Механический нагнетатель воздуха в автомобиле: устройство, принцип работы, классификация

Немного исторических сведений

Использовать нагнетатель воздуха в своих разработках первыми начали Alfa Romeo Mercedes и Fiat. Вообще же идея применять механический компрессор была придумана и разработана практически сразу же после изобретения самого ДВС уже в 1885 г ученый Готтлиб Даймлер оформил патент на свой нагнетатель воздуха.

Внешне его идея немного отличалась от нашего понимая сути нагнетателей: он предлагал, что некий насос или специальный вентилятор будет нагнетать в двигатель большую нежели, обычно порцию кислорода.

Вскоре, всего через 7 лет, в 1902 году Луис Рено получил свой патент на конструкцию центробежного нагнетателя. Рено даже сделали выпуск малой серией автомобиля с нагнетателем, однако в дальнейшем проект забросили.

Альфред Бюхи так же в 1905 году придумал свой турбонагнетатель, который работал с использованием выхлопных газов. Известные roots носят фамилию своих изобретателей изобрели их еще аж 1859 году братья Рутс. Из себя рутс представляют роторно-шестерёнчатые компрессоры.

Винтовой компрессор был изобретен значительно позже, в 1936 году, патент принадлежит Альфу Лисхольму, главному инженеру SRM. У всех этих устройств есть один общий момент, в свое время, а это почти 100 лет назад, они не получили должного распространения ввиду заторможенности общего технического процесса. Зато ныне компрессор — это важная составляющая современного автомобиля.

Механический компрессор что это?

Механический компрессор представляет собой одну из разновидностей систем наддува воздуха для увеличения мощности двигателя. Главной целью использования такого нагнетателя является создание заметно повышенного давления, которое превышает атмосферное во впускном коллекторе мотора. Компрессор называется механическим по причине того, что имеет привод непосредственно от коленвала двигателя.

В этом состоит и его главное отличие от другой системы нагнетания воздуха в цилиндры под давлением-турбокомпрессора.

Механический нагнетатель еще называется суперчарджер (от англ. supercharger). Механические нагнетатели способны обеспечить прирост мощности двигателя до 50%. Показатель крутящего момента увеличивается до 30%. Недостатком механического нагнетателя заслуженно считается то, что для его работы требуются существенные затраты мощности самого двигателя. Энергия расходуется на  привод нагнетателя, а отбор мощности достигает отметки в 30%.

Устройство нагнетателя

Для работы мотора в машине нужна ТВС (топливо-воздушная смесь), соотношение элементов зависит от нагрузки, режима работы. Без дополнительного оборудования ТВС подается за счет разряжения при впуске и полностью зависит от объема цилиндров. Объем можно увеличить, если создать дополнительное давление. В результате сгорит больше ТВС, мощность увеличится.

Подобный подход экономит топливо, так как требуемую мощность можно получить при небольшом объеме цилиндров.

Механический наддув состоит из:

1. компрессора;
2. воздушного фильтра;
3. интеркулера (охладителя);
4. двух заслонок (дроссельной, трубопроводной);
5. двух датчиков (температуры, давления).

Механический нагнетатель связан с коленвалом, поэтому работа начинается одновременно с запуском мотора, объем подаваемого на двигатель воздуха пропорционален оборотам, что является основным преимуществом этого оборудования. Минусом считается потеря мощности двигателя.

Принцип действия

Механическим нагнетателем для автомобиля управляет заслонка на дросселе. Если обороты высокие, она открывается при закрытой заслонке на трубопроводе. Воздух свободно перемещается в коллектор. При низких оборотах заслонка дросселя тоже открыта, но под углом. Заслонка трубопровода при этом открывается полностью, возвращая часть воздуха обратно в компрессор. Функция интеркулера — снизить температуру воздуха на 10 градусов с целью повысить степень сжатия.

Крутящий момент от коленвала на компрессор передается через:

• прямой привод (если нагнетатель установлен на фланец вала);
• ремень (плоский, с зубьями или клиньями);
• цепь;
• шестеренчатую передачу.

Недостаток ремней — вероятность проскальзывания, короткий срок службы. При использовании шестерни увеличиваются размеры оборудования, создается дополнительный шум. Механический компрессор ДВС конструктивно может отличаться от других похожих решений. Главным отличием от аналогичных систем зачастую выступает система его привода. Нагнетатели могут иметь следующее приводное устройство:

• систему прямого привода, при которой нагнетатель имеет крепление напрямую к фланцу коленвала;
• устройство ременного привода, которое включает в себя различные виды поликлиновых, зубчатых или плоских ремней;
• привод на основе цепи (цепной привод);
• зубчатую передачу, под которой стоит понимать цилиндрический редуктор;
• электрический привод, который подразумевает использование отдельного электродвигателя.

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.

Классификация

Разработано несколько систем, обеспечивающих механический наддув. Они отличаются по конструкции, методу нагнетания, эксплуатационным особенностям. Roots (роторный, кулачковый нагнетатель). Это оборудование не совсем является компрессором, а скорее объемным нагнетателем. Сначала это были две шестерни, соединяющие оси двух роторов, вмонтированные в корпус. Поток воздуха создавался благодаря вращению роторов, оснащенных лопатками со сложной конструкцией.

Нагнетание воздуха в трубопровод создавалось во время его перемещения между кулачками и корпусом.

Плюсы роторной конструкции:

• начало активной работы на низких оборотах;
• отсутствие потери эффективности во время работы;
• надежность, простота, компактные размеры конструкции;
• бесшумность;
• длительный срок эксплуатации.

Машины с роторным наддувом в почете у гонщиков-спортсменов.

Основные недостатки этого типа оборудования:

• подача воздуха неравномерная, пульсирующая;
• на высоких оборотах (большой скорости вращения роторов) создается большой поток, излишки которого, возвращаются в нагнетатель. В результате Рутс выдает меньше энергии чем потребляет, снижается КПД системы.

На средних оборотах поток воздуха тоже пульсирует, что вызывает чрезмерный перегрев. В более современные системы монтируется перепускной клапан или муфта с электроприводом для отключения агрегата.

Центробежный нагнетатель

Этот самый распространенный вид механического наддува. Такое оборудование устанавливается отдельно (как компрессор) или вместе с турбонагнетателем.

Главная деталь такой конструкции крыльчатка, похожая на колесо турбины, вращающаяся со скоростью до 60 000 об/мин. Воздух под небольшим давлением но на большой скорости поступает на крыльчатку. Лопатки колеса бросают захваченный поток на корпус. При перемещении по корпусу-улитке приобретается нужный уровень давления. В коллектор, поток перемещается уже на небольшой скорости, но под высоким давлением.

К плюсам можно отнести:

• простоту;
• небольшой вес;
• сравнительно низкую стоимость.

Благодаря этим свойствам центробежные нагнетатели часто используют для тюнинга.

Важно знать и недостатки:

• начало работы только после достижения определенного количества оборотов;
• для повышения эффективности требуется высокая скорость вращения колеса.

Недостатками предопределена необходимость в создании требуемых условий, проблемами при смазке подшипников.

Винтовой нагнетатель (спиральный компрессор Lysholm)

Внешний вид напоминает Roots, но конструкция другая. Внутри корпуса два ротора, похожие на сверла, с формой заостренной елочки. Именно из-за особенностей конструкции система называется винтовой (спиральной). Воздух после поступления в корпус не просто перекачивается, а сжимается. А это значит, что при больших оборотах он не будет возвращаться обратно в компресор и не будет потери мощности. Результат — сравнительно высокий, стабильный КПД, который считается главным преимуществом. Благодаря этому, таким наддувом комплектуются машины класса элит, спорткары.

Недостатки спиральной конструкции:

• сложность, высокая стоимость проектирования, производства;
• все тоже потребление мощности мотора.

Комбинированная (двухступенчатая) система наддува состоит из двух компрессоров. Один из них приводной, механический, его предназначение — обеспечить работу двигателя на малых оборотах. Второй элемент чаще всего турбо, утилизирующий выхлопные газы. При достижении определенного уровня оборотов механический нагнетатель выключается и в работу вступает турбина, работающая от выхлопных газов.

Центробежный нагнетатель

Что касается центробежного нагнетателя, то процесс нагнетания воздуха в нем реализован по такому принципу, который напоминает турбокомпрессор. В своей основе он имеет рабочее колесо-крыльчатку. Колесо вращается с очень высокой скоростью, а число оборотов может достигать отметки в 50000-60000 об/мин.

Работает нагнетатель по следующему принципу, когда поступающий воздух засасывается компрессором в центральную часть колеса. Благодаря центробежной силе воздух направляется по лопастям особой формы. Воздух из рабочего колеса выходит уже на большой скорости, но еще имеет низкое давление.

Именно во время выхода из колеса воздух проходит через особый диффузор, который имеет множество стационарных лопаток, расположенных вокруг рабочего колеса. Поток воздуха на высокой скорости и с низким давлением после прохождения диффузора проходит процесс преобразования и превращается в поток воздуха низкой скорости, но уже с высоким давлением.

Стоит отметить, что центробежные нагнетатели являются наиболее распространенным решением среди всех нагнетателей механического типа. Среди основных плюсов выделяют их компактные размеры, низкий вес, эффективность работы, разумную стоимость и отличную возможность различных вариаций крепления на двигателе.

К минусам центробежных нагнетателей относят сильно выраженную зависимость их производительности от скорости вращения коленвала двигателя. Разработчики сегодня особо учитывают эту особенность. Для центробежных нагнетателей широко используют привод с переменным передаточным отношением. Указанное передаточное отношение привода на максимальной отметке потребуется тогда, когда двигатель работает на низких оборотах, минимальное же отношение используется при режиме работы на высоких оборотах.

Благодаря ряду особенностей конструкции нагнетатели типа Roots и Lysholm устанавливают на автомобили для обеспечения высоких показателей динамики при разгоне, а центробежные нагнетатели наиболее эффективны при работе мотора в режиме пиковых нагрузок и максимально высокой скорости.

Кулачковый нагнетатель

Данный тип механического нагнетателя представляет собой одну из самых ранних разработок. Кулачковый нагнетатель стали устанавливать на автомобилях с 1900 года. В мире компрессор хорошо известен по имени изобретателей данной системы-Roots.

Современная реализация конструкции кулачкового нагнетателя выглядит таким образом, что нагнетатель имеет пару роторов. Эти роторы могут иметь три или четыре кулачка и вращаются друг другу навстречу.

Кулачки расположены так, чтобы находиться по спирали и размещены по всей длине ротора. Угол закрутки таких кулачков подобран именно для обеспечения наилучшей эффективности нагнетания воздуха при учете возникающих при этом потерь. По своей общей конструкции, а также и по принципу действия такой кулачковый нагнетатель напоминает шестеренный масляный насос, который устанавливается в системе смазки ДВС.

Поступающий воздух в компрессоре захватывается кулачками на роторе, перемещается в межкулачковом пространстве и пространстве между стенками корпуса устройства, сжимается, а затем осуществляется нагнетание во впуск. Такой принцип работы называется внешним нагнетанием.

Нагнетатели типа Roots отличаются тем, что быстро создают необходимое давления наддува. Отмечается также рост указанного давления параллельно с увеличением частоты вращения коленвала силовой установки автомобиля. В некоторых случаях компрессор может создать такое давление, которое превысит необходимое. Результатом станут воздушные пробки в нагнетательном канале и падение эффективного давления наддува, что и приводит к общему снижению итоговой мощности силового агрегата в различных режимах его работы.

Для того чтобы избежать таких негативных последствий, при использовании механических компрессоров различных видов обязательно реализуется дополнительный контроль и регулирование давления наддува. Давление наддува регулируется двумя доступными способами:

1. К первому способу можно отнести регулировку давления путем отключения нагнетателя. Зачастую такое отключение происходит при помощи электромагнитной муфты;
2. Ко второму способу относится перепускание воздуха в процессе непрерывной работы компрессора. Воздух перепускается при помощи перепускного клапана;

Сегодня системы механического наддува оснащаются электронными схемами регулирование такого наддува. Комплексное решение состоит из входных датчиков давления наддува, датчика во впуске, электронных управляющих блоков и т.д. Параллельно используются многочисленные механизмы исполнения, к которым относят электромеханические модули привода перепускного клапана, электромагнит муфты и другие устройства.

Нагнетатели типа Roots стоят достаточно дорого. Это обусловлено крайне малыми допусками в процессе их изготовления. Такие компрессоры демонстрируют повышенные требования к чистоте поступающего в компрессор воздуха. Любое загрязнение или посторонние предметы в системе впуска могут с легкостью вывести из строя чувствительный нагнетатель.

Компрессоры данного типа имеют солидный вес, а также характеризуются высоким уровнем шума в процессе их работы. Производители эффективно используют ряд мер для шумоподавления, начиная от специальной конструкции корпуса и заканчивая демпфирующими пластинами, резонаторами, демпферами и т.п.

Среди лидеров по производству нагнетателей Roots можно особо выделить компанию Eaton, которая специализируется на  изготовлении четырехкулачковых нагнетателей  Twin Vortices Series повышенной эффективности (в переводе с англ. это означает «двойная серия вихрей»).

Такие механические нагнетатели штатно установлены на серийные моторы Cadillac, Audi, Toyota. Встречаются моторы, на которых кулачковые нагнетатели являются составным элементом системы вместе с турбонагнетателями. Для примера стоит упомянуть двигатели семейства TSI с двойным наддувом.

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель является конструктивно схожим решением с нагнетателем Roots. Такие нагнетатели еще имеют наименование по имени их создателя и называются нагнетателем Lysholm.

Указанный компрессор состоит из двух роторов-шнеков особой формы. На одном роторе имеются характерные выступы, а на другом выемки-канавки. Данные роторы напоминают по форме  конус, а воздушные камеры между роторами становятся меньшего размера. Это видно в том случае, если следовать по длине ротора. Поступающий воздух захватывается шнеками,  далее перемещается и сжимается. Сжатие происходит в результате вращения шнеков.

Последним этапом становится нагнетание сжатого воздуха во впускной патрубок. Главным отличием винтового нагнетателя от кулачкового является то, что такой компрессор обеспечивает внутреннее нагнетание. Воздух нагнетается между шнеками, что делает способ более эффективным.

К минусам винтовых нагнетателей однозначно относится их высокая цена, которая  сильно превышает стоимость и без того не самых доступных кулачковых аналогов. По этой причине винтовые нагнетатели применяются довольно редко. Их чаще устанавливают на массовые дорогие спортивные автомобили или модели лимитированных серий.

 Принцип работы компрессора Lysholm

• Начиная встречное взаимное движение, пара роторов захватывает воздух.
• Вдоль роторов воздух порциями проталкивается вперед попутно сжимаясь.

Следовательно, на выпуске окна компрессора не возникает турбулентности, как у компрессоров «Рутса». Это является главным отличием от роторно-шестеренчатых нагнетателей. Подобная схема работы обеспечивает стабильно высокую эффективность на всех уровнях нагрузки.

Плюсы компрессоров «Лисхольм»:

1. Высокий КПД (70%)
2. Надежность
3. Компактная конструкция
4. Низкий уровень шума.

Главным и единственным минусом компрессоров «Лисхольм» является очень сложная форма роторов, из-за чего их производство является очень затратным и как следствие сам компрессор очень дорогой. Поэтому он не встречается в серийных авто и его производят очень мало компаний.

Плюсы и минусы компрессора механического типа

По сравнению с турбиной, механический нагнетатель работает за счет вращения коленчатого вала, а не от выхлопных газов. Несмотря на то, что компрессор увеличивает мощность, он, так или иначе, создает дополнительную нагрузку на силовой агрегат.

Это, в свою очередь, снижает КПД мотора, а также усложняет конструкцию двигателя, повышает его шумность, а также приводит к дополнительным растратам. При интенсивных нагрузках детали двигателя изнашиваются более интенсивно при наличии механического нагнетателя, чем на моторах без компрессора.

Основные плюсы:

1. Система этого типа не дорогая, легко устанавливается, обеспечивает хорошую работу на небольших оборотах, мгновенно реагирует на манипуляции с педалью газа.
2. Винтовые нагнетатели лучше всего функционируют на разгоне, центробежные на высоких скоростях.
3. Потери мощности практически нет, если система подключается к отдельному электроприводу.

Основные минусы:

1. Механический наддув осуществляется за счет вращательного момента коленвала. Если сравнивать с турбонаддувом, то мощность меньше, расход топлива больше, отбирается примерно 30% производительности мотора.
2. Привод создает определенный уровень шума. Если механическая система используется на высоких скоростях, детали изнашиваются очень быстро.
3. При установке на карбюраторный или инжекторный двигатель требуется дополнительная подготовка. Необходимо учесть изменения давления, то есть, заменить часть «железа», прошивку ЭБУ. Все работы нужно выполнить одновременно, чтобы предотвратить снижение мощности двигателя.

Важно правильно подобрать нагнетатель, учитывая устройство, принцип работы, соответствие:

• по производительности;
• размерам, весу;
• режимам функционирования;
• типу привода;
• особенностям смазки.

На практике чаще всего приобретаются новые или б/у комплекты механических нагнетателей воздуха, рассчитанные на конкретную модель авто. Они продаются вместе с инструкцией, приводом, трубопроводом для воздуха, ремнями, крепежом. При самостоятельном подборе важно знать классификацию, особенности эксплуатации. Необходимо учесть, что при сжигании большего объема топлива будет выделяться дополнительное количество тепла.

Перед установкой дорабатывается топливоподача, система охлаждения, конструкция цилиндров с учетом увеличения КПД. Чаще всего меняется бензонасос, форсунки.По этим причинам лучше всего доверить эту работу специалистам. Важно понимать, что с целью избежания детонации в будущем придется использовать высокооктановое топливо.

Спиральные компрессоры (нагнетатели)

Леон Креукс в 1905 году подал заявку на патент для создания паровой машины, которая в процессе 10 лет доработки превратилась в компрессор с двумя спиральными витками, восьмью струями вместо четырех, внешней и внутренней камерой расположенными по бокам с разворотом в 180 градусов. Но на тот момент думать о массовом производстве компрессоров было очень рано.

Не было материалов способных выдержать рабочую температуру и оборудования для точной обработки деталей. Последнее является решающим фактором, поскольку любая погрешность в изготовлении деталей, качестве или структуре поверхности могла привести к значительной потери КПД, быстрой поломке всего двигателя и нагнетателя в частности. Из-за этого его применение в машиностроении началось гораздо позднее.

Компания «Volkswagen» в середине 80-х годов начала активно экспериментировать с необычными спиральными компрессорами наиболее известными как G-lader устанавливая их на модели «Golf», «Passat», «Polo», «Carrado». Хотя сейчас это направление ею уже свёрнуто, работа инженеров VW в нем никогда не будет забыта. Их наработки продолжает использовать ряд (преимущественно немецких) производителей устанавливая спиральные компрессоры в свои авто.

Преимущества спирального компрессора:

1. Высокий КПД -76%
2. Хорошие уплотнения и как следствие хорошая отдача на малых оборотах.
3. Низки уровень шума

Поршневые компрессоры

Одна из самых распространённых схем среди обычных воздушных компрессоров является поршневые компрессоры (нагнетатели). На данный момент они совершенно не используются в автомобиле строении, в отличие от судоходства, где устанавливаются почти на все крупные судна.

Основным действующим элементом поршневого компрессора как это ни странно звучит, является поршень. При движении в нижнюю мертвую точку (НМТ) он выталкивает весь находящейся под ним сжатый воздух.

Шиберные (лопастные) компрессоры (нагнетатели также известные как ротационно пластинчатые компрессоры)

Говоря о незаслуженно забытых видах компрессорах, стоит обязательно упомянуть шиберные (лопастные) компрессоры – прекрасные в своей простоте конструкции и принципе действия апараты.
Устройство лопастного компрессора

В корпусе компрессора находится ротор чей размер составляет ¾ от внутреннего размера корпуса. Он смещен в одну из сторон относительно середины пары отверстий растянутых по всей длине цилиндра. На роторе нанесены несколько продольных канавок, в которые помещены лопатки. При вращении ротора воздух сначала засасывается в одну из долей (промежуток между лопатками), в момент когда лопасти выдвигаются  повинуясь центробежной силе, а затем сжимаются по пути подхода к выпускному отвествию.

Плюсы лопастного компрессора (нагнетателя)

Качественно изготовленные лопастные компрессоры могут создавать весьма и весьма большое давление. Если сравнивать их с теме же компрессорами Рутс  у них на 50% больше мощности, меньше шумность, выше КПД, меньше потери воздуха и его температура. К тому же они меньше отбирают мощности двигателя.

Минусы лопастного компрессора

Из-за свой конструкции лопастной компрессор имеет огромную фрикционную нагрузку между корпусом и шиберами (лопастями). Со временем  эксплуатации нагнетателя, увеличивался износ и потери воздуха, КПД существенно уменьшалось. Из-за этого лопастные компрессоры приходилось делали габаритными и низкооборотными. Что являлось недопустимо для развития машиностроения. О них стали отказывается и по не многу забывать.

По пришествию долгих лет металлообрабатывающая отрасль шагнула далеко вперед. Появились новые материалы и технологии высоко-точной обработки, конструкторы стали задумывается о применении старых технических решений, которые ранее не нашли применения в жизни. Возможно, в скором будущем лопастные компрессоры вернутся в массовое производство.

Видео: механический нагнетатель.