Механический нагнетатель двигателя

Содержание

Механический нагнетатель: устройство компрессора на двигатель автомобиля и принцип работы

Как уже было сказано выше, механические компрессоры приводятся в действие от коленчатого вала. Чаще всего для этого используется приводной ремень. Что касается компрессора, в его основе лежит ротор, который создает давление воздуха.

При этом компрессор должен вращаться быстрее коленвала ДВС. Для этого ведущая шестерня изготавливается большей по размеру, чем шестерни компрессора. Компрессор вращается с частотой около 50 тыс. об/мин., поднимая давление PSI с 6 до 9 до дюймов на квадратный дюйм. С учетом того, что атмосферное давление составляет около 14.7 фунтов на квадратный дюйм, компрессор увеличивает подачу воздуха фактически в половину.

Добавим, что воздух, нагнетаемый под давлением, сильно сжимается и нагревается, теряя свою плотность. Простыми словами, чем меньше плотность, тем меньшее количество воздуха получится подать в цилиндры. Чтобы увеличить количество воздуха, его дополнительно следует охладить перед подачей во впуск.

За охлаждение отвечает интеркулер, который бывает воздушным и жидкостным. Интеркулеры представляют собой радиатор, куда попадает горячий сжатый воздух после выхода из компрессора для охлаждения.

Виды механических компрессоров

Механические компрессоры, которые устанавливаются на двигатель внутреннего сгорания:

роторный компрессор,
двухвинтовой нагнетатель;
центробежный компрессор;

Основные отличия заключаются в том, как реализована подача воздуха. Компрессор роторный и двухвинтовой имеют в своем устройстве разные типы кулачковых валов. Центробежный нагнетатель оборудован крыльчаткой, которая затягивает воздух вовнутрь. Также отметим, что в зависимости от размеров и типа нагнетателя напрямую зависит его эффективность.

Например, роторные компрессоры обычно имеют большие размеры и ставятся сверху на двигатель. В основе лежит большой ротор. При этом данное решение отличается меньшей эффективностью, чем аналоги, так как вес автомобиля сильно увеличивается и создается прерывистый поток воздуха со «всплесками», а не постоянный и стабильный.
Двухвинтовой компрессор работает по принципу проталкивания воздуха через пару меньших по размеру роторов, похожих на червячную передачу. В результате работы воздух попадает в полости между лопастями роторов. Затем воздух сжимается внутри корпуса роторов.

Эффективность такого решения выше, однако стоимость нагнетателя боле высокая, конструкция сложнее и менее ремонтопригодна. Также двухвинтовой компрессор шумный, необходимо глушить характерный свист выходящего под давлением воздуха при помощи дополнительных решений.

Если рассматривать центробежный компрессор, это решение отличается от аналогов наличием крыльчатки, которая похожа на ротор. Крыльчатка сильно раскручивается, подавая воздух в корпус компрессора. При этом за крыльчаткой воздух движется с высокой скоростью, но еще находится под низким давлением.

Статья в тему: При нагреве двигателя плавают обороты: возможные причины, диагностика, ремонт

Чтобы поднять давление, воздух проходит через диффузор. Указанный диффузор представляет собой лопатки, расположенные вокруг крыльчатки. В результате поток воздуха после прохождения через диффузор начинает двигаться с малой скоростью, но уже под высоким давлением. Такой компрессор самый эффективный, легкий и небольшой по размерам. Их можно установить перед мотором, а не на двигателе сверху.

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.

Установка механического комперссора на двигатель: тонкости и нюансы

Начнем с того, что главной задачей является подбор механического нагнетателя, который будет соответствовать ряду требований (вес, габариты, производительность, режимы работы, особенности смазки, исполнение привода и т.д.).

Для этих целей можно приобрести компрессор от какого-либо автомобиля или же заказать готовый тюнинг-комплект для форсирования двигателя. Также отмечены случаи, когда нагнетатель изготавливался самостоятельно, однако такие самодельные решения достаточно редки, особенно на территории СНГ.

Также не следует забывать о том, что большая мощность достигается за счет сжигания большего количества топлива. Закономерно, что выделение тепла в этом случае также сильно увеличивается, а мотор потребует более интенсивного охлаждения.

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:

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.
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.
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.

009_MOTO_1110_072

Cамодельный нагнетатель, построенный на базе отечественного турбокомпрессора, у которого «горячую» часть заменил редуктор. Выемка на крыльчатке — следствие балансировки: металл срезали не с лопасти, а оттуда, где выемка не создаст завихрений воздушного потока. Наши «кулибины» применили редуктор «наизнанку» — и компактно и масло само расходится по зубцам за счет центробежной силы. Планшайба соединяет «улитку» и редуктор. В ней же установлен подшипник и сальник вала крыльчатки. Cамодельный нагнетатель, построенный на базе отечественного турбокомпрессора, у которого «горячую» часть заменил редуктор. Выемка на крыльчатке — следствие балансировки: металл срезали не с лопасти, а оттуда, где выемка не создаст завихрений воздушного потока. Наши «кулибины» применили редуктор «наизнанку» — и компактно и масло само расходится по зубцам за счет центробежной силы. Планшайба соединяет «улитку» и редуктор. В ней же установлен подшипник и сальник вала крыльчатки.

Приводные нагнетатели

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

Материалы изготовления компрессора

Колесо и вращающийся направляющий аппарат изготовляются из штамповок алюминиевых сплавов АК2, АК4 и ВД17 и подвергаются механической обработке, а неподвижный направляющий аппарат изготовляется из листового дуралюмина Д1. Отдельные части корпуса и диффузора отливаются из силуминов АЛ4 и АЛ5.

Когда температуры направляющего аппарата и колеса могут быть >250° С (для компрессоров с несколькими ступенями), колесо должно быть изготовлено из титановых сплавов ВТЗ, ВТ10, а неподвижный направляющий аппарат — из листового титанового сплава ВТЗ-1.

Материалами для вала служат стали 18ХНВА, 12Х2Н4А, 40ХНМА.

Принцип действия центробежного нагнетателя:

воздух проходит по воздушному сужающемуся каналу и раскручивает лопасти крыльчатки.
Раскрученные лопасти, ведомые центробежной силой, отбрасывают воздух на периферию кожуха.
Там установлен диффузор, снижающий потери давления. Порой он имеет лопатки с регулируемым углом атаки.
Через диффузор воздух выталкивается в воздушный окружающий туннель (иначе воздухосборник) в форме улитки. Данная форма не случайна. Поток воздуха движется по каналу, который изначально был узким, а под конец стал широким, тем самым меняется скорость и давление воздушной массы на необходимые.

Главный недостаток центробежного компрессора связан с базовым принципом, который приводит его в действие. Для работы ему необходимо огромная скорость вращения крыльчатки. Давление производимое компрессором равно квадрату скорости крыльчатки. Поэтому базовая скорость компрессора начинается от 40 тысяч оборотов за минуту и может достигать 200 тысяч. Понятно что для разгона на такую скорость ремень привода должен работать крайне быстро. Из-за чего от работы этого наддува появляется очень сильный шум и детали подвергаются быстрому износу. Частично проблема шума решается установкой дополнительного мультипликатора, при этом теряя часть КПД механического нагнетателя.

Огромная нагрузка накладывает высокие требования на качество материалов и точность обработки деталей нагнетателя.

К еще одному минусу данного механического нагнетателя можно отнести его инерционное действие, проявляющий себя в отставании срабатывании. На малых оборотах его эффективность ничтожна, но при увеличении оборотов происходит быстрый скачек в мощности. Из-за данной особенности центробежный нагнетатель устанавливают на машины, где требуется высокая мощность и скорость, взамен интенсивности разгона.

Минусы центробежного нагнетателя:

Повышенный износ, шум и эффективность прибавки мощности исключительно на высоких оборотах.

Установка механического компрессора на двигатель: тонкости и нюансы

Установка компрессора на двигатель возможна в условиях гаража. Для этого потребуется определенный набор инструментов и навыки в ремонте автомобилей.

Монтаж узла на неподготовленный силовой агрегат приведет к уменьшению его ресурса. Чтобы улучшить технические характеристики двигателя, не вызвав при этом быстрого износа деталей, необходимо провести несколько доработок.

Система впуска

Изменение конструкции направлено на снижение сопротивления при подаче воздуха. С целью доработки системы впуска монтируют фильтр нулевого сопротивления. Он не препятствует прохождению воздушной массы.

Возможна доработка впускного коллектора. С внутренних поверхностей убирают шероховатости. В некоторых случаях допустимо изменение конструкции впускного коллектора. Целью является достижение равномерной подачи воздуха или топливовоздушной смеси одновременно во все цилиндры.

Система охлаждения

При большем объеме топливовоздушной смеси, сгорающей в рабочих цилиндрах, увеличивается количество вырабатываемого тепла. При этом штатная система не справляется со своей задачей.

Чтобы улучшить охлаждение, устанавливают дополнительные радиаторы. Для обеспечения нормальной циркуляции жидкости монтируют водяную помпу с электрическим приводом.

При сжатии в компрессоре воздух нагревается. При этом снижается его плотность. Топливовоздушная смесь сгорает не полностью. Это негативно влияет на мощностные характеристики двигателя. Потребуется обеспечить дополнительное охлаждение наддувочного воздуха.

Выпуск отработавших газов

Подача большого количества воздуха требует облегчить отвод продуктов горения. В систему выпуска отработавших газов носят следующие изменения:

Увеличивает пропускную способность каналов в головке блока цилиндров (ГБЦ).
Совмещают отверстия в ГБЦ и выпускном коллекторе. Это снижает степень сопротивления при прохождении газов.
Подбирают распределительный вал с нужной степенью открытия выпускных клапанов.
Устанавливают на транспортное средство прямоточную систему выпуска продуктов горения.
Удаляют катализатор.

Доработки направлены на снижение сопротивления прохождению продуктов горения. Так удается повысить мощность силового агрегата.

Головка блока цилиндров

Чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение воздушной массы в ГБЦ, увеличивают диаметр каналов. Это повышает и пропускную способность впускного и выпускного тракта.

Возможна установка распределительного вала измененной конструкции. От формы его кулачков зависит время и степень открытия клапанов. Монтаж нового вала позволяет сдвинуть фазы газораспределения и улучшить наполняемость рабочих цилиндров.

Устройство компрессора

Любой автомобильный компрессор состоит из нескольких основных элементов:

привод;
компрессорная группа;
ресивер для компрессора;
контрольные приборы, кнопки для управления, датчики.

Привод

Данная составляющая устройства может быть электрической. Компрессор бывает трехфазным или же однофазным. Работает он от так называемого асинхронного электродвигателя. Если работа проводится вдали от источников тока, то используется специальный автономный привод.

Компрессорная группа

Специалисты делят привод компрессоров на два типа: с ременной передачей и с прямым приводом. Часто эти категории используется именно в винтовых компрессорах. В этой конструкции есть специальный электронный блок управления, меняющий производительность двигателя и количество его оборотов в зависимости от расходуемого воздуха.

Ресивер

Данный товар практически всегда поставляется вместе с компрессором. Изделие представляет собой сосуд из металла или пластика, где система накапливает воздух. По мере необходимости он расходуется. Одной из дополнительных функций ресивера является сглаживание пульсации давления в тот период времени, когда аппарат функционирует. Кроме того, последний аспект является актуальным чаще всего именно для поршневых компрессоров, которые имеют небольшой объём.

Кнопки для управления, контрольные приборы и датчики

Манометр всегда присутствует в любом, даже самом простом комплекте. Он необходим для самостоятельно контроля уровеня давления воздуха.

Между компрессорным блоком и ресивером установлен обратный клапан, который предназначен для сохранения воздуха в ресивере и снижения нагрузки.

Для нормализации давления на выходе есть специальный редуктор, который тоже имеет манометр.

Принцип работы

Чтобы понять, как работает компрессор для автомобиля, необходимо рассмотреть схему функционирования самого обыкновенного четырехтактного двигателя. Во время движения вниз поршня воздух разряжается, после чего он попадает в специальную камеру сгорания. Далее воздух начинает взаимодействовать с топливом, а затем создается специальный заряд, который может превратиться в кинетическую энергию во время горения. Процесс горения обеспечивает свеча зажигания.

В тот момент, когда окисление топлива начинается, система выбрасывает большой объём кинетической энергией. Данный процесс можно назвать взрывом, сила которого воздействует на поршень, благодаря чему тот начинает двигаться. Далее сила движения поступает на колеса, и они начинают вращаться.

Задача компрессора заключается в том, чтобы удержать определенное количество воздуха при входе в двигатель. В результате давление повышается, в двигатель поступает необходимое количество топлива, и мощность увеличивается.

Далее в работу вступает механический нагнетатель. Он запускается при помощи приводного ремня. Компрессионный ротор выпускает определенное количество воздуха, максимально сжимает его и отправляет в так называемый впускной коллектор.

Средняя скорость вращения компрессора варьируется в пределах 50-60 тысяч оборотов всего за одну минуту.

Результатом всех этих действий и процессов становится увеличение подачи количества воздуха в двигатель автомобиля.