Все про механический нагнетатель воздуха

Как это работает

Для начала стоит обсудить непосредственно сам механический нагнетатель воздуха для автомобиля и попытаться уловить его суть.


Не путать с турбиной, то есть с турбокомпрессором.

Это разновидность наддува, который бывает агрегатный и безагрегатный. Среди безагрегатных популярность получил динамический (инерционный наддув). Но когда речь идет об увеличении мощности ДВС, в ход обычно идут агрегатные наддувы. Их некоторые даже собирают своими руками.

В теории такая система для автомобилей способна повысить производительность ДВС до 40%. Но расход топлива увеличиваться не будет. На многих машинах штатно стоит такая система.

Суть в том, что механизм активно создает давление, которое выше атмосферного, во впускном тракте. Это позволяет выдать максимум мощности при незначительных затратах горючего.

Есть разные способы увеличить производительность ДВС. В числе методов и впрыск воды, о котором мы подробно ранее рассказывали.

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.

Нагнетатель воздуха на авто – не все так просто

Однако использовать нагнетатель воздуха прямо в лоб оказалось достаточно затруднительно. Дело в том, что хотя мощность двигателя при этом увеличилась, но это создало ряд новых проблем, которые требовали своего решения для успешного внедрения наддува на авто. Одной из них явилось выделение значительно большего количества тепла при сгорании ТВС, из-за чего прогорали клапана, поршни, выходила из строя система охлаждения.

Другой особенностью стала повышенная вероятность возникновения детонации бензинового двигателя. Когда нагнетатель осуществляет дополнительную подачу воздуха в мотор, то возникающие в них при сжатии повышенные температура и давление могут вызвать детонацию, вследствие чего возможно разрушение двигателя, или как минимум, его преждевременный значительный износ. Избежать этого поможет использование высокооктановых видов топлива или декомпрессия, так по-другому называется уменьшение степени сжатия.

Новые виды горючего дороги, что увеличивает стоимость эксплуатации авто, а декомпрессия приводит к снижению выдаваемой мощности, т.е. теряется эффект от использования наддува воздуха.

Особенности установки

Сейчас повсеместно ведется продажа именно центробежных механических нагнетателей. Кто-то устанавливает их своими руками. Других вполне устраивает цена автомастерских, а потому они доверяют специалистам.

Так или иначе, в установке нагнетателя воздуха для машины нет ничего принципиально сложного. Здесь основной акцент следует делать на рекомендациях самого производителя.

Также важно убедиться в соответствии нагнетателя и характеристик самого автомобильного двигателя. Сам же процесс установки состоит из нескольких этапов

От автомобилиста потребуется:

Сам же процесс установки состоит из нескольких этапов. От автомобилиста потребуется:

  • настроить фильтр;
  • установить конструкцию на кронштейны;
  • подключиться к приводу;
  • закрепить ремни.

В теории, за счет механического нагнетателя происходит увеличение мощности силовой установки примерно на 50%. Параллельно можно поднять обороты на 30% от заводских значений. По этой ссылке посмотрите наглядные примеры из истории автомобилестроения.

Только рассчитывать на максимальный прирост всех рабочих характеристик, просто установив самодельный нагнетатель, не стоит. Подобный тюнинг требует более серьезного вмешательства, как и при установке термоленты на глушитель. Часто с заменой таких компонентов как коленвал, шатуны, поршни, клапана, распределительный вал и не только.

Теперь будет интересно послушать ваше мнение. А также почитать комментарии тех, кто сам занимался чем-то подобным и ставил себе нагнетатель.


Обязательно пишите свои ответы. Будет интересно их почитать и обсудить.

Watch this video on YouTube

Спасибо всем за внимание!

Подписывайтесь, оставляйте комментарии, задавайте актуальные вопросы и рассказывайте о нас своим друзьям!

Разновидности

Планируя установку нагнетателя своими руками, стоит сразу определиться с видом устройства. Есть самодельный вариант, но также осуществляется продажа готовых к установке систем.

Второй вариант более предпочтительный.

Механический нагнетатель приводной, имеет во многом одинаковую конструкцию и принцип работы. Но сам привод может быть разным. Как и цена всего узла.

Привод бывает:

  • прямым (от коленвала напрямую);
  • ременным (зубчатый, плоский или клиновый ремень);
  • с зубчатой передачей;
  • цепным;
  • электрическим.

Что же касается самих нагнетателей, то тут можно выделить несколько разновидностей.

Кулачковый. Самый старый вариант, который можно встретить на авто с огромным пробегом. Есть и современные аналоги. Наиболее известным считается Roots. Он же воздуходувка в народе. Дорогие, но по производительности себя не оправдывают. Потому спрос низкий.

Винтовой. Устройство напоминает предыдущий вариант. Отличается компактными размерами и солидными показателями производительности. Но и цена превышает кулачковые аналоги. В основном винтовые узлы применяются на дорогостоящих спортивных автомобилях.

Центробежный. Самый популярный и распространенный вариант в настоящее время. Внешне напоминает турбокомпрессор. Сравнительно недорогие, легкие и компактные. Без проблем устанавливаются на авто, могут использовать разные способы монтажа.

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.

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.

(3 оценок, среднее: 5,00 из 5) Загрузка…

Механический нагнетатель на карбюраторный авто – варианты построения

Механический нагнетатель был создан одним из первых, почти после появления ДВС. Он связан непосредственно с коленвалом двигателя авто и начинает работать сразу же после его запуска, обеспечивая подачу воздуха пропорционально оборотам мотора. Это является несомненным достоинством, но такой нагнетатель для своей работы отбирает часть мощности двигателя.

Существует несколько самых распространенных вариантов построения подобных устройств, наиболее известные из них показаны на фото. Их конструктивные особенности рассмотрены ниже:

  1. Нагнетатель ROOTS. Первоначально это были две обычные шестеренки, вращающиеся в разные стороны, помещенные в замкнутый корпус. С течением времени они видоизменились до того, что представлено на фото. Работает такой нагнетатель достаточно просто – вращающиеся лопатки ротора создают воздушный поток от входа к выходу. Основной недостаток подобных устройств – подача воздуха осуществляется неравномерно, что приводит к пульсации давления. Кроме того, после прохождения устройства возникающая турбулентность воздуха вызывает его нагрев. К достоинствам надо отнести простоту, компактность, и надежность, низкий уровень шума.
  2. Нагнетатель LYSHOLM. Относится к аппаратам винтового типа. Работает подобное устройство аналогичным образом – воздушный поток создается вращающимися роторами. Благодаря малому зазору между ними, обеспечивается требуемое качество наддува. Главным отличием подобного устройства будет сжатие воздуха внутри корпуса. Однако сложности проектирования и изготовления таких изделий вызывают их высокую стоимость, что ограничивает их применение в массовом производстве авто.
  3. Центробежный нагнетатель. Является наиболее распространенным типом и применяется как самостоятельно, в виде компрессора, так и в составе турбо устройств. Вращающиеся лопатки захватывают воздух и отбрасывают его на периферию корпуса. Двигаясь вдоль корпуса, имеющего улиткообразную форму, воздушный поток на выходе приобретает необходимое давление.

Для того чтобы центробежный нагнетатель работал эффективно, его крыльчатка должна вращаться с высокой скоростью. Обеспечение такого режима работы связано с трудностями смазки подшипников и создания подобных условий. Однако простота и относительно низкая стоимость самих устройств, сделала их наиболее популярными среди других типов нагнетателей. Особенно часто они используются для тюнинга авто, в том числе и семейства ВАЗ.

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.

Турбо нагнетатель воздуха


Такой подход к обеспечению мотора дополнительным количеством воздуха является наиболее популярным. Применяется он и для дизелей, и для бензиновых моторов. Принцип, на котором работает подобный нагнетатель, понятен из приведенного рисунка:

По сути дела, это комбинация двух устройств – турбины, использующей энергию выхлопных газов, и компрессора. Здесь надо сразу отметить, что режим турбо, применяемый для повышения мощности дизелей, применяется гораздо чаще, чем нагнетание воздуха в бензиновых двигателях. В них повышение давления ограничено появлением детонации, и введение режима турбо требует принятия специальных защитных мер.

Использование энергии отработанных газов связано с целым комплексом проблем, в первую очередь с применяемыми материалами. Лопатки турбины должны выдерживать температуру до тысячи градусов, и при этом скорость их вращения зачастую превышает десять тысяч оборотов в минуту. Однако режим турбо, при котором в дизель поступает дополнительный воздух, облегчает его работу.

Исходя из изложенных особенностей, наилучшим образом наддув турбо будет выполняться при высоких оборотах двигателя, когда турбина сильно раскручена. Другой особенностью такого режима является так называемое запаздывание. В момент резкого нажатия педали, пока сработает наддув в режиме турбо, проходит некоторое время, что и вызывает провал в характеристике.

Чтобы его обойти, применяются специальные технические решения. Одним из возможных вариантов будет применение двух нагнетателей турбо, один из которых работает на малых оборотах, а другой на высоких. Каждый из автопроизводителей по-своему решает эту задачу – кто-то использует мощный нагнетатель, обеспечивающий излишний приток воздуха на всех режимах, и при необходимости сбрасывает его излишки, кто-то применяет несколько маленьких нагнетателей вместо одного большого, кто-то реализует различные комбинации двух первых вариантов.

Если говорить о режиме турбо для бензиновых двигателей, то стоит отметить, что он максимально эффективен на впрысковых двигателях. Карбюраторный мотор может работать в режиме турбо, но ему необходима определенная доработка – установка жиклеров большего сечения, изменение уровня поплавковой камеры и ряд других мер. Тогда как для инжекторного двигателя все сведется к использованию новой прошивки.

Тем не менее, режим турбо зачастую реализуют и на старых машинах, в том числе и семейства ВАЗ, правда, в этом случае чаще всего применяют электрический наддув.

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:


С этим читают