Механический нагнетатель: виды, устройство и принцип работы

Supercharger — механический нагнетатель

Понятие, плюсы и минусы механического нагнетателя Supercharger

Механический наддув – это процесс увеличения давление некой смеси на впуске двигателя для повышения массы горючей смеси в цилиндре для  увеличения мощности относительно единицы объема двигателя.

Supercharger (cуперчарджер) также известный как компрессор Рутса — это механический нагнетатель использующий для собственного привода энергию коленчатого вала. Он является основным элементом механического наддува.

Главным функциональным плюсом cуперчарджера является то что он может закачивать воздух на минимальных оборотах, абсолютно без задержки, при этом рост силы наддува строго пропорционален оборотам двигателя.

Главным же минусом cуперчарджера является то что он обирает часть мощности двигателя на собственный привод.

На данный момент  механические нагнетатели практически не используются. Их место заменили турбонагнетатели (турбокомпрессоры). За редким исключением их продалжают устанавливают на легковые автомобили, если необходимо сделать разбег по мощности, дабы не изменять конструкции двигателя.

В среднем применение механического нагнетателя обеспечивает увеличение мощности двигателя до 50%, а крутящего момента на 30%. При этом механический нагнетатель отличают существенные потери мощности двигателя из-за затрат энергии на его привод. В разных механических нагнетателях они могут составлять до 30%.

Виды конструкций механического нагнетателя делятся в зависимости от типа привода.

1. Прямое  крепление нагнетателя к фланцу коленчатого вала называют прямым приводом;
2.  Ременной привод – характеризуется различными вида привода при помощи ремней. Делится на:
3. Зубчатый   
   • Клиновой
   • Плоский

4. Зубчатая передача  через цилиндрический редуктор
5. Цепной привод;
6. Электрический привод подразумевает под собой использования для привода электродвигателя.

Данный вид привода естественно является наиболее энерго-затратным и требует большей мощности для аккумуляторов, но при этом он не снижает мощности двигателя.

Механический нагнетатель можно условно  поделить на такие виды как:

1. Объемные
   • Кулачковый – Roots, Eaton (Рутс, Итон)
   • Винтовой — Lysholm

2. Центробежные

Объемные нагнетатели

Объемные нагнетатели  получили свое название из-за того что принцип их работы заключается в простой перекачке определенного объема воздуха без сжатия.

Кулачковый нагнетатель

Кулачковый нагнетатель является самым первым и от того самым старым и проверенным типом наддува. Его история развития стартовала 1859 году с работы двух талантливых братьев под фамилией Рутс (Roots). Изначально его использовали как промышленный вентилятор для продувки помещений. Чуть позже он получил широкое применение из-за своей простоты. Две помещенные в общий кожух прямозубые шестерни вращаются в разных направлениях, при этом перекачивая определенный объем воздуха от впускного до выпускного коллектора.

Спустя 90 лет другому американскому ученому Итону пришло в голову, как  можно усовершенствовать конструкцию. Прямозубые шестерни заменили на косозубые роторы, и воздух стал перемещаться вдоль, а не поперек как это было раньше. С того времени усовершенствование нагнетателей этого типа идет по пути увеличения количества зубчатых лопаток (косозубых роторов). В первоначальной модели Итона «Eaton» их было две, а теперь сложно встретить меньше четырех. Основными функциональными недостатками нагнетателей типа Рутс является:

1. Неравномерная пульсационная подача воздуха создающие периодический недостаток давления. Увеличение количества зубчатых-лопастей и  изменение формы впускного и выпускного окна компрессора на треугольное, позволяет свести этот недостаток к минимуму.  К тому же эти конструктивные решения помогают сделать работу компрессоров Рутса намного тише и равномернее.
2.  Во время выдавливания несжатого воздуха в трубопровод где находиться сжатый воздух, создается турбулентность, которая способствует росту температуры заряда воздуха. Это отрицательно сказывается на производительности ухудшая показатели калорийности топливной смеси из-за менее  полного сгорания. Данная проблема коленчатых компрессоров решается установкой инкулера.

Развитие машиностроение позволило полностью оценить плюсы и минусы нагнетателей Рутса и  получить из них максимум производительности.

Плюсы компрессоров Рутс:

1. Компактность
2. Простота конструкции
3. Долговечность
4. Эффективность на малых оборотах
5. Низкий уровень шума

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель (Lysholm) также как и компрессор «Рутса» относится к объемно-роторным нагнетателям и в своей работе использует те же принципы, но в отличии от своего более раннего коллеги рабочую нагрузку в нем исполняют пара роторов с взаимодополняющими профилями. На английском винтовой нагнетатель называют Lysholm  в честь его изобретателя Альфреда Лисхольма, который в 1936 году изготовил и запатентовал на него права.

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 слона 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.

Центробежный нагнетатель

ентробежный нагнетатель получил на данный момент наиболее широкое применение среди всех механических нагнетателей. Главным образом его, используют в компоновке турбонаддува и реже как самостоятельное устройство наддува. Центробежный нагнетатель аналогичен турбонаддуву в плане нагнетания воздуха. Его основной деталью, как и у турбокомпрессора  является крыльчатка. У этой детали весьма сложная в исполнении конусообразная форма и от того насколько правильно она спроектирована и сделана зависит КПД всего нагнетателя.

Принцип действия центробежного нагнетателя:

1. Воздух проходит по воздушному сужающемуся каналу  и раскручивает лопасти крыльчатки.
2. Раскрученные лопасти, ведомые центробежной силой, отбрасывают воздух на периферию кожуха.
3. Там установлен диффузор, снижающий потери давления. Порой он имеет лопатки с регулируемым углом атаки.
4. 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.

Плюсы центробежного нагнетателя:

Низкая цена и простота установки центробежного нагнетателя сделали его очень популярным среди автолюбителей.

Минусы центробежного нагнетателя:

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

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.

Компрессор (приводной нагнетатель)

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.

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.

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. Данный нагнетатель может устанавливаться на любые двигатели с максимальным объёмом 3 л.

Как работает механический центробежный нагнетатель – x-engineer.org

Максимальный крутящий момент и мощность, развиваемые двигателем внутреннего сгорания, зависят, среди прочего, от количества топлива, которое может быть сожжено в цилиндрах. Чем выше количество сожженного топлива, тем выше давление в цилиндре, тем выше крутящий момент (мощность) двигателя. Количество топлива, которое можно сжечь внутри двигателя, ограничено количеством воздуха (кислорода), доступного для горения. Это означает, что даже если мы впрыснем в двигатель большое количество топлива без необходимого количества воздуха (кислорода), топливо останется несгоревшим, а двигатель потеряет производительность и увеличит выбросы выхлопных газов.

В безнаддувном двигателе внутреннего сгорания, также называемом атмосферным двигателем, воздух всасывается в цилиндры за счет всасывания, когда поршень движется к нижней мертвой точке (НМТ) и создает объем в цилиндрах. При этом массовый расход воздуха зависит от дросселирования впускного коллектора, а давление воздуха всегда меньше атмосферного (1 бар/атм).

Для двигателя с фиксированным объемом (рабочим объемом) путем сжатия всасываемого воздуха до большей плотности, чем у атмосферного воздуха, перед входом в цилиндры мы увеличим выходной крутящий момент (мощность) двигателя. Это основная цель двигатель с наддувом . Таким образом, двигатель с наддувом представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который использует сжатый воздух перед впуском цилиндра, чтобы увеличить крутящий момент и выходную мощность .

При сжатии всасываемого воздуха его плотность увеличивается, а это означает, что при том же объеме для сгорания доступно больше молекул кислорода. Это означает, что можно впрыскивать больше топлива и, следовательно, получать более высокое давление сгорания, что приводит к более высокому крутящему моменту и мощности двигателя.

Изображение: Увеличение крутящего момента двигателя за счет наддува

Существует несколько методов сжатия всасываемого воздуха двигателя:

• турбонаддув отработавших газов
• механический наддув
• волновой наддув

Турбонаддув подробно объясняется следующие статьи:

• Как работает турбонаддув
• Как работают турбокомпрессоры
• Турбокомпрессоры Twin-scroll
• Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT)

В нагнетателях с механическим приводом компрессор приводится в действие непосредственно двигателем. Это означает, что компрессор механически соединен с коленчатым валом через шестерню или ремень и получает мощность от двигателя для сжатия всасываемого воздуха.

В зависимости от метода сжатия воздуха нагнетатели с механическим приводом подразделяются на две основные категории:

• центробежные нагнетатели
• объемные нагнетатели

В этой статье речь пойдет о центробежных нагнетателях с механическим приводом .

Механический центробежный нагнетатель использует принцип потока и принцип импульса для сжатия всасываемого воздуха. В основном он состоит из компрессорного колеса (крыльчатки), которое установлено на валу и приводится в движение двигателем через зубчатую передачу или ременную передачу.

Изображение: Схема механического центробежного наддува
Авторы и права: [5]

Атмосферный воздух всасывается крыльчаткой (компрессором) через фильтр и сжимается до более высокого давления. Перед поступлением в двигатель (цилиндры) всасываемый воздух охлаждается, что еще больше увеличивает его плотность. Холодный плотный воздух означает, что в двигатель можно впрыскивать больше топлива, что создает больший крутящий момент (мощность) на коленчатом валу. Давление наддува зависит от оборотов двигателя, чем выше обороты крыльчатки (двигателя), тем выше давление сжатого воздуха.

Поскольку мощность, необходимая для вращения компрессора, берется непосредственно от двигателя, а не от выхлопных газов, как в случае турбонагнетателя, недостатком является то, что нагнетатель увеличивает паразитные нагрузки на двигатель. Преимущество заключается в том, что нет передачи температуры от выхлопных газов к сжатому воздуху, что приводит к более высокой плотности всасываемого воздуха по сравнению с турбонаддувом.

Изображение: Принцип работы центробежного нагнетателя
Предоставлено: ProCharger

Простейший привод центробежного нагнетателя использует ремень, соединенный с коленчатым валом через два шкива. Однако этот простой и эффективный метод ограничивает работу нагнетателя, поскольку выходное давление напрямую связано с частотой вращения двигателя. Существуют также более продвинутые концепции, такие как нагнетатели с приводом от вариатора Torotrak V-charge, в которых используются полные тороидальные вариаторы для управления скоростью крыльчатки независимо от скорости двигателя. Этот метод позволяет лучше контролировать функцию давления наддува в рабочей точке двигателя (частота вращения и крутящий момент).

Еще одно преимущество нагнетателя по сравнению с турбонагнетателем заключается в том, что масса всасываемого воздуха увеличивается примерно прямо пропорционально частоте вращения двигателя и, следовательно, потребности двигателя в воздухе. В случае нагнетателя, поскольку его диапазон работы не ограничивается помпажем компрессора (как в случае турбокомпрессора), возможна гораздо более широкая область работы компрессора. Кроме того, имея прямое механическое соединение с двигателем, реакция на внезапную потребность в давлении воздуха на впуске происходит намного быстрее.

Изображение: двигатель Ford Mustang с центробежным нагнетателем
Кредит: Procharger

1. Воздушный фильтр
2. Центробежный нагнетатель
3. Intercloer
4. Crankshall Superbress
5. 121212222.shipless

.shipless

. Speerner

.shipless Superbress

.shipless

.shipless

.shipless

.shiply

.shiply

.shipless Superbress

. Набор. принцип потока, его общая эффективность высока, а также имеет лучшее соотношение между размерами и объемным расходом по сравнению с другими нагнетателями с механическим приводом.

Нагнетатель с механическим приводом может работать со скоростью до 100000 об/мин и выше. Это означает, что при прямом приводе от двигателя ему нужны довольно значительные передаточные числа. Преобразование первой скорости осуществляется на шкивах (при ременном приводе) с соотношением скоростей около 2: 1. Преобразование второй скорости осуществляется внутри корпуса компрессора с помощью фиксированного простого набора шестерен или планетарного набора роликов (шестерней). Внутреннее передаточное число может достигать 15:1. Это дает общее преобразование скорости примерно 30:1, что при частоте вращения двигателя 2000 об/мин соответствует частоте вращения крыльчатки 60000 об/мин.

Производительность нагнетателя измеряется функцией его давления наддува . Повышение давления на 1,2 бара означает, что нагнетатель увеличил давление всасываемого воздуха в 1,2 раза выше атмосферного давления (1 бар). Это означает, что абсолютное давление во впускном коллекторе после компрессора составляет 2,2 бар. Давление наддува непостоянно, оно зависит от скорости вращения крыльчатки, чем быстрее вращается крыльчатка, тем выше давление наддува.

Изображение: Компоненты центробежного нагнетателя
Кредит: ProCharger

1. корпус компрессора (Volute)
2. Райбор
3. аэрационный масляный насос
4. Подшипники
5. Шкив набрать воздух в небольшой корпус компрессора (улитка) . Когда воздух выходит из крыльчатки, он движется с высокой скоростью при низком давлении. Этот высокоскоростной воздух низкого давления направляется через диффузор, который преобразует воздушный поток таким образом, чтобы он был высокого давления и низкой скорости. Затем воздух подается в двигатель, где дополнительный поток воздуха (вызванный повышенным давлением) дает двигателю возможность сжигать больше топлива и иметь более высокий уровень сгорания. Это приводит к более быстрому и отзывчивому автомобилю из-за большей эффективности двигателя.

   Крыльчатка является основным вращающимся компонентом нагнетателя и компонентом, создающим наддув воздуха. Крыльчатка нагнетает воздух в нагнетатель и создает давление, которое напрямую преобразуется в положительное давление во впускном коллекторе, также известное как давление наддува. Рабочее колесо должно выдерживать высокие рабочие температуры и быть достаточно прочным, чтобы постоянно работать при высоких оборотах двигателя.

   Конструкция корпуса компрессора в форме улитки является уникальной чертой центробежных нагнетателей. Этот корпус компрессора, технически известный как коллектор, предназначен для сбора воздушного потока и подачи его в выходную трубу. Хотя корпуса компрессоров могут быть изготовлены из самых разных металлов или сплавов, обычно они формируются или отливаются из алюминия. Алюминий обычно используется для корпусов/улитков нагнетателя из-за сочетания прочности, веса и устойчивости к коррозии. После того, как корпус отлит, его подвергают механической обработке, чтобы он соответствовал конструкции рабочего колеса. При сборке нагнетателя корпус крепится к трансмиссии с помощью крепежных болтов или ленточных хомутов.

   Между рабочим колесом и улиткой расположен диффузор . После крыльчатки на пути потока диффузор отвечает за преобразование кинетической энергии (высокой скорости) газа в давление путем постепенного замедления (диффузии) скорости газа.

   Наряду с передаточным отношением, полученным с помощью системы (ременного) привода, также требуется повышающая передача , чтобы получить скорость рабочего колеса, необходимую для создания желаемого наддува. Кроме того, трансмиссия содержит подшипники для поддержки валов, прикрепленных к внутренним шестерням. Подшипники используются во всей системе, чтобы обеспечить плавное движение деталей и уменьшить трение и износ. Все подшипники центробежного нагнетателя должны выдерживать постоянное высокоскоростное движение.

   Простейшие формы трансмиссии нагнетателя используют набор простых шестерен или набор планетарных роликов (шестерней) . Существуют и более сложные конструкции, например наддувы с приводом от вариатора Torotrak V-charge, в которых используются тороидальные трансмиссии 9.0008, чтобы изменить общее передаточное число функции нагнетателя рабочей точки двигателя (скорость и крутящий момент).

   Image: Centrifugal superchargers with planetary rollers Credit: Rotrex	Image: Rotary drive system with planetary rollers Credit: Rotrex
   Image: Centrifugal supercharger with planetary rollers transmission Credit: HKS

   1. pulley
   2. front housing
   3. input ring
   4. roller
   5. compressor housing
   6. spindle
   7. compressor wheel
   8. rear housing

   Torotrak’s V-charge is a mechanically driven centrifugal supercharger, with a variable ratio traction drive . Тороидальная трансмиссия, действующая как бесступенчатая трансмиссия (CVT), способна изменять передаточное число от минимального (0,28) до максимального (2,8) менее чем за 400 мс. Он имеет гидравлическую систему привода малой мощности, которая потребляет менее 20 Вт при изменении передаточного отношения.

   . ременный привод от двигателя с передаточным числом шкивов 2,5:1. Кроме того, выход тороидального вариатора проходит через планетарный набор роликов с передаточным числом 12,5:1. Комбинация ременного шкива, тороидальной передачи и планетарного набора роликов обеспечивает минимальное передаточное число 8,75:1 и максимальное передаточное число 87,5:1.

   Надлежащая смазка необходима для продолжительной работы центробежного нагнетателя. Высокая скорость, необходимая нагнетателю для создания наддува, требует соответствующей смазки для всех движущихся частей. В центробежных нагнетателях используется несколько методов смазки. В некоторых конструкциях для смазки нагнетателя используется моторное масло. В закрытых (автономных) системах смазка представляет собой маловязкое синтетическое масло, специально разработанное для использования на высоких скоростях. Смазочное масло распределяется по трансмиссии через маслоотражатель/насос.

   Изображение: Схема охлаждения нагнетателя
   Кредит: Масляная канистр гамбургера

   1. масляная канистр
   2. масляный фильтр
   3. Центрифугальный нагнетатель
   4. Охладитель масла

   Centrifal Super Chargers Small Portion. . КПД имеет как механический (потребляемая мощность), так и тепловой (нагрев сжатого воздуха) факторы. Более высокая эффективность означает, что нагнетатель потребляет меньше энергии от питающего его двигателя и производит меньше тепла. В моторном отсеке выделяется значительное количество тепла, и некоторые конструкции нагнетателей позволяют передавать значительную часть тепла от двигателя и других компонентов к нагнетателю. Это, в свою очередь, позволяет передавать дополнительное тепло воздуху, сжимаемому внутри нагнетателя, что эффективно снижает эффективность.

   В заключение подведем итоги целей наддува :

   • для заданного размера двигателя (рабочего объема), наддув увеличивает крутящий момент и выходную мощность (например, 2,0-литровый безнаддувный (NA) двигатель имеет пиковую мощность 110 кВт. , в то время как 2,0-литровый двигатель с наддувом имеет пиковую мощность 140 кВт)
   • для двигателя уменьшенного размера (меньший рабочий объем), с меньшим расходом топлива и выбросами выхлопных газов, наддув поддерживает тот же уровень мощности и крутящего момента двигателя (например, 1,2-литровый двигатель с наддувом имеет такой же крутящий момент и выходную мощность, что и 1,6-литровый двигатель NA (атмосферный)

   Обычно нагнетатели используются в высокопроизводительных двигателях. Для нагнетателей с фиксированным передаточным отношением их общее передаточное отношение должно правильно соответствовать карте воздушного потока компрессора с используемой частотой вращения двигателя. Это означает, что передаточное число ременного шкива и внутреннее передаточное число трансмиссии необходимо выбирать в зависимости от частоты вращения двигателя и там, где требуется пиковое давление наддува.

   Изображение: Ременной привод нагнетателя
   Предоставлено: ProCharger

   1. центробежный нагнетатель
   2. резиновый ремень
   3. шкив коленчатого вала

   Низкие скорости приводят к меньшей мощности наддува воздуха, а необходимость высокой скорости для создания высоких уровней наддува является одним из недостатков центробежного нагнетателя. Ускорение на холостом ходу приводит к низкому давлению наддува из-за низких оборотов двигателя. Для достижения очень высоких скоростей вращения крыльчатки (выше 40000 об/мин), необходимых для значительного давления наддува, необходима комбинация меньшего шкива на ременном приводе нагнетателя по сравнению с коленчатым валом.

   Центробежные нагнетатели отличаются высокой гибкостью в отношении места установки, что делает их популярными для использования на вторичном рынке. Они могут быть размещены до или после корпуса дроссельной заслонки. Выпускная трубка может использоваться для подачи сжатого воздуха либо к впускному отверстию двигателя, либо к промежуточному охладителю, вместо того, чтобы прикрепляться непосредственно к впускному коллектору.

   Центробежные нагнетатели имеют минимальную теплопередачу из-за их низкой степени внутреннего сжатия. Этот высокий тепловой КПД приводит к увеличению прироста мощности по сравнению с нагнетателями объемного типа.

   По сравнению с турбонагнетателями центробежные нагнетатели с механическим приводом имеют более быструю реакцию во времени благодаря механической связи с коленчатым валом двигателя.

   Помните, что в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания центробежные нагнетатели с механическим приводом используются для увеличения крутящего момента и выходной мощности двигателя на единицу рабочего объема .

   Ссылки

   [1] Bosch Automotive Handbook, 9-е издание, Wiley, 2014.
   [2] T.K. Garrett et al, The Motor Vehicle, 13th Edition, Butterworth-Heinemann, 2001.
   [3] Джон Б. Хейвуд, Основы двигателя внутреннего сгорания, McGraw-Hill, 1988.
   [4] Уиллард В. Пулкрабек, Инженерные основы двигателя внутреннего сгорания, Прентис Холл, 1997.
   [5] Константин Д. Ракопулос , Эвангелос Г. Джакумис, Работа дизельного двигателя в переходных режимах — принципы работы и анализа моделирования, Springer, 2009.
   [6] Клаус Молленхауэр, Гельмут Чоке, Справочник по дизельным двигателям, Springer — Bosch, 2010.
   [7] Николас Гуднайт, Кирк ВанГелдер, Производительность автомобильного двигателя, Jones & Bartlett Learning, 2019 г..
   [8] Сэм Акехерст, Нагнетатель с приводом от вариатора с V-образным зарядом Torotrak — средство уменьшения размеров?, Университет Бата, 2017 г.

   Что такое нагнетатель и как он работает?

   Блог

   15 декабря 2021 г.

   Существует три основных типа способов, которыми двигатель внутреннего сгорания может производить энергию. Наиболее распространенным является атмосферный двигатель. Вторым по распространенности является двигатель с турбонаддувом. И, наконец, третий способ — двигатель с наддувом. Но что такое нагнетатель и как он работает? Кроме того, зачем его использовать вместо двигателя без наддува или с турбонаддувом?

   Что такое нагнетатель?

   Нагнетатель представляет собой механический или, в последнее время, электронный воздушный компрессор, который крепится болтами к двигателю и используется для нагнетания большего количества воздуха в камеру сгорания.

   Механические нагнетатели

   Механические нагнетатели являются наиболее распространенными типами нагнетателей. Они датируются концом 1800-х годов. Тремя наиболее распространенными типами нагнетателей в автомобильной промышленности являются нагнетатели Рутса, двухвинтовые нагнетатели Лисхольма и центробежные.

   В нагнетателе типа Рутса используются 2 лепестка, которые сцепляются друг с другом, а воздух сжимается в карманах между лепестками. В некоторых приложениях для сжатия воздуха можно использовать три лепестка. Это тот же тип нагнетателя, который используется в Chevrolet Corvette Z06 и ZR1.

   Двухвинтовой нагнетатель Lysholm представляет собой нагнетатель прямого вытеснения (так же, как тип Root), в котором для сжатия воздуха используются два винта с жесткими допусками. Они аналогичны червячным передачам.

   Центробежный нагнетатель похож на сторону компрессора турбонагнетателя, и это потому, что по сути это так. Этот тип нагнетателя использует центробежную силу для сжатия воздуха в двигателе.

   Электрические нагнетатели

   Для сравнения, электрический нагнетатель — относительно новая технология, разработанная компанией BorgWarner в 1990-х годах. Он использует электроэнергию автомобиля для вращения компрессора, который нагнетает воздух в двигатель. Однако стандартного 12-вольтового источника питания недостаточно, поэтому только в последнее время, с адаптацией 48-вольтовых систем питания, электрические нагнетатели стали немного более распространенными в автомобильных приложениях.

   Связанные статьи

   • Советы по предотвращению кражи топлива из вашего автомобиля

   • Как сделать свой автомобиль более экономичным

   • Как ухаживать за шинами вашего автомобиля

   • Различные типы трансмиссий в автомобилях GM

   • Как использовать беспроводную связь Apple CarPlay и Android Auto в автомобилях GM

   • Как обращаться с отработанными автомобильными жидкостями

   • Как защитить свой автомобиль от солнца

   • На что обратить внимание при покупке подержанного автомобиля

   • 6 советов, которые помогут улучшить топливную экономичность вашего автомобиля

   • Как правильно хранить автомобиль зимой

   Как работают нагнетатели?

   Механические нагнетатели

   Механический нагнетатель обычно приводится в действие ременным приводом, но также может приводиться в движение валом, зубчатой ​​передачей или цепью, соединенной с коленчатым валом двигателя. Ремень работает на шкиве, который можно менять, чтобы обеспечить больший или меньший наддув по мере увеличения оборотов двигателя. Шкив, в свою очередь, вращает винты или валы внутри нагнетателя, которые, в свою очередь, сжимают воздух, поступающий в двигатель.

   Центробежный нагнетатель также приводится в действие ремнем, который приводится в движение двигателем, но вместо шкива, вращающего винты или валы, он вращает зубчатую передачу, которая, в свою очередь, вращает турбину, которая сжимает воздух за счет центробежных сил.

   В отличие от турбокомпрессора, механический нагнетатель всегда требует физической связи между собой и двигателем для обеспечения наддува.

   Электрические нагнетатели

   В некоторых случаях электрические нагнетатели работают вместе с турбонагнетателем. Электрический нагнетатель обеспечивает отклик и наддув на низких оборотах, а турбонагнетатель создает наддув. Как только турбонагнетатель достигает своей правильной рабочей скорости, электрический нагнетатель отключается.

   В отличие от механического нагнетателя, для работы электрического нагнетателя не требуется физическая связь с коленчатым валом двигателя. Для этого просто требуется мощный источник электроэнергии, поэтому большинство автомобилей с такой технологией имеют более крупные генераторы переменного тока и 48-вольтовую гибридную систему.

   Преимущества и недостатки нагнетателей

   Преимущества

   Самым большим преимуществом нагнетателя является то, что он обеспечивает мгновенный отклик в отличие от турбонагнетателя. Поскольку он приводится в движение двигателем, он всегда обеспечивает определенный наддув. По мере увеличения оборотов двигателя количество производимого наддува также увеличивается. Это увеличение наддува также гораздо более постепенное, чем в автомобиле с турбокомпрессором.

   Еще одним преимуществом нагнетателя является то, что он может работать с меньшим количеством вспомогательных компонентов, чем двигатель, оснащенный турбокомпрессором.

   Добавить комментарий Отменить ответ

   Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

   Комментарий *

   Имя *

   Email *

   Сайт

   Изображение: Torotrak V-Зарядка CVT-управляемого Supercharger Кредит: Torotrak

   Изображение: Torotrak V-charge Spearcies and Speeds : Credt: Torotrak 3