Виды и принцип работы механического нагнетателя

Турбонагнетатель

Турбонагнетатель в сборе. Турбина — слева, компрессор — справа

Простой турбонагнетатель фиксированной геометрии в разрезе

Таковым является нагнетатель, конструкция которого включает в себя миниатюрную турбину, а принцип работы основан на использовании энергии потока выхлопных газов самого мотора, на который осуществляется наддув. Выхлопные газы, воздействуя на турбину, располагающуюся в выпускной системе сразу за выпускным коллектором, раскручивают её, а она передаёт энергию вращения на компрессор. Принципиальная конструкция каждого из двух исполнительных узлов турбонагнетателя в общем и целом идентична для любой разработки, доведённой до стадии работающего агрегата, и предполагает одну одноконтурную турбину и один . При этом фактическая конструкция турбины, компрессора, вала и корпуса может быть весьма различной: так, помимо канонических простых совмещённых турбонагнетателей фиксированой геометрии на подшипниках скольжения, возможно применение турбин изменяемой геометрии, применение двойных спиральных каналов подвода газов к турбине (так называемый Twin-Scroll), применение двойных каналов выхода воздуха с компрессора, разнесение турбины и компрессора на существенное расстояние друг от друга, применение керамических роторов, установка вала на подшипниках качения. Важными (хотя и не особо декларируемыми) критериями мощности и эффективности турбонагнетателя являются наружные диаметры его турбинного и насосного колёс (что можно примерно оценить визуально по размеру корпуса), частота вращения ротора и величина турболага, присущего всем без исключения турбинам.

Турбонагнетатель всегда работает в режиме высоких температур выхлопных газов, а подшипники вала турбонагнетателя являются самой термонапряжённой деталью мотора, которая контактирует с моторным маслом, что накладывает особые требования как к технологии производства деталей, составляющих турбонагнетатель, так и к качеству масла и его ресурсу. И то и другое долгое время было одним из сдерживающих технологических факторов для какого-либо массового внедрения турбонагнетателей на бензиновых моторах .

Любой бензиновый мотор с турбонагнетателем изначально проектируется под наддув. Применение турбонагнетателя на бензиновом моторе, изначально спроектированном как , без переделок в принципе возможно, но приведёт к быстрому (если не моментальному) разрушению такого мотора при работе. Необходимость постоянного контроля детонации требует наличия некоей управляющей электроники, что обычно подразумевает систему питания мотора на основе электронного (или как минимум электронно-механического) впрыска. Массовые карбюраторные моторы с турбонагнетателями были крайне редки ввиду чрезмерной механической сложности своих систем питания. Широкое применение турбонагнетатели получили на дизельных моторах коммерческого транспорта — на моторах грузовиков, тракторов, локомотивов, судов. Здесь разрешающими факторами стали повышенная детонационная стойкость дизельных моторов и их более высокий КПД, предполагающий меньший уровень теплового излучения, относительная нетребовательность к эффективности работы мотора коммерческого транспорта в переходных режимах, достаточное пространство моторного отсека.

Особенностью работы турбонагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что в случае его применения эффект от наддува всегда превышает энергетические затраты на наддув. То есть, для любого мотора, оснащённого турбонагнетателем, всегда возможно получить такой режим наддува, который форсирует мотор настолько, что разрушит его. Мощность любого мотора с турбонагнетателем в 100 % случаев ограничивается прочностью самого мотора, его моторесурсом, а не эффективностью турбонагнетателя. Необходимость ограничения эффекта наддува есть причина того, что турбонагнетатель никогда не применяется на моторах сам по себе, а только комплексно в составе системы турбонаддува, в которой он является основным её элементом, но не единственным.

Винтовой нагнетатель воздуха

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.

Устройство компрессора

Любой автомобильный компрессор состоит из нескольких основных элементов:

• привод;
• компрессорная группа;
• ресивер для компрессора;
• контрольные приборы, кнопки для управления, датчики.

Привод

Данная составляющая устройства может быть электрической. Компрессор бывает трехфазным или же однофазным. Работает он от так называемого асинхронного электродвигателя. Если работа проводится вдали от источников тока, то используется специальный автономный привод.

Компрессорная группа

Специалисты делят привод компрессоров на два типа: с ременной передачей и с прямым приводом. Часто эти категории используется именно в винтовых компрессорах. В этой конструкции есть специальный электронный блок управления, меняющий производительность двигателя и количество его оборотов в зависимости от расходуемого воздуха.

Ресивер

Данный товар практически всегда поставляется вместе с компрессором. Изделие представляет собой сосуд из металла или пластика, где система накапливает воздух. По мере необходимости он расходуется. Одной из дополнительных функций ресивера является сглаживание пульсации давления в тот период времени, когда аппарат функционирует. Кроме того, последний аспект является актуальным чаще всего именно для поршневых компрессоров, которые имеют небольшой объём.

Кнопки для управления, контрольные приборы и датчики

Манометр всегда присутствует в любом, даже самом простом комплекте. Он необходим для самостоятельно контроля уровеня давления воздуха.

Между компрессорным блоком и ресивером установлен обратный клапан, который предназначен для сохранения воздуха в ресивере и снижения нагрузки.

Для нормализации давления на выходе есть специальный редуктор, который тоже имеет манометр.

Принцип работы

Чтобы понять, как работает компрессор для автомобиля, необходимо рассмотреть схему функционирования самого обыкновенного четырехтактного двигателя. Во время движения вниз поршня воздух разряжается, после чего он попадает в специальную камеру сгорания. Далее воздух начинает взаимодействовать с топливом, а затем создается специальный заряд, который может превратиться в кинетическую энергию во время горения. Процесс горения обеспечивает свеча зажигания.

В тот момент, когда окисление топлива начинается, система выбрасывает большой объём кинетической энергией. Данный процесс можно назвать взрывом, сила которого воздействует на поршень, благодаря чему тот начинает двигаться. Далее сила движения поступает на колеса, и они начинают вращаться.

Задача компрессора заключается в том, чтобы удержать определенное количество воздуха при входе в двигатель. В результате давление повышается, в двигатель поступает необходимое количество топлива, и мощность увеличивается.

Далее в работу вступает механический нагнетатель.  Он запускается при помощи приводного ремня. Компрессионный ротор выпускает определенное количество воздуха, максимально сжимает его и отправляет в так называемый впускной коллектор.

Средняя скорость вращения компрессора варьируется в пределах 50-60 тысяч оборотов всего за одну минуту.

Результатом всех этих действий и процессов становится увеличение подачи количества воздуха в двигатель автомобиля.

Как выбрать компрессор для автомобиля?

При выбора подходящего изделия, надо определиться со следующими данными:

• габариты (чем меньше компрессор, тем его мощность ближе к минимальной);
• максимальные запасы производительности и мощности;
• производитель;
• конструкция.

• Drive2.ru
• qvarto.ru
• Tut.by
• automanya.ru
• DRIVE2
• off-wheels.ru
• Grounde.ru
• pnevmopodveska24.ru
• FB.ru
• SYL.ru
• StankiExpert.ru

Конструкция и принцип работы механического наддува

В современном автомобилестроении применяется несколько видов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и принцип нагнетания воздуха.

Устройство механического наддува

Система механического наддува состоит из следующих элементов:

• механический нагнетатель (компрессор);
• интеркулер;
• дроссельная заслонка;
• заслонка перепускного трубопровода;
• воздушный фильтр;
• датчики давления наддува;
• датчики температуры воздуха во впускном коллекторе.

Схема работа механического наддува

Управление механическим нагнетателем осуществляется при помощи дроссельной заслонки, которая при высоких оборотах открыта. При этом заслонка трубопровода закрыта, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя. Когда двигатель работает на низких оборотах, открыта под небольшим углом, а заслонка трубопровода открыта полностью, что обеспечивает возврат части воздуха на вход компрессора.

Поступающий из нагнетателя воздух проходит через интеркулер, что снижает температуру нагнетаемого воздуха примерно на 10°C, способствуя более высокой степени его сжатия.

Типы привода механического наддува

Ременной привод кулачкового компрессора

Передача крутящего момента от коленчатого вала к механическому компрессору может осуществляться различными способами:

• Система прямого привода – предполагает  монтаж компрессора непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя.
• Ременный привод. Передача усилий реализуется при помощи ремня. Различные производители используют свои виды ремней (плоские, клиновидные или зубчатые). Системы с использованием ремня характеризуются коротким сроком службы и вероятностью возникновения проскальзывания.
• Цепной привод. Имеет аналогичный ременному приводу принцип.
• Шестеренчатый привод. Недостатком такой системы является повышенный шум и большие габариты.

Виды механических компрессоров

Центробежный компрессор

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

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

Винтовой нагнетатель

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

Нагнетатели, приводимые волновым давлением газа

Нагнетатель, приводимый волновым давлением газа (рис. «Нагнетатель, использующий волновое давление газов» ) представляет собой газодинамиче­скую машину, основным компонентом которой является ротор с открытыми каналами, рас­положенными коаксиально по его окружности («секционное колесо» или «ротор»). Через отверстия для впуска и выпуска свежего воздуха и отработавших газов и торцевые поверхности ротора осуществляется повышение давления в каналах. Свежий воздух сжимается в каналах ро­тора в ходе газодинамических процессов. В ходе этого процесса свежий газ и отработавшие газы кратковременно вступают в контакт друг с дру­гом. Существенно важным для функционирова­ния является тот физический факт, что процесс газодинамического сжатия происходит в течение значительно более короткого периода времени, чем время смешивания двух газовых потоков.

Принцип действия нагнетателя, приводи­мого в действие волновым давлением газа, основан на том, что волна давления на откры­том конце отражается, как волна разрежения, а на закрытом конце — как волна давления; это также относится к отражению волны раз­режения. Для контроля и поддержания этого

процесса отверстия каналов должны проходить через «открытые концы» и «закрытые концы», т.е. секционный ротор должен вращаться. Мощность привода используется просто для компенсации потерь в подшипниках ротора и потерь на вентиляцию и для ускорения ротора в случае внезапного увеличения нагрузки. Путем соответствующего конфигурирования тракта прохождения газа в корпусе можно обеспе­чить достаточно равномерное распределение температуры в роторе с целью обеспечения достаточно малых зазоров. Акустические ха­рактеристики могут быть улучшены путем со­ответствующего конфигурирования секций.

Диаграммы газовых потоков и состояний (рис. «Схема потоков газов и диаграмма состояний нагнетателя, использующего волновое давление газов» ) иллюстрируют процессы в базовом на­гнетателе, приводимом в действие волновым давлением газа при полностью открытом дрос­селе и умеренной частоте вращения коленча­того вала. Энергообмен в каналах происходит со скоростью звука, и благодаря используе­мым принципам действия нагнетатель очень быстро реагирует на изменение потребности двигателя, причем фактическое время реакции определяется процессами наддува в воздухо­водах и выпускных трубах. Скорость звука, а также физические характеристики являются функцией температуры, что означает, что они в основном зависят от величины крутящего момента двигателя, а не от частоты вращения коленчатого вала.

Нагнетатель Comprex

Если передаточное отношение между двига­телем и секционным ротором постоянно, что и имеет место для приводимого при помощи ременной передачи нагнетателя, волновой процесс оптимален только в определенной ра­бочей точке. Для устранения этого недостатка в передней части кожухов размещают специ­альные «карманы», позволяющие получить высокую производительность нагнетателя и оптимальную кривую наддува в относительно широком диапазоне рабочих режимов.

Ротор нагнетателя Comprex имеет постоян­ную смазку, а подшипник ротора расположен со стороны подвода и отвода воздуха. Воз­душный кожух изготовлен из алюминия, а для газа — кожух из материала NiResist. Ротор с осевыми ячейками изготовлен методом литья по выплавляемой модели. Давление наддува регулируется в соответствии с потребностью двигателя при помощи перепускного клапана.

Нагнетатель Нуртех

дальнейшим развитием нагнетателя Comprex является нагнетатель Нургех, который пока что не поступил в серийное производство, но рассматривается возможность его применения на автомобилях с бензиновыми двигателями малого рабочего объема. Ротор нагнетателя Нургех приводится во вращение независимым электродвигателем, благодаря чему нагнета­тель может быть лучше адаптирован к рабо­чему состоянию двигателя.

В дополнение к другим модификациям, улучшающим пуск холодного двигателя, асим­метричное расположение секций позволило улучшить акустические характеристики. Газо­вые карманы переменного объема позволяют повысить эффективность в нижнем диапазоне частоты вращения коленчатого вала с соот­ветствующим увеличением давления наддува. Применение нагнетателя Нургех требует на­личия современной электронной системы управления двигателем.

В следующей статье я расскажу о турбокомпрессорах для двигателей внутреннего сгорания.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Прочие типы нагнетателей

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. Идея
спирального одноосевого нагнетателя также очень стара. В 1905 году изобретатель
Леон Креукс подал заявку на патент. Первоначально предусмотренный в качестве
паровой машины, такой нагнетатель имел два спиральных витка, расположенных один
в другом. В течение десятилетий он совершенствовался и, в конце концов,
превратился из первоначальной четырехструйной машины в восьмиструйную, которая
была оснащена двумя камерами — внутренней и внешней — по обеим сторонам с углом
разворота 180 градусов относительно друг друга. Но тогда о массовом производстве
таких нагнетателей можно было только мечтать, потому что в то время еще
отсутствовали соответствующее технологии и оборудование. Сложность производства
заключалась также в том, что изготовление деталей должно было быть максимально
точным, так как любое отклонение в структуре или качестве поверхности могло
привести к значительному снижению КПД. Поэтому в качестве нагнетательного
аппарата для автомобильного двигателя спиральный нагнетатель стал использоваться
очень поздно. С середины восьмидесятых до 1992 года его серийно использовал лишь
«Volkswagen» в моделях «Polo», «Corrado», «Golf» и «Passat». Однако ряд фирм
(преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры и сегодня.

Также спиральный нагнетатель имеет важные преимущества: высокий КПД (75,9% у
прототипов) и низкий уровень шума, хорошее уплотнение (благодаря чему наличие
давления наддува проявлялось уже на малых оборотах) и малые потери на трение.

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.

Следует упомянуть незаслуженно забытые в автомобилестроение шиберные, или
лопастные, нагнетатели. Это довольно простые по конструкции и принципу действия
машины. Цилиндрический корпус имеет два отверстия, как правило, растянутые 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. Хорошо сконструированный
шиберный нагнетатель может быть 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 низкооборотными, но довольно габаритными.
Это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были
забыты. В настоящее время появляются новые материалы и технологии, которые
делают вновь востребованными старые технические решения и конструкции.

Центробежный нагнетатель

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.