Что такое нагнетатель в автомобиле
Механические нагнетатели и их виды
Механический нагнетатель — основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.
Применение механического нагнетателя обеспечивает повышение мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.
Механический нагнетатель выполняет следующие взаимосвязанные функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее чем двигатель. Нагнетание воздуха в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.
Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и соответственно давление. Поэтому в системах наддува сжатый воздух охлаждается с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.
Механический нагнетатель конструктивно может иметь один из следующих приводов:
• прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);
• ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);
• цепной привод;
• зубчатая передача (цилиндрический редуктор);
• электрический привод (электродвигатель).
На современных автомобилях применяются три основных типа механических нагнетателей:
• кулачковый нагнетатель (нагнетатель Roots);
• винтовой нагнетатель (нагнетатель Lysholm);
• центробежный нагнетатель.
Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического нагнетателя, т.к. используется на автомобилях с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.
Современный кулачковый нагнетатель имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.
По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.
Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.
Регулирование давления наддува производится двумя способами:
• отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);
• перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).
Современные системы механического наддува имеют электронное регулирование наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы (электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).
Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.
Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVS, Twin Vortices Series (дословно — спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac, Toyota, Audi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.
Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.
Порция воздуха захватывается шнеками, перемещается и сжимается при вращении шнеков и нагнетается во впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.
Центробежный нагнетатель в части нагнетания воздуха аналогичен турбокомпрессору. Основу нагнетателя составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).
Воздух засасывается в центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим множество стационарных лопаток вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха низкой скорости и высокого давления.
Центробежные нагнетатели наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется при низких оборотах двигателя, минимальное — при высоких оборотах.
Область применения механических нагнетателей достаточно широка:
• спортивные автомобили;
• тюнинг автомобилей;
• серийные автомобили.
Практически все спортивные автомобили используют механические нагнетатели – это их основное применение. Установка механических нагнетателей является одним из направлений тюнинга автомобилей. Производители предлагают комплекты, включающие необходимые конструктивные элементы для установки на двигатель. На серийных автомобилях механические нагнетатели встречаются достаточно редко.
В силу своей конструкции нагнетатели Roots и Lysholm применяются для обеспечения высокой разгонной динамики, центробежные нагнетатели эффективны в поддержании высоких скоростей.
Виды нагнетателей
Механический нагнетатель — основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.
Применение механического нагнетателя обеспечивает повышение мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.
Механический нагнетатель выполняет следующие взаимосвязанные функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее чем двигатель. Нагнетание воздуха в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.
Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и соответственно давление. Поэтому в системах наддува сжатый воздух охлаждается с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.
Механический нагнетатель конструктивно может иметь один из следующих приводов:
1)прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);
2)ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);
3)цепной привод;
4)зубчатая передача (цилиндрический редуктор);
5)электрический привод (отдельный электродвигатель).
На современных автомобилях применяются три основных типа механических нагнетателей: кулачковый (нагнетатель Roots), винтовой (нагнетатель Lysholm) и центробежный.
Кулачковый нагнетатель (нагнетатель Roots)
Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического нагнетателя, т.к. используется на автомобилях с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.
Современный кулачковый нагнетатель имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.
По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.
Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.
Регулирование давления наддува производится двумя способами:
1)отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);
2)перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).
Современные системы механического наддува имеют электронное регулирование наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы (электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).
Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.
Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVS, Twin Vortices Series (дословно — спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac, Toyota, Audi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.
Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.
Порция воздуха захватывается шнеками, перемещается и сжимается при вращении шнеков и нагнетается в впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.
Центробежный нагнетатель в части нагнетания воздуха аналогичен турбокомпрессору. Основу нагнетателя составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).
Воздух засасывается в центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим множество стационарных лопаток вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха низкой скорости и высокого давления.
Центробежные нагнетатели наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется при низких оборотах двигателя, минимальное — при высоких оборотах.
Область применения механических нагнетателей достаточно широка: спортивные и серийные автомобили, а также тюнинг автомобилей. Практически все спортивные автомобили используют механические нагнетатели – это их основное применение. Установка механических нагнетателей является одним из направлений тюнинга автомобилей. Производители предлагают комплекты, включающие необходимые конструктивные элементы для установки на двигатель. На серийных автомобилях механические нагнетатели встречаются достаточно редко.
В силу своей конструкции нагнетатели Roots и Lysholm применяются для обеспечения высокой разгонной динамики, центробежные нагнетатели эффективны в поддержании высоких скоростей.
Нагнетатель как радикальное средство дать пинок под зад своему автомобилю
Увеличить мощность двигателя можно единственным способом — сжигая больше горючей смеси. Этого можно добиться разными способами, но наиболее распространенные — увеличение рабочего объема двигателя или увеличение подачи горючей смеси в цилиндры посредством наддува. Первая схема хорошо известна по американским многолитровым машинам. Очевидный плюс — простота конструкции такого двигателя и, следовательно, более высокий ресурс. Минус — большая масса, что ведет за собой увеличение габаритов и веса автомобиля и, как следствие, ухудшение управляемости.
Наддув обязательно ведет к усложнению конструкции двигателя, что не может не сказываться на надежности, но позволяет достичь большей мощности при меньших размерах и габаритах. Если на Porsche поставить 12-цилиндровый двигатель, мы получим классический американский автомобиль, пускай и с прекрасной разгонной динамикой. Удивительно маневренными немецкие машины делают компактные 6-цилиндровые двигатели, в которых они умудряются снимать с 3,5 л объема мощность в 456 л.с.
Наддувательство
Самым элементарным является инерционный наддув. Принцип его действия действительно прост: на капоте, если двигатель находится впереди, или по бокам или на крыше, если мотор сзади, ставятся дополнительные воздухозаборники, от которых по воздуховоду подводится дополнительный воздух к впускному коллектору. Заметим сразу, что воздухозаборники «ушастого» «Запорожца» никакого отношения к наддуву не имели — они служили для охлаждения двигателя. Точно так же заблуждались владельцы «тюнинговых» «Жигулей», которым умельцы устанавливали такие воздухозаборники на капоте. Дело в том, что инерционный наддув начинает работать только на скорости выше 180 км/ч, которую продукт отечественного автопрома развить не мог ни при каких обстоятельствах. А увидеть действующую систему в Москве можно на нескольких Pontiac Firebird Trans Am, на которые инерционный наддув ставился на заводе.
Реальную же прибавку в мощности можно получить, только установив компрессор. Если он приводится механической передачей от коленвала, то такое устройство чаще всего называют механическим нагнетателем в России, compressor — в Германии, supercharger — в Америке и blower — в Англии. Если же компрессор вращается турбиной, размещенной в выпускном тракте двигателя, то его чаще всего называют турбонагнетателем (turbocharger).
С немецким акцентом
Впервые наддув применил в своих автомобилях легендарный француз Луис Рено. По иронии судьбы сегодня Renault — одна из немногих компаний, не применяющая наддув в своих двигателях для легковых автомобилей. Мировую же известность механическим нагнетателям принесла компания Mercedes-Benz, устанавливающая наддувочные компрессоры в конце 20-х сначала на гоночные, а начиная с 30-х — и на серийные машины. После того, как компрессорные «Мерседесы» полюбили Адольф Гитлер и немецкие кинодивы, мода на наддувные машины перекинулась на Голливуд и оттуда — на весь мир. Золотой век немецких «компрессоров» закончился одновременно с началом Второй мировой войны. Основное применение компрессоров в военное время пришлось на авиацию: наддув использовался для компенсации недостатка кислорода на больших высотах. Особенно в этом преуспели американцы. Поэтому неслучайно в послевоенное время центр производства механических нагнетателей переместился за океан. Даже вновь появившиеся на «Мерседесах» после полувекового перерыва механические нагнетатели для немецкого гиганта поставляет американская компания Eaton, что, впрочем, не очень афишируется.
Но это не значит, что европейцы распрощались с идеей наддува. Ни для кого не секрет, что к мерседесовским нагнетателям в 30-е годы приложил руку небезызвестный конструктор Фердинанд Порше. Но на собственных двигателях он решил ставить турбонагнетатели. Проблема заключалась в том, что они приводятся в действие отработанными газами и должны выдерживать довольно высокие температуры. Долгое время не существовало жаропрочных и прочных материалов и турбокомпрессоры оставались капризными и ненадежными агрегатами. И только сильный прогресс немецкой оборонной промышленности 40-х годов в области авиационных турбореактивных двигателей наконец-то дал технологии и материалы для производства надежных автомобильных турбин. С тех пор лучшие турбомоторы в Европе — у Porsche.
Борьба с ямами
Современный турбокомпрессор конструктивно проще механического нагнетателя, но имеет собственные проблемы — высокую требовательность к качеству масла и, самое главное, медленный отклик на нажатие педали газа, что обусловливается инерцией турбины. С недостатком борются, устанавливая вместо одной большой две маленькие турбины (меньше масса — меньше инерция), по одной на свою сторону двигателя. Такая схема часто называется «битурбо».
Другая проблема, связанная с аэродинамикой турбины, так называемая «турбояма», — практически полное отсутствие наддува до 2500−2800 об./мин. Проблему решают разными способами, включая такую экзотику, как подкрутка турбины высокоскоростным электродвигателем.
Механический нагнетатель, который жестко связан с валом двигателя, имеет линейную зависимость наддува от оборотов: автомобиль практически мгновенно реагирует на нажатие педали акселератора, что особенно ценно при разгоне. Недостаток же данной схемы состоит в меньшем КПД по сравнению с турбонагнетателями: механический нагнетатель отбирает мощность с вала двигателя, а турбина приводится в движение практически дармовыми выхлопными газами.
Недокрутить — пропасть, перекрутить — пропасть
Независимо от схемы привода, собственно воздух нагнетает компрессор. Наибольшее распространение получили две схемы — роторнозубчатая схема Roots, запатентованная в 1866 году братьями Филандером и Фрэнсисом Рутсами, и центробежные нагнетатели.
Достоинство нагнетателей Roots в их простоте. Первоначально рассчитанные для двухтактных двигателей, подобные нагнетатели по сути являются импульсными, что не лучшим образом сказывается на характеристиках двигателей. При такой схеме частота вращения компрессора обычно составляет 0,5−2 частоты оборотов коленвала двигателя. На больших оборотах компрессор может выйти из строя, поэтому на современных нагнетателях применяются специальные центробежные муфты, ограничивающие обороты.
Рабочая частота вращения центробежных нагнетателей составляет 40−90 тыс. об./мин (на некоторых моделях — 90−130). Если перекрутить такой компрессор, поток нагнетаемого воздуха перестает быть ламинарным и возникающая турбулентность начинает тормозить поток — давление падает. Если же недокрутить, то центробежная сила становится недостаточной для создания давления и наддув практически сходит на нет. В итоге получается, что частоту вращения центробежного нагнетателя надо поддерживать в пределах +/- 50%, тогда как во время движения частота работы двигателя меняется в среднем в 7 раз. Все это приводит к установке разнообразных вариаторов и усложнению конструкции.
Другая проблема — в предельном максимальном давлении, которое могут выдержать автомобильные двигатели. Хорошие моторы позволяют поднимать давление во впускном коллекторе в 1,6−1,7 раза, а компрессоры запросто усиливают давление в 2,7 раза. Чтобы избежать повышенного давления, приходится ставить перепускные клапана для ограничения максимального давления.
Само собой разумеется, повышение давления на входе ведет к повышению давления в цилиндрах. Но современные автомобильные двигатели уже подошли к пределу. Степень сжатия в последних моторах Mercedes достигла 10−10,5 раз, а в Porsche — 11−11,5 раз. При большем сжатии даже высокооктановый бензин перестает гореть и начинает детонировать — взрываться. Выход — либо применять специальные гипероктановые топлива, имеющие степень сжатия 17−18, на основе метанола или нитрометана, либо ставить моторы, изначально имеющие низкую степень сжатия — 8−8,5. Это, кстати, объясняет, почему ставить нагнетатели на ультрасовременные двигатели бессмысленно.
Механика ручной сборки
В заводских условиях проще всего ставить именно турбонаддув — больше выигрыш в мощности, менее сложная конструкция, более простая регулировка. В механических нагнетателях добавляются проблемы с размыкателями на холостых оборотах, системами управления компрессора, вариатором и т. д. Хотя некоторых это не пугает — за возможность иметь ровную тягу во всех диапазонах некоторые компании идут на усложнение конструкции и ставят механические нагнетатели — например, Mercedes, Jaguar, Land Rover. Но это, скорее, исключение. Гораздо чаще на мощных машинах можно увидеть слово «Turbo».
Другое дело — тюнинг. Здесь побоку повышенный расход топлива, повышенная токсичность и холостой ход, главное — дополнительная мощность. Тюнинговый наддув двигателей — это царство механических нагнетателей и устаревших многолитровых моторов. И то и другое, само собой разумеется, американское.
С лучших современных двигателей, например с 2,2-литрового турбодвигателя Porsche, конструкторы умудряются снимать по 160 л.с. с литра. Классический 5,4-литровый двигатель GM выдает 70 л.с. с литра. Добавление дополнительных 50−100 л.с. на литр не приведет к летальным последствиям для такого мотора, в отличие от «европейца». Осталась сущая безделица — найти свободное место под капотом и купить за
$35 тыс. готовый набор для установки нагнетателя.
Вопросы и ответы по механическим нагнетателям
1. Зачем покупать нагнетатель?
Принудительный наддув воздуха способен прибавить двигателю до 46% мощности и до 31% момента, в зависимости от технических параметров двигателя и настройки системы.
2. Каковы различия между обычным и гоночным нагнетателем?
При установке стандартного механического нагнетателя не требуется переделки топливной системы и настройки двигателя. Более мощный нагнетатель потребует настройки системы управления двигателем, переделки самого двигателя, установки мощного топливного насоса. Как правило, установки обычного комплекта вполне достаточно для оптимального увеличения мощности штатного двигателя.
3. Какое обслуживание требуется для нагнетателей?
Обслуживание механических нагнетателей в основном сводится к регулярной замене масла. Так как масло используется для охлаждения нагнетателя, обратите на это особое внимание.
4. Уменьшает ли ресурс двигателя применение нагнетателя?
Совершенно необязательно, что применение нагнетателя негативно влияет на ресурс мотора. Обороты — вот то, что влияет на ресурс двигателя. Обычно двигатель для достижения максимальной мощности должен «раскрутиться» до 7−8 тыс. об./мин. При применении нагнетателя максимальные показатели мощности и момента достигаются при меньших оборотах двигателя. Меньше обороты — больше ресурс двигателя и выше экономичность автомобиля.
5. Можно ли установить систему самостоятельно?
Для человека, имеющего слесарные навыки, установка механического нагнетателя не должна вызвать существенных трудностей. Примерное время установки — 8−10 часов. Все комплекты нагнетателей включают инструкцию по установке и настройке системы и полностью совместимы с оригинальным оборудованием автомобиля.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, февраль 2003).