Что такое механический наддув двигателя

Механический нагнетатель. Устройство и принцип действия.

Механический нагнетатель. Устройство и принцип действия.

Перед тем как приступить к чтению этой статьи, советую вам ознакомиться с материалом Турбина. Устройство и принцип действия.

Механизм, о котором пойдет речь в этой статье, известен нам как Механический нагнетатель, Supercharger, Kompressor. За этими названиями скрывается устройство, повышающее мощность двигателя за счет нагнетания в цилиндры воздуха под давлением, превышающем атмосферное.

Основным отличием данной системы от турбонаддува является то, что для привода компрессора используется не бесплатная энергия выхлопных газов, а часть энергии, производимой двигателем.

Отсюда все плюсы и минусы механических нагнетателей, к которым с одной стороны можно отнести мгновенный отклик на нажатие педали газа (компрессор всегда готов к своей работе, нет необходимости ждать пока он раскрутится и выйдет на свои рабочие обороты), отличную тягу на низах, а с другой стороны — повышенный расход топлива и меньшая итоговая мощность при том-же давлении наддува, нежели у систем с турбонаддувом.

Виды механических нагнетателей

В отличие от турбокомпрессора, в простонародье прозванного «улиткой» и имеющего лишь такой форм-фактор, механические нагнетатели бывают нескольких типов.

Роторный нагнетатель Roots

Этот самый древний и самый простой тип нагнетателей, обязан своим появлением американцам — братьям Филандер и Фрэнсис Рутс, еще в 1860 (!) году запатентовавшим этот роторный вид нагнетателя. Примечательно, что первоначально этот механизм использовался исключительно для вентиляции промышленных помещений и шахт, и лишь в 1885 году всем известный Готтлиб Даймлер получил свой патент на нагнетатель, работающий по принципу нагнетателя братьев Рутс. В 1900 году увидел свет первый серийный автомобиль марки Daimler-Benz, оснащенный первым механическим нагнетателем типа Рутс.

В 1949 году другой американский изобретатель, Итон, улучшил конструкцию нагнетателя — прямозубые шестерни уступили место косозубым роторам и воздух начал перемещаться не поперек их осей вращения а вдоль. Но как и до модернизации, основным принципом работы нагнетателей типа Roots стала простая перекачка воздуха в другой объем, без сжатия воздуха внутри механизма, так что роторный нагнетатель Roots это объемный нагнетатель. а не компрессор.

У этого вида нагнетателей есть ощутимые недостатки. С ростом оборотов двигателя и соответственно, скорости вращения роторов, нагнетатель начинает накачивать воздух слишком интенсивно и воздух начинает проникать обратно в нагнетатель. Таким образом, с определенного уровня оборотов, нагнетатель Рутс начинает потреблять мощности двигателя больше чем способен дать в ответ. В добавок, из-за несовершенной формы роторов, воздух подается неравномерно, прерывистыми качками, тем самым понижая КПД нагнетателя.

Однако есть и неоспоримые достоинства. Нагнетатели данного типа, в отличие от центробежных, начинают свою работу уже при низких оборотах и продолжают, без потери эффективности, нагнетать воздух в цилиндры. Этим качеством обусловлена любовь спортсменов — дрэгстеров и роддеров по всему миру к этим, самым простым нагнетателям.

Винтовой (спиральный) компрессор Lysholm

Автором идеи винтового компрессора является немецкий конструктор Кригар, еще в конце XIX века предложивший использовать подобные устройства в промышленных целях. Первый в мире винтовой нагнетатель был изготовлен и запатентован шведским инженером Альфом Лисхольмом в 1936 году и на данный момент компрессоры Лисхольм — наиболее совершенный и эффективный тип нагнетателей.

Внешне компрессор типа Lysholm очень похож на нагнетатель Roots, однако существенно отличается от него конструктивно. Внутри те же два ротора, однако их формы заострены елочкой, а сами они похожи на сверла. Поэтому компрессор и называется винтовой (спиральный). При вращении роторов воздух проникающий в нагнетатель не просто перекачивается в другой объем, а сжимается, следовательно, в отличие от нагнетателей Roots, воздух с ростом оборотов вытесняться обратно в нагнетатель не будет. Отсюда — отличный стабильный КПД в широчайшем диапазоне оборотов.

Однако и у этого совершенного агрегата есть минусы. Самый главный из них — очень высокая себестоимость и цена, делающая этот агрегат труднодоступным. Ну и конечно чуда не произошло — компрессор типа Lysholm все так-же потребляет мощность двигателя, ведь он приводится так-же — ремнем от шкива коленвала.

Для более наглядного представления о компрессоре Лисхольм, давайте разберем один =)

компрессор Lysholm в сравнении с нагнетателем Eaton типа Roots

Внешний вид. На фото — один из самых больших производимых сейчас Лисхольмов

Источник

Виды и принцип работы механического нагнетателя

Механический наддув является одним из способов повысить мощность двигателя. Главным элементом такой системы является механический нагнетатель (Supercharger или compressor). Он представляет собой компрессор, приводимый в действие за счет вращения коленчатого вала. Установка механического нагнетателя обеспечивает увеличение мощности двигателя до 50%. Supercharger осуществляет забор воздуха через воздушный фильтр, сжимает и далее отправляет его во впускной коллектор ДВС, что и способствует повышению мощности последнего.

Читайте также:  Чем промыть охлаждающую систему двигателя от масла

Конструкция и принцип работы механического наддува

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

Устройство механического наддува

Система механического наддува состоит из следующих элементов:

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

Схема работа механического наддува

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

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

Типы привода механического наддува

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

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

Виды механических компрессоров

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

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

Винтовой нагнетатель

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

Преимущества и недостатки схемы с механическим нагнетателем

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

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

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

Источник

Как устроен механический нагнетатель

Многие автолюбители уверены в том, что наддув двигателя может быть реализован исключительно посредством турбины. В действительно существует несколько видов агрегатов, которые обеспечивают нагнетание воздуха для улучшения мощностных показателей силового агрегата. Одним из таких агрегатов является механический нагнетатель. Мы вскользь затрагивали его устройство в материале, посвященном устройству систем наддува двигателя . Здесь же мы подробнее разберемся с принципом работы, устройством и основными неисправностями таких нагнетателей, а также попытаемся ответить на вопросы, касающиеся целесообразности их установки.

Коротко о главном

Во вступлении мы могли заметить ссылку на другой наш материал, где следующая информация уже приводилась, однако Avto.pro считает нужным напомнить, как работает наддув двигателя. Существует 2 основных метода увеличения мощностных показателей автомобиля: установка более мощного двигателя и улучшение показателей уже имеющихся агрегатов. Наддув – это одно из решений в рамках второго метода. Вот основные моменты, касающиеся работы двигателя и методик увеличения его показателей:

  • На 1 объемную часть топлива должно приходиться порядка 14 о.ч. воздуха. Чем больше топлива потребляет двигатель, тем больше воздуха ему потребуется;
  • Чем больше цилиндров в двигателе, тем больше габариты и масса, а чем они больше, тем больше мощности потребуется для быстрого разгона грузного автомобиля. Рано или поздно этот круг замкнется и автомобиль превратится в болид, потребляющий огромные объемы топлива и воздуха.
Читайте также:  Регулировка оборотов пылесоса для двигателя

Благодаря применение систем наддува двигателя инженерам удается создать небольшие, достаточно мощные и экономичные двигатели внутреннего сгорания. Вопрос в том, как в таких агрегатах решена проблема всасывания больших объемов воздуха . Одним из вариантов является механический нагнетатель. Забегая наперед скажем, что нагнетатели находят широчайшее применение в тюнинге благодаря высокому КПД, хороший прибавке мощности на низких оборотах и относительной простоте конструкции, тем временем как турбины стали основным решением для серийных автомобилей.

Что такое механический нагнетатель

Механический нагнетатель – это основное устройство системы наддува двигателя, использующее не давление выхлопных газов для приведения в движение крыльчатку, как это реализовано в турбонагнетателе, а мощность двигателя, которая отбирается агрегатом от коленчатого вала. Подобные устройства часто называют суперчарджерами (от англ. Supercharger ) или компрессорами. Они делятся на 2 основных типа:

  • Центробежные;
  • Механические объемного типа.

Принцип работы компрессоров примерно одинаков, однако конструкцию объемных компрессоров сегодня принято считать стандартом. Как показывает статистика, использование подобных устройств в качестве элемента тюнинга приводит к незначительному уменьшению ресурса двигателя. Проблема кроется в сильном повышении оборотов. Отдельные модели компрессоров, повышающие низкие и средние обороты, напротив, сказываются на ресурсе двигателя положительно. Вместе с новыми элементами системы наддува зачастую приходится ставить и кованные поршни с аналогичными шатунами – они имеют большую устойчивость к механическим нагрузкам, а также перепадам температур и давлений.

Как устроен механический наддув

В систему механического наддува входят следующие элементы: компрессор (нагнетатель), интеркулер, воздушный фильтр, дроссельная заслонка, датчика температуры воздуха, проходящего через впускной коллектор, заслонка перепускного трубопровода, датчик давления. Максимально упрощенную схему устройства компрессора вы можете видеть на изображении ниже:

Управляется компрессор при помощи дроссельной заслонки . Она полностью открывается на высоких оборотах, однако заслонка трубопровода закрывается – так весь объем воздуха подводится ко впускному коллектору. Если обороты невелики, дроссельная заслонка открывается на небольшой угол, а заслонка трубопровода, напротив, открывается полностью, возвращая часть воздуха к компрессору. Воздух от компрессора проходит через интеркулер (хоть он требуется не всем компрессором) и охлаждается примерно на 10°C , что способствует увеличению степени сжатия. Как уже было указано ранее, механический нагнетатель приводится в действие от коленчатого вала. Крутящий момент может передавать посредством:

  • Прямого привода. Компрессор при этом монтируется прямо на фланцах коленвала;
  • Шестеренчатого привода. Систем приводится в действие через несколько шестерней;
  • Ременного привода. Крутящий момент передается от коленвала к шкиву компрессора при помощи плоского, зубчатого или клиновидного ремня;
  • Цепного привода. Система привода устроена так же, как и ременная, но использует цепь.

Стоит отметить, что от типа привода будет зависеть не только качество передачи крутящего момента , но и шумность агрегата, а также его габариты. Надежный шестеренчатый привод отличается громоздкостью и шумностью. Почти настолько же надежный цепной привод сложен в обслуживании и отличается несколько меньшей шумностью. Наиболее распространенный ременной привод нуждается в частом обслуживании, но работает тихо. Для него также характерна проблема проскальзывания.

Подробнее о центробежных нагнетателях

Центробежные нагнетатели пользуются наибольшей популярностью среди остальных типов механических компрессоров наддува. Иногда их называют нагнетателями типа Vortech , хотя такое название не вполне корректно, так как происходит от имена названия компании-производителя. К слову, данную конструкцию можно считать прообразом турбонагнетателей. Скорость вращения ключевого элемента компрессора – крыльчатки – может достигать 60 тысяч об/мин . Устройство отлично показывает себя на высоких оборотах и хуже на низких и средних. К основным элементам систем наддува с центробежным нагнетателем принято относить:

  • Воздушный канал к нагнетателю;
  • Крыльчатку нагнетателя;
  • Кожух с диффузором;
  • Окружной воздушный туннель, иначе называемый воздухосборником или улиткой.

Давление воздуха на выходе из улитки не достигает впечатляющих значений. Дело в том, что давление и скорость воздуха максимальны на входе и в средней части улитки, а уже в конце воздух проходит по расширяющему каналу – его скорость остается большой, но давление резко падает. Впрочем, давление наддува оказывается достаточно высоким для существенного наращивания мощности двигателя. Отметим, что прямой привод неприменим для центробежных нагнетателей. Их приходится устанавливать вместе с редуктором.

Устройство и некоторые особенности центробежного нагнетателя описываются самим названием этого агрегата. Для интенсификации наддува крыльчатка компрессора должна вращаться с как можно более высокой скоростью . Говоря простым языком, нагнетаемое давление будет пропорционально квадрату скорости самой крыльчатки. Как читатель наверняка догадался, для центробежных нагнетателей характерен турболаг , хотя он и не столь заметен, как у более распространенных турбин. Работающий на пике своих возможностей компрессор производит много шума. Несмотря на недостатки, устройство может похвастать существенными плюсами: доступная цена, простота в установке и относительная простота в обслуживании.

Читайте также:  Как проверить обмотки асинхронного двигателя на исправность

Подробнее о нагнетателях объемного типа

Главной особенностью нагнетателей объемного типа является постоянство объемного КПД . Эффективность данных устройств зависит от оборотом нагнетателя и оборотов двигателя соответственно. Объемные нагнетатели гарантируют увеличение мощности двигателя как на низких, так и на средних оборотах. В зависимости от конструктивных особенностей и типа привода они подразделяются на:

  • Поршневые компрессоры;
  • Поршневые с переменным рабочим объемом;
  • Роторно-пластинчатые компрессоры;
  • Спиральные компрессоры;
  • Винтовые компрессоры;
  • Нагнетатели объемные типа

Эталоном объемных нагнетателей являются агрегаты типа Roots . Они достаточно просты и надежны. Их основными элементами является пара роторов со специфическим профилем, расположенных на паре осей и связанных шестернями. Особенность таких компрессоров в том, что они сжимают воздух в нагнетательном трубопроводе, а не в основном тракте. По этой причине их еще называют нагнетателями с внешним сжатием. Выделяют такие циклы работы агрегата:

  • Фаза впуска (расширение);
  • Перемещение;
  • Сжатие (выдавливание).

Как только начинается фаза сжатия , между парой роторов создается область пониженного давления, которая расширяется по ходу вращения роторов. Вследствие разрежения компрессор всасывает большие объемы воздуха, которые, ударяясь о лопасти, сжимаются и сталкиваются с новыми порциями воздуха. Вследствие этого в компрессоре наблюдается турбулентность и просачивание воздуха при высоких оборотах. Это отрицательно сказывается на КПД агрегата, хотя агрегат продолжает неплохо показывать себя на низких и средних оборотах. К слову, именно турбулентность является причиной нагрева компрессоров типа Roots, которые в обязательном порядке оснащаются интеркулером.

Концептуальные похожие на компрессоры типа Roots, винтовые компрессоры Линсхольма создают множество камер, на выходе из которых воздух проталкивается к двигателю. Именно за счет использования громоздких винтов вместо компактных роторов такие нагнетатели обеспечивают равномерный подвод больших объемов воздуха и не страдают от сильного перегрева. Также у них нет внешнего сжатия и они не страдают от эффектна турбулентности , что положительно сказывается на эффективности работы агрегата по всему диапазону оборотов двигателя. Обратная сторона медали: наличие небольших зазоров между лопастями. На современном оборудовании можно изготовить идеально прилегающие друг к другу винты, однако конечный продукт оказывается слишком дорогим для рядовых автолюбителей.

Что же выбрать

Выбирая между механическим нагнетателем и обычной турбиной , многие автолюбители отдают предпочтение второй. Это объясняется большим сроком службы, относительно простым обслуживанием и неплохим приростом мощности на широком диапазоне оборотов (особенно на высоких оборотах). Однако здесь стоит отметить следующее:

  • Компрессор увеличивает объем топливовоздушной смеси, тем самым позволяя реализовывать полную мощность двигателя заданного объема. Нагнетатель не нуждается в установке дорогостоящего коллектора и массе сложных доработок – только в минимальных;
  • Большинство компрессоров просты в установке – с этой работой могут справиться практически все СТО.

При этом полезный КПД подавляющего большинства механических нагнетателей падает по мере увеличения отнимаемой от двигателя мощности. В случае турбин ситуация обратная. Также нагнетатель не понижает расход топлива. Многие автолюбители сходятся на том, что турбина является более универсальным агрегатом . Если же автолюбитель решился на установку механического нагнетателя, ему стоит учитывать следующее:

  • Центробежные компрессоры дают стабильную прибавку мощности (особенно на высоких оборотах), но из-за своей геометрии их не всегда получается уместить под капотом авто. Проблема отчасти компенсируется тем, что агрегат можно установить на некотором отдалении от впускного коллектора;
  • Выбирая объемным нагнетатель, стоит отдавать предпочтение агрегатам с переменным рабочим объемом – они наиболее универсальны и имеют приемлемую геометрию. Также хороши винтовые компрессоры, но они несколько крупнее. Прибавка мощности может оказаться не слишком впечатляющей.

Сразу отметим, что в выборе подходящего компрессора много нюансов. Вот например: эффективность центробежного компрессора зависит от оборотов двигателя, но вследствие высокого КПД он дает ощутимую прибавку мощности даже на малых оборотах, однако полностью раскрывает свой потенциал на высоких. Нагнетатели объемного типа дают хорошую прибавку мощности прямо с холостых, что делает их отличным вариантом как для тяжелых автомобилей (универсалы, кроссоверы), так и коммерческого транспорта. Итого: центробежные – скорее для высоких оборотов, в меньшей степени для низких; объемные – скорее для низких , в меньшей для всех остальных.

Вывод

По ходу поиска механического нагнетателя автолюбителям обычно приходится выбирать между центробежными и объемными компрессорами. Их применяемость указывается в характеристиках агрегата. Однако на всякий случай автолюбителю стоит обратить внимание на характеристику давления наддува и соотнести ее с показателями из таблицы степеней сжатия (эту информацию можно найти в сети). Правильно подобранный нагнетатель практически не влияет на эксплуатационный ресурс двигателя, однако мы все же советуем проверить систему охлаждения силового агрегата, сцепление. После установки нагнетателя рекомендована более частая проверка состояния масла и четкое соблюдение регламентов замены топливного и воздушного фильтров. Если вы планируете установку более мощного агрегата, то вам может потребоваться замена распредвала, водяной помпы, коллектора, клапанной крышки, свечей зажигания, рокеров, поршней, впускных и выпускных клапанов.

Если Вам понравилась публикация, поделитесь новостью в социальных сетях и подписывайтесь на канал .

Источник

Adblock
detector