о которой мы еще не упоминали, связана с возможностью детонации, которую может вызвать механический нагнетатель. Как это возможно, спросите Вы? Все дело в том, что слишком высокое давление и температура воздуха, который подается в цилиндры автомобильного мотора может привести к очень неприятным последствиям. Когда в конце такта сжатия поршень цилиндра попытается спрессовать и без того сжатую смесь топлива и воздуха, ее температура может перейти за максимально допустимую норму и привести к взрыву.
Частично решить данную проблему можно путем использования топлива с высоким октановым числом, однако это не всегда может дать хороший результат. Если давление поднимается до слишком высоких показателей, единственный путь избежать детонации – это снизить степень сжатия. Также, важно правильно подбирать свечи, от которых также зависит правильное функционирование автомобильного двигателя.
Но как бы там ни было, исключать все плюсы нагнетателей нельзя, поскольку они действительно способны в разы повышать мощность работы мотора. Главное, чтобы эксплуатация этого устройства не происходила на максимальных показателях. Никогда не стоит забывать, что пытаясь добиться высокой мощности от двигателя, нагнетатель еще больше его стимулирует, тем самым повышая давление и температуру. Таким образом, любой механический нагнетатель – самый лучший тюнинг для двигателя, особенно если правильно пользоваться его возможностями.
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
Механический нагнетатель воздуха для автомобиля
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.
Особенности работы механического нагнетателя
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.
Особенности привода компрессоров
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:
- система прямого привода, с которой описываемое устройство обладает креплениями для прямого соединения с фланцем коленчатого вала;
- зубчатые или плоские ремни ременного привода;
- привод, базирующийся на цепном приводе;
- зубчатая передача, под которой подразумевают редуктор цилиндрического типа;
- электропривод, подразумевающий наличие отдельного электрического двигателя.
Разновидности
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:
- кулачковый;
- винтовой;
- центробежный;
Кулачковый тип
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:
- Первый из них подразумевает регулирование давления посредство выключения агрегата. По большей части такой метод осуществляют посредством муфты электромагнитного типа;
- Второй вариант подразумевает пуск воздуха на этапе непрерывной работы устройства. Воздушную массу пускают посредством перепускного клапана;
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.
Винтовой тип
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.
Центробежный тип
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.
Механические компрессоры в автомобилях
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.
Если статья была Вам полезна, можете поделиться материалом в социальных сетях:
rulikolesa.ru
Как устроен приводной нагнетатель в автомобиле?
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.
1. Отличие механического нагнетателя от турбокомпрессора
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.
2. Типы приводных компрессоров
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.
2.1 Роторные компрессоры
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.
2.2 Винтовые компрессоры
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.
2.3 Центробежные компрессоры
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
В погоне за мощностью: Нагнетатели
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.
Наддувательство
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).
С немецким акцентом
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.
Борьба с ямами
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.
Недокрутить — пропасть, перекрутить — пропасть
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.
Механика ручной сборки
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
Сжатие воздуха механическим компрессором
Сжатие воздуха механическим компрессором
Сжатие воздуха при помощи механических систем - это альтернатива турбокомпрессорам для небольших двигателей.
Компрессоры, работающие по объемному принципу, работают с внутренней компрессией или без нее. Среди компрессоров с внутренней компрессией имеются, к примеру, всасывающие насосы-компрессоры, винтовые и с перегородкой. Примером компрессора без внутренней компрессии является компрессор Roots.
Все вышеописанные компрессоры, работающие на объемном принципе, обладают общими характерными особенностями, которые можно проанализировать, сравнивая их с диаграммой работы компрессора Roots.
- Круговые линии n = const означают, что объем потока V лишь незначительно снижается при возрастании соотношения давлений р1/р2. Уменьшение объемного потока объясняется утечкой воздуха через неплотности. Это зависит от соотношения давлений р1/р2 и от времени, а не от числа оборотов. Отсюда следует, что:
- Соотношение давлений р1/р2 не имеет никакого отношения к числу оборотов. Таким образом, уже при небольшом потоке можно получить значительное соотношение давлений.
- Объем потока V не зависит от соотношения давлений, но приблизительно прямо пропорционален числу оборотов.
- В любом режиме отсутствует нестабильность. Компрессор может использоваться во всем диапазоне р1/р2, определяемом размерами компрессора.
Использование новых износоустойчивых материалов и новых технологий производства, позволяющих получить стабильное качество, вернули механические компрессоры на рынок. Так как механический компрессор приводится прямо от коленвала двигателя, он вызывает мгновенную реакцию на нажатие педали акселератора. Это особенно проявляется при низком числе оборотов.
Поскольку отработавшие газы не используются для привода компрессора, они могут быть отведены напрямую, что дает намного более низкую внутреннюю температуру двигателя. В случае колебаний давления наддува температура отработавших газов изменяется в случае механического компрессора меньше, чем у турбокомпрессора, что благоприятнее для работы катализатора.
Введение катализатора для небольших дизельных двигателей способствует применению механических компрессоров.
Действительно, сопротивление в системе выпуска неблагоприятно для турбокомпрессоров. С другой стороны, у турбокомпрессора имеются следующие преимущества: он компактнее, его масса меньше, его давление наддува проще регулируется, он менее шумный и более мощный на высоких оборотах. Поэтому есть двигатели, оснащенные одновременно и механическим компрессором, и турбокомпрессором, например, Volvo D6A.
6.1. Компрессор Roots
Компрессор Roots - наиболее распространенный тип компрессора; он существует почти столько же, сколько и двигатель внутреннего сгорания. Роторы с механическим приводом, вращаясь, сжимают воздух, не касаясь друг друга и стенок корпуса.
Форма роторов и корпуса определяется их конструкцией, выбором материалов и износоустойчивостью. Синхронизация вращающихся роторов осуществляется при помощи шестерен (вращающихся вне компрессионной камеры). Используя компрессор, подающий больше воздуха, чем может всосать двигатель, создают избыточное давление наддува, увеличивающее мощность двигателя.
Компрессор Roots имеет почти такой же "возраст", как бензиновый двигатель. Он был назван в честь своих изобретателей, братьев Рутс.
Этот тип компрессоров имеет два таких недостатка, как тенденция к перегреву при торможении двигателем и излишняя подача воздуха при работе двигателя на холостом ходу. В качестве решения первой проблемы был создан разгрузочный клапан, который разгружает компрессор, когда производится торможение двигателем.
6.2. Спиральный компрессор
В спиральном компрессоре имеется внутреннее давление. Реализация этого принципа была затруднена из-за сложности смазки движущихся спиралей. На сегодняшний день во всех компрессорах используются современные износоустойчивые материалы, которым не требуется смазка.
Спиральный компрессор (в концерне VW он называется компрессором "G"), по типу используемой спирали, характеризуется низкими скоростями перемещения скольжения (при 10.200 об/мин - всего лишь 5,1 м/с), он герметичен благодаря использованию материала PTFE в бронзовом сплаве. Мощность компрессора увеличивают, изменяя ширину спиралей.
Принцип работы компрессора "G"
Рассмотрим работу компрессора "G". Для большей ясности будем рассматривать только работу спирали "а", хотя имеются две спирали "а" и "b" с одной стороны объемной спирали и еще две - с другой стороны. При каждом эксцентрическом движении объемной спирали происходит четыре рабочих цикла:
- С внутренней стороны объемной спирали "а", между спиралью и крышкой, впускается воздух. С наружной стороны спирали воздух проходить не может.
- Когда ось объемной спирали поворачивается на 90°, объемная спираль "а" отклоняется от спирали, установленной на крышке. Внутрь засасывается больше воздуха, в то время как воздух с наружной стороны спирали прокачивается в направлении впуска в двигатель через отверстие "с".
- При повороте спирали на 180° спираль "а" закрывает воздух со своей внутренней стороны, а воздух с наружной стороны может протекать. В центре продолжается перекачка воздуха к двигателю.
- При повороте спирали на 270° происходит максимальное всасывание с внутренней стороны спирали "а", в то время как сжатый воздух, который находится с наружной стороны спирали "а", проходит к двигателю.
6.3. Компрессор Wankel
Фирма Wankel использовала один из своих вращающихся поршневых компрессоров для того, чтобы придать двухтактному двигателю требуемую мощностью
Для осуществления своего проекта "Ro" лицензию на производство такого компрессора приобрела фирма ККК. Это довольно оригинальная конструкция, которая позволяет создать внутреннее давление 1:12 при частоте вращения 12.000 об/мин. Сжатый воздух не очень горячий, и давление не пульсирует слишком сильно. Благодаря прямому механическому соединению с коленвалом двигателя наполнение цилиндров не происходит с запаздыванием при нажатии на педаль акселератора, что улучшает "эластичность" двигателя. "Эластичный" двигатель обладает большим крутящим моментом на низких оборотах. Но, несмотря на это, в настоящее время недостатки компрессоров такого типа все еще существенны: необходимо значительное пространство под капотом и создается высокий уровень шума при работе. Интересным такой компрессор делает тот факт, что его довольно легко можно адаптировать к размерам двигателя, изменяя длину компрессора.
Принцип работы компрессора ККК Ro
- В этом положении воздух вытесняется из камеры 3.
- В этом положении камера 1 имеет наибольший объем. В ней находится определенное количество воздуха. Камера 2 наполняется. Камера 3 пуста.
- Проникновение внутреннего ротора уменьшает объем камеры 1. Расположение края отверстия U определяет степень сжатия. Камера 2 продолжает заполняться, а камера 3 готова к наполнению.
- Камера 1: выпуск сжатого воздуха во впускной коллектор двигателя, камера 2 находится в положении А и начинает наполняться.
Таким образом, сжатый воздух подается трижды за один оборот внутреннего ротора.
6.4. Компрессоры с перегородкой
Существуют два варианта этого типа компрессоров. В первом имеются перегородки, которые скользят в роторе со смещенным центром; эти перегородки закреплены в центре и не имеют контакта со стенкой корпуса. По причине эксцентричности ротора становится возможным изменение внутреннего давления. Для данного смещения центра степень этого сжатия (внутренней компрессии) определена путем перемещения края А в корпусе. Механический привод компрессора от двигателя обычно производится посредством ремня (клиновидного или зубчатого). Привод может быть либо непосредственный, либо через электромагнитное сцепление. Передаточное число может быть либо постоянным, либо изменяться во всем диапазоне чисел оборотов. Хорошо известным примером компрессора первого типа является компрессор Zoller, а второго типа - Shorrock, созданный в 1970 году. Над последним типом компрессора работали такие известные фирмы, как Pierburg и Bedix. Конструкторы фирмы Pierburg полагают, что, добавив к компрессору регулирующий клапан, можно получить лучшую производительность. Но такой клапан пока еще не используется на серийных компрессорах. Использование такого компрессора на бензиновых двигателях снижает потребление топлива на 4%, выделение оксидов азота (NOx) также снижается из-за понижения температуры в камере сгорания. Если удастся осуществить регулирование на впуске в компрессор при помощи лепесткового клапана, можно будет избавиться от дроссельной заслонки и производительность увеличится еще больше.
6.5. Объемный компрессор Comprex
Этот тип компрессора существует около 20 лет. Он появился в результате исследований в области газовых пульсаций, которые проводила швейцарская фирма ВВС.
Компрессор Comprex - это динамическая газовая система с механическим приводом, которая позволяет осуществлять передачу энергии отработавших газов при помощи пульсации давления.
Эта передача происходит в камерах ротора, который должен приводиться от двигателя плоским ремнем с целью возможности управления и поддержания процесса пульсации давлений. Передача энергии происходит в сотовом роторе со скоростью звука.
Работа температуры отработавших газов не зависит от числа оборотов двигателя. В случае неизменяемого передаточного числа между двигателем и компрессором с пульсацией движения процесс пульсации давлений будет оптимальным, в первую очередь, при определенном числе оборотов. Встраивая дополнительные камеры, растягивают зону лучшей производительности по оборотам, что улучшает характеристики наполнения под давлением.
Так как передача энергии в роторе осуществляется на очень высокой скорости, компрессор с пульсацией давлений быстро реагирует на изменение нагрузки. Время реакции определяется временем заполнения и прокачки впускных и выпускных воздуховодов. Как указано выше, сотовый ротор компрессора с пульсацией давлений приводится от коленвала двигателя плоским ремнем. Для снижения шума стенки камеры ротора отличаются размерами. Сотовый ротор вращается в цилиндрическом корпусе, на торцах которого каналы для воздуха и отработавших газов располагаются таким образом, что питание воздухом под низким и высоким давлением находится с одной стороны, а подача и выпуск отработавших газов под низким и высоким давлением - с другой. Ротор вращается в одну сторону.
Подшипники соединены с системой смазки двигателя. Дизельные двигатели более приспособлены к этому типу компрессора, так как пульсации в сотовом роторе ограничивают число оборотов компрессора до 4500-5100 об/мин. Сильная сторона таких компрессоров - высокая производительность на низких оборотах. Благодаря прямому приводу от двигателя достигается мгновенная реакция на нажатие педали акселератора. Чем выше скорость движения, тем более заметна разница между этим компрессором и обычными компрессорами.
turbo-standart.ru
