Центробежный компрессор на авто

Лет семь назад я написал на ресурсе mcautotuner ряд статей для любителей "дунуть") Отзывы очень приятные, думаю что весьма актуально будет выложить статьи на нашем любимом Драйв2.

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

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

Прокачать «сердце» автомобиля, усилить его движущую мощь хочет каждый автолюбитель. Есть несколько способов для получения заметного результата, но самым простым и распространенным является оборудование двигателя наддувом воздуха. Благодаря этому простому методу, можно добиться значительной прибавки лошадиных сил без увеличения рабочего объема, что в последнее время активно применяется большинством зарубежных автопроизводителей. Самыми распространенными являются турбокомпрессоры и приводные нагнетатели, которые на первый взгляд очень похожи, но в действительности имеют различия в конструкциях, тем самым оказывая разное влияние на характер автомобиля.

Чтобы понять, как работает эта система, не нужна специальная подготовка. Всё довольно просто: в цилиндры подается дополнительная порция воздуха, которая создает положительное давление на впуске. Это изменение отслеживается системой управления двигателем, которая настроена на приготовление рабочей смеси оптимального состава, что заставляет ее увеличить подачу топлива. В итоге мы получаем состав, при сгорании которого выделяется больше энергии, что и приводит к повышению мощности двигателя.

Читайте также:  Семена для дачи и огорода

Рассмотрим основные отличия данных систем. Источником энергии для турбокомпрессоров являются отработанные газы двигателя, которые вращают турбинное колесо устройства. В отличие от них, приводные нагнетатели используют механическую передачу от коленвала двигателя. Поэтому производительность наддува находится в прямой зависимости от частоты вращения мотора, то есть компрессор в любой момент обеспечивает необходимую подачу воздуха.

Типы приводных нагнетателей

За последние сто лет было создано много типов приводных нагнетателей, но в современном автомобилестроении применяются чаще всего только три разновидности: роторные, винтовые и центробежные. Подача воздуха в первых двух видах производится при помощи двух цилиндрических вращающихся роторов особой формы, а в третьем — лопатками крыльчатки.

Роторные компрессоры

Ключевыми характеристиками роторных компрессоров является простота конструкции, большой срок эксплуатации, уравновешенность, высокая чистота подаваемого воздуха и положительная зависимость давления воздуха за компрессором от частоты вращения роторов. Эта особенность важна при работе двигателя в часто меняющихся режимах. Воздух в рабочей полости компрессора не сжимается, поэтому роторные приводные нагнетатели еще называют компрессорами с внешним сжатием. Устройства эффективны только при умеренной степени повышения давления, которая равна отношению величины давления нагнетания к давлению всасывания. При росте давления на впускном окне, КПД компрессора резко падает.

Чаще всего применяются роторные компрессоры, оснащенные двумя одинаковыми роторами и отличающиеся поперечным расположением впускного и выпускного окон в корпусе устройства. Это наглядно видно на приведенном рисунке.

К недостаткам таких компрессоров можно отнести заметную зависимость КПД устройства от величины зазоров между работающими деталями, большой нагрев, пульсацию давления нагнетания и сильный шум, которые заметны при применении простых в изготовлении прямозубых роторов. Исходя из этого, роторные компрессоры в основном используют для создания положительного давления со значениями не более 0,5-0,6 бара.

Стараясь уменьшить шум и улучшить равномерность подачи воздуха, роторы делают спиральной формы. Но даже эти ухищрения, как и применение окон клиновидной формы, только уменьшают пульсацию давления. Устранить ее полностью в компрессоре с внешним сжатием практически невозможно. Заметного уменьшения амплитуды пульсаций позволяет добиться применение трехзубчатых роторов вместо двухзубчатых. В этом случае период пульсации давления и скорости в проточной части устройства соответствует 60° угла поворота роторов.

Винтовые компрессоры

В отличие от роторного типа устройств, винтовые компрессоры обеспечивают диагональное движение воздуха в проточной части. Внутреннее сжатие достигается изменением объема полостей между корпусом и вращающимися винтовыми роторами. Такая конструкция позволяет получать довольно высокую степень повышения давления воздуха при высоком КПД (более 80%). Большая скорость вращения компрессора (до 12 тыс. об/мин) позволила снизить его габариты, к тому же появилась возможность использовать привод от газовой турбины.

Основными преимуществами винтового компрессора являются его высокая надежность и уравновешенность. Нагнетаемый воздух не содержит примесей масла, поэтому он наиболее пригоден для работы с поршневым двигателем.

Недостатком такого компрессора часто называют особую сложность формы роторов и их массивность, что ведет к их высокой стоимости. При работе винтовой компрессор производит шум высокой частоты, который вызывается пульсациями давления в режимах всасывания и нагнетания.

Рассмотрим конструкцию винтового компрессора на приведенном рисунке:

Его роторы представляют собой зубчатые колеса со спиральными зубьями, которые имеют большой угол наклона спирали. Профили зубьев и выемок роторов полностью соответствуют друг другу. В процессе работы зубья роторов не соприкасаются с корпусом и между собой, что достигается применением синхронизирующих шестерен на валах роторов. При этом отношение количества зубьев шестерен равно отношению количества зубьев соответствующих роторов. Основным распределительным органом при этом выступает ротор с впадинами.

Винтовые компрессоры могут создавать давление до 1 бара, а в некоторых случаях и выше, поэтому чаще всего применяются на мощных и скоростных автомобилях.

Центробежные компрессоры

Наибольшее распространение в двигателях внутреннего сгорания получили центробежные компрессоры. Этот тип устройств относится к лопаточным машинам, принцип действия которых основан на взаимодействии потока воздуха с лопатками рабочего колеса и неподвижных элементов машины. По сравнению с другими конструкциями, центробежные компрессоры имеют более компактные размеры и относительно просты в изготовлении.

Конструкция центробежного компрессора состоит из входного устройства, рабочего колеса (крыльчатки), и диффузора, который включает в себя безлопаточную и лопаточную части, причём последняя может отсутствовать. Также имеется воздухосборник, чаще всего выполняемый в виде улитки. В центробежном компрессоре воздух, пройдя через фильтр, попадает во входное устройство, которое для устойчивости потока постепенно сужается по направлению движения и служит для равномерного его подвода к колесу при минимальных потерях. Рабочее колесо устанавливается на шлицах, но в случае небольших размеров, может крепиться на гладком валу, который через механическую передачу связывается с коленвалом двигателя или рабочим колесом газовой турбины.

Основополагающими параметрами центробежного компрессора являются: расход воздуха, степень повышения давления и КПД компрессора. В современных устройствах, применяемых для наддува двигателей внутреннего сгорания, эти параметры могут изменяться в широком диапазоне. Так, например, степень повышения давления в компрессорах, приводимых в движение валом двигателя, может достигать 1,2 единиц. А в случае использования центробежного компрессора в форсированном комбинированном двигателе ее значение может достигать 3-3,5.

Читайте также:  Шланг резиновый армированный размеры

Центробежные компрессоры имеют много общего с турбокомпрессорами. Они довольно компактны, имеют небольшую цену и достаточно долговечны. Конечно, они не отличаются большим КПД и теряют свою эффективность на малых оборотах, но довольно часто применяются на отечественных автомобилях ВАЗ.

Хорошим примером такого устройства может служить компрессор "АutoTurbo" для ВАЗ 2110-2112 16V, 2170-2172 16V. Он может быть установлен на модель Лада-Приора, оснащенную ГУР или кондиционером. В комплекте используется серийный компрессор PK 23-1, создающий избыточное давление наддува до 0,5 бар при скорости вращения 5200 об/мин. Для его установки не требуется внесения изменений в конструкцию двигателя, только рекомендуется понизить степень сжатия путем замены штатной прокладки головки блока на более толстую. Разработчики изначально рассчитывали на максимальное упрощение установки компрессора, поэтому он может быть установлен автолюбителем самостоятельно.

Для установки на модель Нива-Шевроле предназначен центробежный компрессор "АutoTurbo" с установочным комплектом для ВАЗ 2123. В устройстве применен компрессор ПК-23, который при своевременной замене ремня и подшипников обладает неограниченным ресурсом. Создавая давление наддува до 0,5 бар, устройство отличается сравнительно небольшими габаритами и бесшумностью работы. Этот комплект может устанавливаться на двигатели с максимальным объемом 2 л.

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%.

Читайте в этой статье

Принцип работы механического компрессора

Механический нагнетатель по своему принципу работы напоминает турбокомпрессор. Компрессор аналогично турбине реализует целый список взаимосвязанных функций. Суперчарджер втягивает наружный воздух, осуществляет его сжатие и последующее нагнетание во впускную систему мотора. Втягивание воздуха реализовано на основе созданного в коллекторе разрежения. Для создания необходимого давления механическому нагнетателю необходимо вращаться на более высоких оборотах, опережая при этом двигатель. Нагнетание воздуха во впуск происходит за счет разницы давлений во всей системе.

Воздух, который сжимается компрессором, демонстрирует увеличение температуры при сжатии. Это ведет к снижению его плотности, а результатом становится соответственное снижение уровня давления. Механическая система наддува оснащается интеркулером для решения этой проблемы. Интеркулер представляет собой воздушный или жидкостной радиатор, который качественно охлаждает сжатый воздух после прохождения компрессора.

Устройство привода механических нагнетателей

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;

Виды механических компрессоров

Давайте рассмотрим каждый из основных видов механических компрессоров более подробно. Итак, поехали. Современные автомобили могут быть оснащены различными видами нагнетателей. Наибольшее распространение получили три главных вида таких механических систем:

  • кулачковый нагнетатель (Roots);
  • винтовой нагнетатель (Lysholm);
  • центробежный нагнетатель;

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.

Читайте также:  Полки под обувь в гардеробную

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.

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.

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.

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.

Применение механических компрессоров на автомобилях

Применение механических нагнетателей очень востребовано как для серийных дорогих авто, так и на спортивных моделях. Компрессоры активно используются для тюнинга автомобилей. Большинство спортивных автомобилей оборудованы механическим нагнетателем или комплексным решением, которое включает в себя одновременно механический и турбокомпрессор.

Напоследок хотелось бы добавить, что серийные массовые автомобили, особенно среднего ценового сегмента, оснащаются механическими нагнетателями довольно редко.

Выбор механического нагнетателя или турбокомпрессора. Конструкция, основные преимущества и недостатки решений, установка на атмосферный тюнинговый мотор.

Моторы линейки TSI. Конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Модификации с одним и двумя нагнетателями. Рекомендации по эксплуатации.

Чем отличается атмосферный мотор от турбодвигателя. Конструктивные особенности, мощность, особенности эксплуатации. Главные плюсы и минусы атмосферников.

Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.

Назначение и конструкция турбокомпрессора дизельного мотора. Принцип работы турбонагнетателя, особенности использования турбины на дизельном ДВС.

Что представляет собой двигатель с наддувом и чем отличается от атмосферного. Основные преимущества и недостатки турбированных ДВС. Какой мотор выбрать.

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *