|
История
В
качестве первопроходцев, разработавших автомобильные двигатели с
наддувом, можно упомянуть такие компании, как Mercedes-Benz, Fiat, Sunbeam, Alfa Romeo. Сама идея принудительного
нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения
ДВС. Уже в 1885 г. Готтлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетатель.
Идея заключалась в том, что некий внешний вентилятор, насос или
компрессор нагнетает в двигатель увеличенный заряд воздуха. В 1902
г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя.
Было выпущено некоторое количество автомобилей, но затем все работы
в данном направлении свернули. Принцип действия турбонагнетателя,
работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал
швейцарский изобретатель Альфред Бюхи еще в 1905 г., но и здесь
технологии того времени притормозили внедрение подобных устройств.
Братья Рутс разработали объемный нагнетатель еще в 1859 г. Эти роторно-шестеренчатые
компрессоры теперь так и называются – компрессоры типа «roots».
На автомобилях устройства подобного типа появились в 20-е годы прошлого
века благодаря компании Mercedes. Винтовой компрессор был разработан
в 1936 г. Патент получил Альф Лисхолм – главный инженер SRM (Svenska
Rotor Maskiner). Тогдашний уровень развития технологий не способствовал
распространению подобных устройств, но сейчас они довольно популярны.
Были и другие типы нагнетателей. Со временем они естественным образом
разделились на механические (с приводом от коленчатого вала или
другим способом) и турбо (с приводом от выхлопной системы). Последние,
хоть и имеют общие корни и назначение, все же довольно обособленная
ветвь развития нагнетателей.
Центробежный
нагнетатель
Подобные нагнетатели получили в настоящее время наибольшее
распространение. По своей конструкции они наиболее близки к турбонаддуву,
поскольку имеют одинаковый принцип нагнетания воздуха. Разняться
лишь способы привода. Работа осуществляется следующим образом. Основная
деталь центробежного нагнетателя (рис.1) – рабочее колесо, или крыльчатка.
Она имеет довольно сложную конусообразную форму.
Рисунок 1 – Схема работы центробежного
нагнетателя
Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того,
насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая
эффективность всего нагнетателя. Итак, воздух, пройдя по сужающемуся
воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти
крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой
к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет
лопатки (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери
давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель
(воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму
(воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре).
Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока
на выходе из нагнетателя.
В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя
есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка
должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое
центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости
крыльчатки. Скорости могут быть 40 тысяч 1/мин и более, а для высоконапорных
компрессоров дизелей они приближаются к цифре 200 тыс. 1/мин. И
поскольку привод осуществляется от коленчатого вала посредством
ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно
сильный. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично
снимается введением дополнительного мультипликатора. Здесь стоит
упомянуть интересное решение компании Powerdyne. Внутри единого
корпуса нагнетателя располагается дополнительная повышающая ременная
передача. Она не требует обслуживания, смазки и рассчитана на пробег
более 80 тыс. км. Это позволяет уменьшить передаточное число внешней,
основной ременной передачи, чем снизить ее рабочие нагрузки. Высокие
рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых
материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от
центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также
отнести некоторую задержку в срабатывании, хотя нужно отметить,
что эта задержка не столь заметна, как у турбонагнетателей. И еще
одно замечание. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку
на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает
медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает.
Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными
для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей,
а не интенсивность разгона. Как было отмечено выше, центробежные
нагнетатели очень популярны. Сравнительно низкая цена и, самое главное,
простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа
почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы. Особенно в
сфере тюнинга. В настоящее время центробежные нагнетатели производятся
рядом компаний. Вот лишь самые известные из них: Paxton Automotive, Powerdyne Automotive,
ATI ProCharger, RK Sport, Vortech.
Объемный
нагнетатель
К классу объемных нагнетателей относятся
компрессоры типа «Roots». Конструкция их довольно проста и более всего напоминает
масляный шестеренчатый насос двигателя (рис.2).
Рисунок 2 – Объемный нагнетатель
типа «Roots»
В корпусе овальной формы вращаются в противоположные
стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены
на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами
и корпусом поддерживается небольшой зазор. Основное отличие этого
метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы
снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе.
Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием.
Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между
роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.
Главным минусом такого способа нагнетания является то,
что, раз процесс сжатия воздуха осуществляется вовне компрессора,
его эффективная работа возможна лишь до определенных значений наддува.
Как бы точно ни были выполнены детали компрессора, с ростом давления
в нагнетательном трубопроводе увеличивается просачивание воздуха
назад, и его КПД ощутимо снижается. Увеличивая скорость вращения
роторов, можно несколько снизить утечки воздуха, но это возможно
лишь до определенных пределов. Далее мощность, затрачиваемая на
вращение самого нагнетателя, может превысить добавочную мощность
двигателя. Чтобы повысить давление наддува, применялись конструкции
с двумя и более ступенями. Они позволяли поднять итоговые значения
давления в 2, 3 раза и больше. Но в силу того, что эти компрессоры
теряли одно из своих главных преимуществ – компактность, такие многоярусные
конструкции не прижились. Еще один существенный недостаток. В компрессорах
подобного типа при выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном
трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры
воздушного заряда. То есть, наряду с обычным ростом температуры
от непосредственно повышения давления, в данных компрессорах происходит
дополнительный нагрев. В этой связи подобные нагнетатели в обязательном
порядке оснащаются интеркулерами (особое устройство для охлаждения
воздуха). Шум от работы объемных компрессоров не столь сильный,
как у центробежных, и имеет несколько иную тональность. Но, в отличие
от последних, работа роторно-шестеренчатых нагнетателей сопровождается
пульсациями давления. Происходит это по причине неравномерности
подачи воздуха. Для снижения шума и амплитуды пульсаций в последнее
время наибольшее распространение получили роторы спиральной формы
с тремя зубьями (рис.3).
Рисунок 3 – Схема работы
нагнетателя типа «Roots»
Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно
компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют
добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и
равномерно.
В настоящее время современные технологические возможности
вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности.
Такие автогиганты, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors, устанавливают
на некоторые свои автомобили механические нагнетатели именно Roots-типа. Тому есть несколько причин. В первую очередь
объемные нагнетатели, в отличие от центробежных, эффективны уже
на малых и средних оборотах двигателя. Другой важный плюс – относительная
простота конструкции. Малое количество движущихся частей и малые
скорости вращения делают эти нагнетатели одними из самых надежных
и долговечных. Однако сложность в изготовлении и установке, а значит,
и высокая цена (относительно центробежных) несколько снизили их
рыночную популярность. Если не считать перечисленных выше производителей,
для вторичного рынка подобные нагнетатели производит несколько компаний.
Вот некоторые изних: Jackson Racing, Kenne Bell Superchargers,
Magna Charger. Отдельно стоит
отметить компанию Eaton Automotive. Именно она является лидером
по продвижению нагнетателей Roots-типа.
Винтовой
нагнетатель
По имени изобретателя эти компрессоры
иногда называют объемными нагнетателями типа Лисхольм. Они несколько
напоминают компрессоры типа «Roots» с роторами спиральной формы, но более всего эта конструкция
похожа на мясорубку (рис.4).
Рисунок 4 – Винтовой нагнетатель
С одним лишь отличием: шнек не один, их два, и они особым
образом входят в зацепление, имея взаимодополняющие профили. Два
ротора, захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное
вращение (рис.5). Порция воздуха проталкивается вперед, как мясо
вдоль шнека мясорубки.
Рисунок 5 – Схема работы
винтового нагнетателя
Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это
обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное
отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых
нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую
эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя.
Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение
корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших
давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в компрессорах
типа «Roots». Еще плюсы:
высокая эффективность, надежность и компактная конструкция. Кроме
того, винтовые компрессоры довольно тихие. Работают они почти «шепотом»
(разумеется, при правильном, точном проектировании и изготовлении).
Вот тут-то и кроется, возможно, единственный их минус. Дело в том,
что такие компрессоры довольно сложны в производстве и, как следствие,
дороги. По этой причине они практически не встречаются в массовом
автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих
эти прогрессивные нагнетатели, не так много: Comptech Sport, Whipple
Superchargers, Kleemann, AMG.
Лопастной нагнетатель
Лопастные нагнетатели - это довольно
простые по конструкции и принципу действия машины (рис.6).
Рисунок 6 – Схема работы
лопастного нагнетателя
Нагнетатель имеет цилиндрический корпус с двумя отверстиями,
как правило, растянутыми во всю длину цилиндра и находящимися на
одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса
находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего
диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно
посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых
находятся шиберы (лопасти). При вращении ротора благодаря заложенному
конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных
сил, воздух сначала всасывается в одну из долей, образованных парой
соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному
отверстию. Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры
нагнетают довольно большое давление. В сравнении с компрессорами
типа «Roots» они обладают
более высоким КПД, меньше пропускают воздуха, практически не нагревают
его и являются менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимают
меньше. Более того, при правильной конструкции шиберный нагнетатель
может быть практически на 50% более производительным, нежели компрессор
типа «Roots». В силу
своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин являются
высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере
износа КПД компрессора заметно падает из-за увеличения протечек
воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делают низкооборотистыми,
но довольно габаритными.
Спиральный
нагнетатель (G-Lader)
Спиральный компрессор работает по принципу перемещения
обегающего вытеснителя (плунжера).
Компрессор состоит из 2 половин корпуса с рабочими полостями,
вытеснителя (плунжера), приводного вала с противовесом, а также промежуточного
вала с эксцентрической цапфой, на которой устанавливается вытеснитель (плунжер).
Привод вала осуществляется зубчатым ремнем. В обеих половинах корпуса и на плунжере
имеются спирали (рис.7).
Рисунок 7
Корпус и плунжер изготавливаются из алюминиевого
сплава, кроме того, учитывая высокую частоту вращения плунжера, в материал для
его изготовления добавляют магний.
Работает такой
компрессор следующим образом: в отлитой в корпусе компрессора спирали в форме
буквы «G» вторая (плунжер) вращается эксцентрически. При этом между
перегородками обеих спиралей образуются полости (или даже можно сказать отсеки),
которые уменьшаются в объеме внутри (выпуск воздуха) за счет эксцентрического
движения вытеснителя (плунжера) и увеличиваются в объеме снаружи (впуск
воздуха) и таким образом ускоряют находящийся там воздух и повышают его
давление (рис.8, 9).
Рисунок 8 – Схема работы спирального
нагнетателя
Рисунок 9 – Рабочий цикл
компрессора
В
нижнем диапазоне частоты вращения коленчатого вала возникает необходимость
перепуска части воздуха обратно на впуск в компрессор. Управляет
этим процессом перепускной клапан (рис.10), установленный на впускном
трубопроводе двигателя, который открывает путь воздуху к впускному
патрубку компрессора.
Рисунок 10 – Перепускной
клапан
Существенным недостатком данного типа
нагнетателей является наличие высокого трения между корпусом и плунжером. Кроме
того, в данном случае спирали корпуса и плунжера кроме функции уплотнения
выполняют еще и роль рабочего органа, что не может не сказаться на низкой
долговечности данного компрессора.
В 80-х годах прошлого столетия компания Volkswagen
экспериментировала со спиральными нагнетателями. Сейчас это направление
компанией VW свернуто. Однако еще можно встретить автомобили Golf,
Passat и Corrado с такими нагнетающими устройствами, и, кроме того,
ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие
компрессоры.
|
