Механический нагнетатель — типы нагнетателей, конструкция и применение. Виды и принцип работы механического нагнетателя

19.04.2019

Для более эффективной работы Вашего транспортного средства, автомобильные производители часто прибегают к системам турбонаддува. Но так ли положительно новый тип турбокомпрессора скажется на работе двигателя? Чтобы топливный расход автомобиля стал гораздо меньше, производители зачастую используют одно ключевое решение – сокращение объёма силового агрегата. Но кроме всего прочего, чтобы производительность таких двигателей оставалась на достойном уровне, обычно устанавливают турбокомпрессоры, которые управляются выхлопом и обладают задержкой, что более известна под термином «турбо лаг».

Автомобили с подвергались этой проблеме много лет подряд, что сопровождалось постоянными жалобами и недовольством со стороны владельцев. Была найдена, как казалось, панацея – одновременная установка двух турбин, что минимизировало эффект турбо ямы. Но это, увы, не стало ключевым решением.

История электрической турбины

Электрическая турбина после длительного времени разработок уже готова к массовому применению. Об этом первой заявила компания Controlled Power Technologies (CPT) из Британии. Электрический турбонагнетатель, по их словам, уже готов к массовому производству. Руководство СРТ уже подписало соглашение с фирмой Switched Reluctance Drives Limited, что займётся разработкой OEM-модуля, основанного на этой технологической базе.

Switched Reluctance Drives займётся серийным производством электрических компрессоров. Британские разработчики, тем временем уже преуспели в создании реальных электрических компрессоров для двигателей внутреннего сгорания. Турбонагнетатель CPT будет устанавливаться на любые двигатели: атмосферные, турбированные дизельные или бензиновые.

Компания Controlled Power Technologies разрабатывала электрическую турбину на протяжении почти восьми лет, работа над ней началась ещё в начале 21-го века. Создатели электрической турбины заявляют, что она может работать от бортовой электросети напряжением в 12 вольт, а её использование избавит двигатель от эффекта турбоямы, а также задействует нагнетатель даже в режиме низких оборотов. Особенность данной технологии заключается в использовании регенеративной энергии. Обратное давление, что ранее сбрасывалось через обводной клапан блоу офф при сбросе акселератора, теперь направляется на вращение лопастями турбины маховика, что позволяет вырабатывать энергию и заряжать аккумулятор.

Прототип машины с электрической турбиной разработала немецкая компания AVL List. Электрический нагнетатель был адаптирован к двухлитровому бензиновому двигателю с непосредственным топливным впрыском. Такой силовой агрегат, который был установлен на Vokswagen Passat, загрязняет атмосферу очень деликатно, если так можно выразиться, всего 159 граммов на каждый километр пути, а это на целых 20 процентов меньше чем у аналогичного традиционного 2.0 TFSI с такой же мощностью, и меньше, чем у 170-сильного турбодизеля с таким же объёмом.

Разработчики утверждают, что данная технология помогает автомобильным производителям вложиться в установленные экологические нормы, которые вступили в силу уже в этом году. Компания Controlled Power Technologies создала стартер-генератор SpeedStart с ременным приводом, который используется для работы системы Start\Stop, что отключает двигатель на кратковременных остановках, что обязательно сэкономит в условиях движения по городу в пробках.

Но наряду с исследователями из Британии, немецкие разработчики создали доступную идею, для нагнетания воздуха и причём с минимальными затратами, что стала признанной во всей Европе. Существенно эффективным способом улучшения нагнетания воздуха в двигателе является мини-турбина от компании KAMANN, которая монтируется во впускную систему. Электро турбонагнетатель от KAMANN является миниатюрной турбиной, которая выполняет роль электрической системы нагнетания воздуха, установленной в подкапотное пространство. Такой монтаж электрической турбины повышает крутящий момент мотора, в свою очередь способствуя понижению топливного расхода. Это улучшает качество выхлопных газов, уменьшая показатели углекислого газа и пролонгируя срок функционирования катализаторов, что улучшает общие скоростные характеристики автомобиля.

Принцип работы электротурбины

Принцип работы электрической турбины отличается от классического турбонагнетателя лишь за счёт конструкции оси, которая соединяет крыльчатки у классики. Когда турбокомпрессор достигает максимальных оборотов, контроллер включает электрический двигатель в генераторном режиме. За счёт этого предотвращается превышение пикового числа оборотов двигателя. В случаях слишком редкого понижения оборотов муфтовые соединения позволяют вращать крыльчатки независимо друг от друга, в свою очередь снижая нагрузку на подшипники.

Плюсы и минусы электрической турбины

Чем больше мощность, тем меньше выхлоп

Многие обычные двигатели внутреннего сгорания оснащаются турбинами для того, чтобы получить большую мощность и лучшее ускорение. Они расходуют меньше топлива и следовательно загрязняют атмосферу выхлопными газами также гораздо меньше в сравнении с аналогичными агрегатами без компрессора и нагнетателя. Всё, конечно же, это производит прекрасное впечатление в теоретическом плане, но практика показывает иные результаты. Большой крутящий момент зачастую находится лишь в узком диапазоне числа оборотов двигателя. Зачастую у некоторых турбо-дизелей можно наблюдать плохой показатель ускорения, в моменты изменения положения педали акселератора мотору нужно некоторое время для увеличения мощности для необходимого ускорения. Это явление уже упоминалось в данной статье как турбо-яма».

Экономия и быстрый отклик

Проведя анализ рынка современных автомобилей, компания KAMANN утверждает, что к 2020 году доля автомобилей, которые будут оснащаться электрическими турбинами, будет составлять 50-60% от общего количества сошедших с конвейера автомобилей. Ими также был разработан прибор, который помогает быстрее реагировать на изменение педали акселератора и в то же время оставаться экономичным. Эти требования очень сложно реализовать в двигателе с обычной системой турбонаддува. Такая турбосистема эффективна только в пределах определённого диапазона оборотов мотора.

Неоспоримое преимущество электрических турбин в эффективном нагнетании воздуха во всём диапазоне оборотов мотора автомобиля, даже в момент запуска двигателя, ведь нагнетаемый воздух уже находится во впускном коллекторе. В момент нагнетания воздуха, когда двигатель запускается, электрическая турбина мгновенно откликается на нажатие акселератора даже при маленькой скорости. Даже нагнетая воздух в момент переключения скоростей, Вы непрерывно будете получать дополнительную энергию для того чтобы двигаться и ускоряться.

Турбо нагнетатель, как дополнение турбосистемы

Эффективная работа большинства турбин начинается только свыше 3000 оборотов в минуту , а это означает, что крутящий момент ниже этой цифры уже не увеличивается, что не придаёт Вашему автомобилю динамичности, а двигателю мощности. Поэтому классические турбины отходят далеко в прошлое. Установка электрической турбины позволяет двигателю уже при 1200 оборотов в минуту сразу после нажатия педали газа, получать больше чистого воздуха, не затрачивая при этом необходимую энергию. В этот момент «номы» подскакивают на 12% в сравнении с классикой!

Увеличение мощности равно экономия

Главным преимуществом установки электрической турбины является предоставление двигателю непрерывного и гораздо быстрого ускорения автомобиля. Kamann Autosport сравнили автомобили с бензиновым мотором объёмом 1,4 с установленной электрической турбиной и аналогичным автомобилем но с объёмом 1,6 и без турбины. Результат был следующим: оба автомобиля выдали приблизительно одинаковую мощность и крутящий момент при том же самом топливном расходе. Следовательно эти два двигателя одинаково мощны, но первый потребляет на 10% меньше топлива! А это значит, что наряду с возросшей мощностью топливный расход совсем не увеличится!

Электрическая турбина обделена всеми недостатками обычной турбины, а размер её гораздо меньше. Кроме очевидных преимуществ, конечно, присутствуют и недостатки. Модуль электротурбины в зависимости от производителя достаточно прожорлив, что требует монтажа дополнительного оборудования.

Подписывайтесь на наши ленты в

Механический нагнетатель воздуха способен повысить производительность двигателя до сорока процентов. При этом расход топлива практически не возрастает. Многие из современных автомобилей оснащены механизмом нагнетания воздуха, он является основным конструктивным элементом в системе механического наддува.

Несмотря на то, что в механическом компрессоре применяются простейшие принципы работы агрегата, он имеет широкое распространение среди автолюбителей, желающих повысить его возможности. Весь секрет в том, что механизм создает во впускном тракте давление выше атмосферного. В результате агрегат выдает максимальную мощность при минимальных затратах топлива.

Как работает механический нагнетатель воздуха

Чтоб было понятней, что такое нагнетатель воздуха, приведем простое сравнение: больше всего его конструкция схожа с устройством турбонаддува. Обе системы выполняют примерно одинаковые функции. То есть - нагнетают воздух, затем тот поступает в сборник, и только после этого - в систему агрегата.

Устройство имеет одно преимущество относительно турбонаддува. Заключается оно в том, что задержка в срабатывании механизма здесь не столь значительна, ведь устройство потребляет не так много энергии, как его более массивный и мощный собрат. Кроме того, система является более экономичной.

Преимущества механического нагнетателя

Он не зря стал столь популярным среди любителей высоких оборотов и внушительных мощностей. Данный тип компрессора имеет следующие преимущества:

низкая цена;
простота в установке;
невысокое количество потребления энергии;
звук от работы компрессора гораздо слабее, чем от турбонаддува.

Именно поэтому они практически вытеснили другие типы нагнетателей воздуха с отечественного рынка.

Устройство компрессора

Нагнетатели имеют достаточно простое устройство:

воздушный канал;
лопасти крыльчатки;
диффузор;
накопитель в виде улитки.

Работает система таким образом:

воздух по воздушному каналу проходит в нагнетатель;
затем попадает на лопасти крыльчатки;
центробежная сила выбрасывает его в кожух с диффузором;
после этого воздух попадает в воздухосборник в виде улитки.

Именно здесь и возникает разница в давлении. Как только воздух в нее попадает, он движется довольно быстро под небольшим давлением. В процессе прохождения по трубе улитки давление возрастает, скорость движения воздуха становится ниже, а давление значительно возрастает. Под высоким давлением воздушный поток попадает в цилиндры двигателя.

В системе происходит сжатие воздуха. Как известно, оно сопровождается повышением температуры. Для охлаждения системы используется интеркулер. Это жидкостный или воздушный охладитель.

Виды привода

Все виды механических нагнетателей имеют примерно одинаковую конструкцию и принцип работы. Основные отличия состоят в типе привода. Ниже предоставлен список вариантов привода:

прямой, нагнетатель в этом случае будет работать непосредственно от коленчатого вала;
ременной. При этом может использоваться клиновый, плоский или зубчатый ремень, в зависимости от конструкции нагнетателя;
зубчатая передача с применением цилиндрического редуктора;
цепной привод;
электропривод с использованием отдельного привода.

Виды нагнетателей

Прежде чем произвести тюнинг автомобиля с применением механического нагнетателя воздуха, следует определиться с типом устройства. Сегодня на рынке можно найти три основных вида воздушных компрессоров для увеличения работоспособности двигателя.

Кулачковые нагнетатели

Это - самый старый тип нагнетателей, потому его можно найти на многих автомобилях с большим пробегом. Он устанавливался на авто еще с 1900-го года, и с тех пор зарекомендовал себя довольно неплохо. Его аналоги можно найти на рынке и сегодня. Он еще известен как нагнетатель Roots. В простонародье известен как воздуходувка.

Все современные компрессоры Roots имеют два ротора, трех или четырехкулачковых. Они прокручиваются навстречу друг другу. Роторы расположены по всей длине нагнетателя. Угол закрутки кулачков обеспечивает должный уровень нагнетания воздуха. С увеличением оборотов коленчатого вала воздух нагнетается быстрее. Потому при высоких оборотах давление может стать слишком большим, что порой приводит к затору в нагнетательном канале. В результате двигатель теряет свои обороты. Но с этой неприятностью можно бороться при помощи системы управления наддувом, которая в последнее время всегда устанавливается наряду с нагнетателями данного типа.

Такие устройства имеют достаточно высокую стоимость, которая не оправдывается производительностью. Потому они не слишком популярны.

Винтовые нагнетатели

Они похожи по устройству на кулачковые, но имеют два ротора-шнека. Один - со спиралевидными выступами, второй - с такими же выемками. Данный тип имеет более компактные размеры и высокую производительность. Правда стоимость их значительно выше, чем у кулачковых аналогов. Потому устанавливаются такие компрессоры преимущественно на дорогие спортивные автомобили.

Центробежные нагнетатели

На сегодня самые распространенные среди остальных видов. Внешне очень похожи на турбокомпрессоры. Именно в таких устройствах крыльчатка нагнетает воздух в воздухосборник в виде улитки. Они имеют относительно небольшую стоимость, компактные и легкие. Их довольно просто установить на автомобиль. К тому же могут применяться различные способы крепления. Потому рассмотрим немного подробнее установку на авто именно центробежного компрессора.

Как своими руками установить механический нагнетатель воздуха

Процесс установки довольно прост. Но не следует пренебрегать рекомендациями производителя компрессора. А он советует предварительно установить увеличенную прокладку между блоком и его головкой. Не помешает проверить агрегат на предмет неисправностей и убедиться в соответствии его характеристик устанавливаемой модели компрессора. Затем процесс монтажа будет выглядеть следующим образом:

Настройка фильтра.
Крепление корпуса на кронштейн.
Подключение к приводу коленного вала.
Крепеж ремня.

Установка механического нагнетателя позволяет увеличить мощность агрегата на 50 %, а его обороты - на 30 %. При этом расход топлива остается на прежнем уровне. Для наглядности предлагаем просмотреть следующее видео:

Двигатель внутреннего сгорания – это очень старое изобретение. Однако практически сразу инженеры стали придумывать как бы увеличить коэффициент полезного действия двигателя не слишком вмешиваясь в его устройство. На этом моменте и был изобретен нагнетатель воздуха. Принцип работы двигателя основан на том, что при впуске в цилиндры двигателя поступает смесь топлива и кислорода, которая сгорает, образуя расширяющиеся газы. Однако для качественного и эффективного сгорания топлива необходимо определенное количество кислорода. Со временем было рассчитано, что оптимальным соотношением кислорода и топлива является соотношение 1:14,7. Нагнетатель воздуха позволяет увеличить мощность двигателя в два раза.

То есть, говоря простым русским языком, если к давлению в одну атмосферу добавить еще одну атмосферу, то выйдет в два раз больше поступающего в цилиндры кислорода. К примеру, обычный двигатель 1.5 литра при давлении компрессора равному немного более атмосферы повысит мощность до уровня 3-х литрового двигателя без компрессора. И это ни разу не конечная остановка: можно расточить картер и головку блока цилиндров до большего объема, что означает больше поступающего кислорода и еще больше мощности. Однако обычно нагнетателя ставят на малообъемные двигатели, чтобы увеличить мощность на маленьком двигателе. Основными типами нагнетателей являются:

Центробежные
Roots
Винтовые

Немного исторических сведений

Использовать нагнетатель воздуха в своих разработках первыминачали;Alfa Romeo Mercedes и Fiat.Вообще же идея применять механический компрессор была придумана и разработана практически сразу же после изобретения самого ДВС уже в 1885 г ученый Готтлиб Даймлер оформил патент на свой нагнетатель воздуха. Внешне его идея немного отличалась от нашего понимая сути нагнетателей: он предлагал, что некий насос или специальный вентилятор будет нагнетать в двигатель большую нежели, обычно порцию кислорода. Вскоре, всего через 7 лет, в 1902 году Луис Рено получил свой патент на конструкцию центробежного нагнетателя. Рено даже сделали выпуск малой серией автомобиля с нагнетателем, однако в дальнейшем проект забросили. Альфред Бюхи так же в 1905 году придумал свой турбонагнетатель, который работал с использованием выхлопных газов. Известные roots носят фамилию своих изобретателей изобрели их еще аж 1859 году братья Рутс. Из себя рутс представляют роторно-шестерёнчатые компрессоры. Винтовой компрессор был изобретен значительно позже, в 1936 году, патент принадлежит Альфу Лисхольму, главному инженеру SRM. У всех этих устройств есть один общий момент, в свое время, а это почти 100 лет назад, они не получили должного распространения ввиду заторможенности общего технического процесса. Зато ныне компрессор – это важная составляющая современного автомобиля.

Центробежный нагнетатель

Центробежный механический компрессор сейчас имеет широчайшее распространение среди любителей тюнинговать свои авто. Конструкционно центробежный нагнетатель воздуха наиболее близок к турбо наддуву, так как принципы их конструкции очень близки. Основной принцип работы заключается в следующем. Внутри корпуса установлена крыльчатка самая главная деталь компрессора. Говоря в общем крыльчатка представляет собой колесо с лопастями, отдаленно напоминающее корабельный винт. Оттого насколько хорошо и правильно выполнено это колесо зависит то, насколько нагнетатель воздуха будет результативен. В общем, воздух попадает внутрь “улитки” и его захватывают лопасти крыльчатки. Захваченный воздух лопасти закручивают и с помощью центробежной силы отбрасывают его на отдаленные участки корпуса, где есть диффузор, который ловит этот воздух. Диффузор предназначен для восприятия подаваемого крыльчаткой воздух так, чтобы созданное давление не терялось. Далее воздух подается в кольцевидный тоннель, который идет вокруг всего корпуса. Именно из-за этого тоннеля центробежный нагнетатель воздуха и называют улиткой. Подобная конструкция создает условия для увеличения давления воздуха. Суть в том, что воздух, который движется по каналу движется быстро и имеет маленькое давление, а потом конец канала резко расширяется. Благодаря этому скорость воздуха несколько падает, а вот давление значительно увеличивается.

По факту давление, что создает этот компрессор равно скорости крыльчатки, умноженной на саму себя. Скорости могут быть разными, преимущественно от 40 000 об/мин. Сам механизм довольно шумный, так как в действие он приводится ремнем от шкива коленчатого вала автомобиля. Некоторые производители устанавливают в корпусе еще и повышающую передачу, что позволяет сохранить ресурс турбины до 80 000 км и существенно уменьшить шум, что создает компрессор при работе.

Компрессор типа Roots

Нагнетатель воздуха типа рутс – это представитель класса объемных нагнетателей. В плане своего устройства такой механический компрессор очень прост и больше всего напоминает обычный масляный шестеренчатый насос. Корпус имеет овальную форму. Внутри него установлены оси, на которых вращаются в противоположные стороны два ротора. Между роторами и корпусом поддерживается специальный зазор. Этот нагнетатель воздуха отличается от всех остальных тем, что сжатие воздуха происходит не в корпусе, а во внешнем трубопроводе. Из-за этого рутсы часто называют “механический компрессор с внешним сжатием”. За счет вращения роторов воздух захватывается и сквозь маленькие зазоры между корпусом и ротором выдавливается в трубопровод под давлением. Однако хоть такая система и имеет поклонников она же и главный минус. Так как нагнетатель воздуха осуществляет сжатие вне своего корпуса он может это осуществлять только до определённых значений, после которых воздух начинает просачиваться в обратную сторону. Исправить этот момент можно увеличением скорости ротора, но это тоже возможно только в определенных пределах. Механический компрессор типа рутс имеет еще один минус: при просачивании воздуха в трубопровод не под давлением создается турбулентность, благодаря которой воздух нагревается еще больше. Так как температура воздуха и так растет из-за того, что он сжимается, а тут температура еще выше поднимается. Положительными моментами можно назвать заметно меньший шум от работы по сравнению с “улиткой”; и отсутствие характерного им свиста: рутс имеют свою особую тональность. Однако из-за роторного принципа работы наддув сопровождается пульсацией давления. С пульсацией инженерам удалось справиться достаточно быстро – роторам придали спиралевидную форму, а форму входного и выходного отверстия изменили на треугольную. С помощью таких ухищрений удалось добиться равномерной и тихой работы. Еще одним большим плюсом является то, что такой нагнетатель воздуха проявляет свою эффективность уже на малых оборотах коленчатого вала, в отличие от центробежного, что очень положительно влияет на динамику разгона автомобиля.

Винтовой нагнетатель воздуха

Механический компрессор для автомобиля такого типа имеет удивительную схожесть ни с чем иным как с мясорубкой, разница только лишь в том, что шнеков два. По форме и основному принципу винтовые напоминают “рутс”, но имеют основное различие – сжатие воздуха происходит внутри корпуса. Два ротора имеют взаимодополняющие выступы и отверстия, они вращаются всегда в зацеплении, но с небольшим зазором между друг другом. Винты загребают воздух, который сжимается между роторами и подаётся дальше под действием вращательного движения винтов. Потери при таком сжатии чрезвычайно малы, а степень сжатия очень велика. Однако при достижении слишком больших оборотов роторов может возникнуть необходимость внешнего охлаждение корпуса. Зато при стандартных показателях скорости вращения эффект от прироста мощности появляется при любых оборотах коленчатого вала автомобиля. Также плюсами можно назвать компактность конструкции при высокой мощности, долговечность и отсутствие шума при работе. Этот механический компрессор имеет достаточно плюсов, должен иметь и минус винтовые нагнетатели мало распространены из-за своей дороговизны. Производить их очень сложно, поэтому и цена является высокой. Однако некоторые тюнинг ателье устанавливают на автомобили именно винтовой компрессор.

Итоги о нагнетателях

Когда речь зайдёт об установке нагнетателя для автомобиля от очень многих можно услышать, что компрессор существенно уменьшит ресурс двигателя. Это не совсем правда.

Требуется соблюдать меру и понимать, когда компрессор благоприятно влияет на двигатель автомобиля, а когда нет. Слишком высокие обороты могут действительно привести к поломке двигателя, а вот на применение нагнетателя на низких оборотах для повышения крутящего момента наоборот только положительно повлияет на ресурс.

Однако если нагнетатель будет использоваться для получения большой мощности заранее необходимо заменить многие детали на более прочные, чтобы не винить компрессор в поломке двигателя.

Да Нет

Механический нагнетатель, или как его еще называют supercharger, является главной составной частью всего механизма . Его роль состоит в создании давления выше атмосферного, которое образуется во впускном тракте.

Такое название он получил по причине непосредственной связи с коленчатым валом, с которым его соединяет специальный привод.

Привод нагнетателя с коленчатым валом

Преимущества использования нагнетателя

Работа данного устройства построена по следующей схеме:

втягивание воздуха;
сжатие;
нагнетание воздуха в саму впускную систему.

Для того чтобы втянуть необходимое количество воздуха внутри нагнетателя образуется разряжение. Что касается создания давления, то это осуществляется путем быстрого вращения механизма (быстрее, чем обороты двигателя). А вот нагнетание происходит из-за имеющейся разницы в давлении.

Особенности конструкции

В данной конструкции присутствует интеркулер. Это специальный радиатор, предназначенный для охлаждения сжатого воздуха. Дело в том, что во время сжатия воздух нагревается, а это влечет значительное снижение показателей давления и плотности.

Интеркулер может быть 2-х видов:

жидкостный;
воздушный.

Привод, посредством которого происходит соединение коленчатого вала и механического нагнетателя, имеет несколько типов:

прямой – нагнетатель закрепляется на фланец коленвала;
цепной – для связи используется металлическая цепь;
ременной – применяются различные типы ремней. Это может быть плоский, зубчатый или клиновой ремень;
электрический – он представляет собой электродвигатель;
зубчатый – это редуктор цилиндрического типа.

Конструкция этих устройств может быть разной.

Типы механических нагнетателей

За всю историю было разработано довольно много видов данных агрегатов. Некоторые из них устанавливаются на автомобили до сих пор, но о многих забыли, потому как они не оправдали возложенных надежд.

Стоит упомянуть о таких аппаратах как: шиберные (лопастные), спиральные, подпоршневые насосы и другие. Все эти типы, по тем или иным причинам, либо не были запущены в массовое производство, либо были сняты с конвейера.

В настоящее время наиболее популярными и востребованными являются 3 типа механических нагнетателей (на фото выше):

Кулачковый (Roots);
Винтовой (Lysholm);
Центробежный.