Механический нагнетатель. Устройство и принцип работы
Работа двигателя построена на том, что топливо должно быть замешено с необходимым количеством кислорода.
Это обеспечит полное и эффективное сгорание горючей смеси и позволит достичь максимально возможной мощности. Больше сгорит – больше мощность. В данной статье речь пойдет про механические нагнетатели воздуха для автомобиля, их устройство и принцип работы.
Для нормальной работы двигателя пропорции смеси топливо–воздух принимаются приблизительно 1:14,7. Если прибавить к стандартному давлению в одну атмосферу, к примеру, еще одну, то получим в 2 раза больше воздуха, а значит, и кислорода, поступающего в цилиндры. Стало быть, мы должны получить от мотора в 2 раза больше мощности. Двигатель объемом 1,5 л при давлении наддува чуть более атмосферы практически эквивалентен трехлитровому «атмосфернику». Это, конечно, грубая арифметика, но идея именно такова.
🔎 Принцип работы и устройство центробежного нагнетателя
Подобные нагнетатели в тюнинге получили в настоящее время наибольшее распространение. По своей конструкции они наиболее близки к турбонаддуву, поскольку имеют одинаковый принцип нагнетания воздуха. Разняться лишь способы привода. Работа осуществляется следующим образом.
Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя.
Принцип работы центробежного нагнетателя состоит в следующем: воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки, призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму.
Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается. Так создается необходимый подпор для накачки цилиндров «спрессованной атмосферой».
В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40 тысяч об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к цифре 200 тыс. об/мин. И поскольку привод осуществляется от коленвала посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Хотя многим именно этот характерный свист греет душу.
Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления. К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании, хотя нужно отметить, что эта задержка не столь заметна, как у турбонагнетателей.
И еще одно замечание. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.
❗ Центробежные нагнетатели воздуха для автомобиля очень популярны. Сравнительно низкая цена и простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие и стали популярны в тюнинге автомобилей.
🔎 Нагнетатели воздуха типа ROOTS
Компрессоры типа "Рутс" относятся к классу объемных нагнетателей. Конструкция их довольно проста и более всего напоминает масляный шестеренчатый насос двигателя. В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор.
Основное отличие этого метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе. Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием.
Главным минусом такого способа нагнетания является то, что, раз процесс сжатия воздуха осуществляется вовне компрессора, его эффективная работа возможна лишь до определенных значений наддува. Как бы точно ни были выполнены детали компрессора, с ростом давления в нагнетательном трубопроводе увеличивается просачивание воздуха назад, и его КПД ощутимо снижается. Увеличивая скорость вращения роторов, можно несколько снизить утечки воздуха, но это возможно лишь до определенных пределов. Далее мощность, затрачиваемая на вращение самого нагнетателя, может превысить добавочную мощность двигателя.
Еще один существенный недостаток. В компрессорах подобного типа при выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда. То есть, наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления, в рутс-компрессорах происходит дополнительный нагрев. В этой связи подобные нагнетатели в обязательном порядке оснащаются интеркулерами.
Шум от работы объемных компрессоров не столь сильный, как у центробежных, и имеет несколько иную тональность и при этом, в отличие от центробежных, механические нагнетатели типа ROOTS эффективны уже на малых и средних оборотах двигателя. Эта особенность рутс-компрессоров сделала их наиболее пригодными для дрегрейсинга, где ценится прежде всего именно динамика разгона. Другой плюс – относительная простота конструкции.
❗ Малое количество движущихся частей и малые скорости вращения делают эти механические нагнетатели одними из самых надежных и долговечных. Однако сложность в изготовлении и установке, а значит, и высокая цена несколько снизили их рыночную популярность. В России такие нагнетатели в силу дороговизны не столь популярны.
➕ Плюсы и минусы использования механических нагнетателей ➖
Многие считают, что использование нагнетателей воздуха для автомобиля может негативно сказаться на ресурсе двигателя. Это и так, и не так. Как правило, поломку мотора вызывают повышенные обороты. Стало быть, использование нагнетателя, повышающего крутящий момент на низких и средних оборотах, может, наоборот, благоприятно сказаться на ресурсе двигателя. С другой стороны, если добиваться действительно большого роста мощности, многие штатные детали придется заменить на более прочные. Так, например, кованые поршни и шатуны будут совсем нелишними.
При использовании нагнетателей температура оказывает вполне фундаментальное воздействие. Так уж выходит, что сжатие воздуха всегда сопряжено с повышением его температуры. В некоторых компрессорах это повышение не столь существенно, но в любом случае для увеличения воздушного заряда и снижения потери мощности на привод нагнетателя воздух необходимо охлаждать.
Еще более важна другая проблема, о которой мало кто задумывается, – детонация. Дело в том, что высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию, т. е. взрыв.
Дабы избежать подобных проблем, можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т. е. снижать степень сжатия. При использовании нагнетателей рекомендуется изменить настройку по зажиганию. Правильный подбор свечей зажигания также немаловажен. На самом деле при установке наддува вопросов возникает куда больше.
❗ Установка компрессора на серийный двигатель может привести к различным результатам. Даже готовые комплекты от известных фирм не могут предусмотреть всех нюансов вашего автомобиля. В любом случае установка механического наддува требует высокого профессионализма.
