Нагнетатель (автомобилестроение)

Нагнетатель (англ. Supercharger) — механический агрегат, осуществляющий сжатие газа (более 15 кПа) без его охлаждения. Компрессоры, в отличие от нагнетателей, охлаждают газ. Вентиляторы, аналогично нагнетателям не охлаждают газ, но создают давление менее 15 кПа.[1]

Опционально применяется на поршневых и роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания (далее — ДВС). Работает за счёт энергии, получаемой в процессе работы самого ДВС, и осуществляет наддув, то есть принудительное нагнетание воздуха в ДВС с целью его всережимной форсировки или (в отдельных случаях) продувки.

Нагнетатель как элемент агрегатного наддува

Применение нагнетателя и его функции
Работа нагнетателя на двухтактном и четырёхтактном моторах

Нагнетатель может применяться на поршневых и роторно-поршневых ДВС, работающих по любому термодинамическому циклу и с любым числом тактов. Для большинства типов подобных ДВС нагнетатель является опциональным элементом конструкции, не влияющим на принципиальную возможность работы самого ДВС. Основная задача нагнетателя здесь — наддув с целью повышения мощности. Под наддувом подразумевается в первую очередь принудительное нагнетание воздуха в ДВС с давлением выше текущего уровня атмосферного, приводящее к увеличению плотности и массы воздуха в камере сгорания перед тактом рабочего хода, что, в свою очередь, согласно правилу стехиометрической горючей смеси для конкретного типа двигателя, позволяет сжечь больше топлива, а значит увеличить крутящий момент (и мощность, соответственно) на любой сравнимой с безнаддувным двигателем частоте вращения коленвала/ротора. В рамках этой задачи наддув с помощью нагнетателя есть лишь один из возможных методов форсировки и/или повышения КПД, и наличие или отсутствие нагнетателя определяется лишь целями и бюджетом разработчиков конкретного мотора. Исключением из этого правила является только некоторые типы двухтактных поршневых ДВС, где нагнетатель в первую очередь выполняет задачу по принудительной продувке цилиндров на стыке двух рабочих тактов и присутствует во впускной системе такого ДВС практически всегда.

Отсутствие нагнетателя в составе ГТД

В газотурбинных ДВС нагнетатель формально отсутствует. Компрессор, входящий в состав любого газотурбинного ДВС, является абсолютно неотъемлемым элементом конструкции, обеспечивающим принципиальную возможность работы подобного ДВС, и такой компрессор в русскоязычном инженерно-техническом лексиконе нагнетателем не называется, хотя и выполняет функцию принудительного нагнетания воздуха.

Типы нагнетателей по их энергетическому приводу

Нагнетатель работает за счёт того или иного вида энергии, получаемой с самого ДВС либо напрямую, либо опосредованно. Возможно использование энергии выхлопных газов, механической энергии вращения валов ДВС, электрической энергии. В зависимости от своего энергетического привода конструкция нагнетателя имеет свои технические особенности и своё собственное название. Нагнетатели, работающие от энергии выхлопных газов, называются турбонагнетателями, от механического привода — приводными нагнетателями. Также есть нагнетатели, работающие от электрической энергии, но для их описания устоявшийся русскоязычный термин пока отсутствует и их можно называть как электронагнетателями, так и нагнетателями с электроприводом.

Смысл терминов «нагнетатель» и «компрессор»

Важным элементом нагнетателя является воздушный компрессор, который присутствует в конструкции абсолютно любого нагнетателя, независимо от его энергетического привода. При этом контексте агрегатного наддува оба термина — и нагнетатель и компрессор — используются наравне, в том числе в составе сложносоставных слов, типа турбонагнетатель/турбокомпрессор, что у непосвящённых в тему может вызвать вопросы к смысловым оттенкам терминов. Следует понимать, что с точки зрения семантики термин «нагнетатель» подразумевает функцию всего агрегата в целом, а «компрессор» — наименование энергетической машины и главного исполнительного узла абсолютно любого нагнетателя. В русскоязычном речевом обиходе равноправное использование обоих терминов применительно к наддуву фактически допустимо, а оба слова, как в простом, так и в сложносоставном виде в данном случае могут считаться синонимами.

В теории лопастных машин термины "нагнетатель" и "компрессор" не тождественны. Обычно лопастные машины, повышающие давление потока не более, чем на 10%, относят к вентиляторам; на 20...25% - к нагнетателям; большие давления соответствуют компрессорам. В обиходе нагнетатель в сборе часто называют "турбиной", хотя в приводном нагнетателе турбина вообще отсутствует, а в газотурбинном является лишь приводом нагнетателя/компрессора.

Турбонагнетатель
Турбонагнетатель в сборе. Турбина - слева, компрессор - справа
Простой турбонагнетатель фиксированной геометрии в разрезе

Таковым является нагнетатель, конструкция которого включает в себя миниатюрную турбину, а принцип работы основан на использовании энергии потока выхлопных газов самого мотора, на который осуществляется наддув. Выхлопные газы, воздействуя на турбину, располагающуюся в выпускной системе сразу за выпускным коллектором, раскручивают её, а она передаёт энергию вращения на компрессор. Принципиальная конструкция каждого из двух исполнительных узлов турбонагнетателя в общем и целом идентична для любой разработки, доведённой до стадии работающего агрегата, и предполагает одну радиальную одноконтурную турбину и один центробежный компрессор. При этом фактическая конструкция турбины, компрессора, вала и корпуса может быть весьма различной: так, помимо канонических простых совмещённых турбонагнетателей фиксированой геометрии на подшипниках скольжения, возможно применение турбин изменяемой геометрии, применение двойных спиральных каналов подвода газов к турбине (так называемый Twin-Scroll), применение двойных каналов выхода воздуха с компрессора, разнесение турбины и компрессора на существенное расстояние друг от друга, применение керамических роторов, установка вала на подшипниках качения. Важными (хотя и не особо декларируемыми) критериями мощности и эффективности турбонагнетателя являются наружные диаметры его турбинного и насосного колёс (что можно примерно оценить визуально по размеру корпуса), частота вращения ротора и величина турболага, присущего всем без исключения турбинам.

Турбонагнетатель всегда работает в режиме высоких температур выхлопных газов, а подшипники вала турбонагнетателя являются самой термонапряжённой деталью мотора, которая контактирует с моторным маслом, что накладывает особые требования как к технологии производства деталей, составляющих турбонагнетатель, так и к качеству масла и его ресурсу. И то и другое долгое время было одним из сдерживающих технологических факторов для какого-либо массового внедрения турбонагнетателей на бензиновых моторах .

Любой бензиновый мотор с турбонагнетателем изначально проектируется под наддув. Применение турбонагнетателя на бензиновом моторе, изначально спроектированном как атмосферный, без переделок в принципе возможно, но приведёт к быстрому (если не моментальному) разрушению такого мотора при работе. Необходимость постоянного контроля детонации требует наличия некоей управляющей электроники, что обычно подразумевает систему питания мотора на основе электронного (или как минимум электронно-механического) впрыска. Массовые карбюраторные моторы с турбонагнетателями были крайне редки ввиду чрезмерной механической сложности своих систем питания. Широкое применение турбонагнетатели получили на дизельных моторах коммерческого транспорта — на моторах грузовиков, тракторов, локомотивов, судов. Здесь разрешающими факторами стали повышенная детонационная стойкость дизельных моторов и их более высокий КПД, предполагающий меньший уровень теплового излучения, относительная нетребовательность к эффективности работы мотора коммерческого транспорта в переходных режимах, достаточное пространство моторного отсека.

Особенностью работы турбонагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что в случае его применения эффект от наддува всегда превышает энергетические затраты на наддув. То есть, для любого мотора, оснащённого турбонагнетателем, всегда возможно получить такой режим наддува, который форсирует мотор настолько, что разрушит его. Мощность любого мотора с турбонагнетателем в 100 % случаев ограничивается прочностью самого мотора, его моторесурсом, а не эффективностью турбонагнетателя. Необходимость ограничения эффекта наддува есть причина того, что турбонагнетатель никогда не применяется на моторах сам по себе, а только комплексно в составе системы турбонаддува, в которой он является основным её элементом, но не единственным.

Приводной нагнетатель
Объёмный приводной нагнетатель типа Roots (англ.)
Объёмный приводной нагнетатель PowerPlus на основе шиберного пластинчатого насоса

Таковым является нагнетатель, конструкция которого состоит из компрессора и некоего механического привода, посредством которого, в свою очередь, и обеспечивается работа нагнетателя за счёт использования мощности, получаемой с мотора, на который осуществляется наддув. Единого общего вида у приводного нагнетателя нет. Исходя из принципов работы своего компрессора, приводные нагнетатели могут быть объёмные, то есть осуществляющие наддув импульсно порциями некоего фиксированного объёма, и динамические, то есть осуществляющие наддув непрерывным потоком. В группу объёмных нагнетателей попадают такие конструкции как: кулачковые (американских фирм Roots (англ.), Eaton), винтовые (американский Lisholm, немецкий Mercedes 2000-х годов), спиральные (немецкий G-Lader, применявшийся на Volkswagen в 1990-х), шиберные (британский нагнетатель PowerPlus для довоенных MG и Rolls-Royce Merlin). Динамические приводные нагнетатели известны только центробежного типа, известных собственных названий они обычно не имеют, а их конструкция более-менее универсальна и в общем и целом схожа с конструкцией некоего канонического центробежного компрессора. В обоих случаях, независимо от типа компрессора, конструкция его механического привода не имеет принципиального значения для работы нагнетателя в целом, с теми лишь особенностями, что привод компрессора имеет повышающее передаточное отношение (порядка 0,15-0,08), а иные конструкции привода позволяют включать/отключать нагнетатель (в том числе по аналоговому принципу) по команде водителя или блока управления. Сами приводы возможны промежуточными валами, шестернями, зубчатыми ремнями, цепями, набором трапецеидальных ремней, а также прямые приводы с торцов коленчатого или распределительного валов. В случаях отключаемого привода используются муфты различной конструкции.

Особенностью работы приводного нагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что на его привод мотор вынужден расходовать существенную часть своей так называемой индикаторной мощности. Это приводит к тому, что все моторы с приводными нагнетателями имеют высокий удельный расход топлива, который может в несколько раз превышать удельный расход топлива безнаддувного мотора сравнимой нетто-мощности. На высоких оборотах мотора затраты мощности на привод нагнетателя растут нелинейно относительно роста отдачи от его применения, что ещё более увеличивает значения удельного расхода топлива, а сама разница между индикаторной мощностью и нетто-мощностью на максимальных режимах может достигать значения в 50% от нетто.

Ввиду относительно низкого уровня термонапряжённости при работе, приводные нагнетатели относительно нетребовательны к технологии металлов и качеству смазки, и работоспособный надёжный агрегат наддува на основе приводного нагнетателя был доступен к производству практически одновременно с появлением массовых автомобилей. Однако ввиду требований к точности производства деталей приводные нагнетатели были в любом случае дороги, и их применение в первой половине XX-го века ограничивалось эксклюзивными, псевдоспортивными или гоночными автомобилями. Второй областью применения приводных нагнетателей были поршневые авиамоторы, в которых наддув был призван компенсировать понижение атмосферного давления на высоте и связанное с этим разрежение воздуха. После 2МВ авиация перешла на турбореактивные двигатели, а конструкторы автомобильных моторов пошли по пути безнаддувной форсировки, в результате чего приводные нагнетатели оказались почти забыты, и их уделом остался лишь американский тюнинг или некоторые американские и редкие европейские модели дорожных машин. В начале 2000-х приводные нагнетатели стали появляться на относительно недешёвых дорожных машинах в составе комбинированных агрегатов наддува в паре с турбонагнетателем. Подобные системы наддува применяются до сегодняшнего момента, хотя в последние годы существует тенденция вытеснения комбинированного наддува эффективным всережимным турбонаддувом на основе турбин типа Twin-Scroll или турбин изменяемой геометрии, а также комбинированным наддувом из турбонагнетателя и электронагнетателя.

Специфика применения на автомобильных моторах
Объёмный нагнетатель Рутса в работе

На бензиновых моторах серийных легковых автомобилей в случаях разработки мотора под наддув на основе приводного нагнетателя таковой нагнетатель всегда будет только объёмного типа. Обоснованием этого является то важное качество любых объёмных компрессоров, что их производительность всегда имеет линейную зависимость от частоты вращения ротора. Именно поэтому моторы с объёмными нагнетателями удобны для водителя: они работают в переходных режимах не хуже безнаддувных (у них отсутствует какая-либо задержка в раскрутке мотора при нажатии на педаль газа) и увеличивают крутящий момент во всём диапазоне оборотов, что на моторе с объёмным нагнетателем особенно ощутимо на «низах». Также у объёмных нагнетателей есть то конструктивное преимущество, что их применение не требует каких-либо дополнительных управляющих элементов (клапанов сброса давления, электронных блоков управления, дополнительных датчиков), что в периоды отсутствия электронных систем впрыска позволяло легко устанавливать объёмные приводные нагнетатели на карбюраторные моторы или моторы с механическим впрыском. В современных системах комбинированного наддува в случае применения объёмных приводных нагнетателей, таковые отвечают за наддув на низких оборотах мотора и выводятся из работы управляющими системами по достижении достаточного давления наддува параллельно работающего турбонагнетателя.

Центробежный приводной нагнетатель ATI ProCharger

Центробежные нагнетатели также могут применяться на бензиновых моторах легковых автомобилей. Но ввиду того, что в любых центробежных компрессорах зависимость объёма перекачиваемого воздуха от числа оборотов не является линейной, приводные нагнетатели на их основе делаются либо кратковременно подключаемыми (наподобие машин американского тюнинга), либо устанавливаются на моторы, для которых эффективность работы в переходных режимах и эффективность работы на «низах» не сильно важна (например, машины для гонок на дистанцию в четверть мили). При этом установка подключаемого приводного центробежного нагнетателя на изначально безнаддувный мотор может и не требовать доработок под наддув, если время работы мотора в режиме наддува ограничено. А установка постоянно работающего приводного центробежного нагнетателя помимо доработок под наддув может потребовать наличия клапанов сброса давления (что не нужно в случае объёмных нагнетателей). В любом случае обычные серийные дорожные автомобили приводными центробежными нагнетателями не оснащаются.

И объёмные, и центробежные приводные нагнетатели могут применяться не только на бензиновых моторах легковых автомобилей, но и на бензиновых и дизельных моторах тяжёлой техники. Выбор приводного нагнетателя, а не более подходящего турбонагнетателя, здесь, вероятно, объясняется спецификой эксплуатации. Примером первого случая является американский танковый бензиновый мотор Teledyne Continental AVSI-1790; примером второго — советский/российский танковый дизельный мотор В-46.

В современном массовом автомобильном моторостроении использование приводных нагнетателей сходит на нет. Главной причиной этого являются механические потери на привод, выражающиеся в повышенном расходе топлива и повышенных выбросах углекислого газа. Адекватной заменой объёмных приводных нагнетателей сегодня являются турбонагнетатели с турбинами типа Twin-Scroll и с турбинами изменяемой геометрии, а также применение нагнетателей с электроприводом в системах комбинированного наддува, что во всех случаях так или иначе помогает решать проблему турболага в переходных режимах и проблему низкой эффективности обычного турбонаддува на низких оборотах мотора.

Специфика применения на двухтактных моторах
Центробежная воздуходувка (2) на двухтактном моторе со встречным движением поршней
Объёмная воздуходувка на двухтактном моторе с клапанно-щелевой продувкой

На отдельных типах бензиновых и дизельных двухтактных моторов (с клапанной-щелевой продувкой, со встречным движением поршней), работа которых предполагает относительно невысокие обороты, в качестве неотъемлемого элемента всей конструкции для целей продувки цилиндров на стыке двух рабочих тактов применяются приводные нагнетатели низкого давления. В советском инженерно-техническом лексиконе подобные приводные нагнетатели назывались терминами «воздуходувка» или «продувочный насос». Обеспечиваемое ими давление наддува обычно порядка 0,1-0,2 Бара. На высокооборотных моторах с щелевой продувкой (например, мотоциклетных) подобные воздуходувки/насосы не применяются, и там продувка цилиндров обеспечивается иными способами.

Известны разработки воздуходувок/насосов как на основе объёмных компрессоров, так и на основе центробежных. Пример первого варианта — советские автомобильные дизельные моторы ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206. Пример второго варианта — советский/украинский танковый многотопливный мотор 5ТДФ. При этом свойство центробежных компрессоров увеличивать давление наддува с ростом оборотов может использоваться и для целей форсировки мотора в режиме высоких оборотов. Наличие воздуходувки/насоса не отменяет возможности дополнения подобного двухтактного мотора турбонагнетателем, задачей которого является форсировка мотора в чистом виде. Примером таких моторов с турбонаддувом и без будут конструктивно идентичные локомотивные дизели 10Д100 и 2Д100 тепловозов ТЭ10 и ТЭ3.

Электронагнетатель
Схема комбинированного наддува, состоящего из турбины, мотор-генератора, компрессора и аккумуляторной батареи. Работа наддува в режиме турбонагнетателя постоянна, в режиме турбонагнетателя и электронагнетателя — повторно-кратковременна.

Принцип работы электронагнетателя (нагнетателя с электрическим приводом) основан на использовании для привода компрессора электроэнергии из бортовой электрической сети автомобиля. Принципиальная конструкция в общем и целом едина — высокооборотный электромотор и связанный с ним общим валом центробежный компрессор.

Подобные нагнетатели получают распространение на бензиновых моторах легковых автомобилей в последние годы, ввиду широкого внедрения бортовых электросетей с относительно высоким напряжением (~50V) и включением в состав силового агрегата мощных генераторов, аккумуляторов большой ёмкости и конденсаторов. При этом электронагнетатели являются лишь частью общего агрегата наддува и комбинируются с турбонагнетателем (одним или двумя) для совместной работы в рамках функции наддува. Включение электронагнетателя здесь обычно ограничивается переходными режимами работы самого мотора, и в первую очередь такими, на которых эффективность турбонагнетателя низка, например, раскруткой мотора с оборотов холостого хода. В качестве постоянного источника наддува электронагнетатели не применяются, ввиду существенных потерь на перевод механической энергии ДВС в электрическую для питания электромотора и опять в механическую для работы компрессора.


См. также

Примечания
  1. Компримирование//Химический энциклопедический словарь —М.: Советская энциклопедия, 1983

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.