Устройство механического компрессора

Винтовой тип

Это более совершенная и надежная конструкция нагнетателя. Принцип работы здесь также прост – сжатие происходит за счет изменения объема полостей между корпусом и винтами вращения (своеобразными роторами). Воздух здесь движется диагонально. Большими плюсами этого варианта является высокое КПД до 85%, а также большое давление воздуха (от 1 бара в выше), достигается это большими оборотами иногда до 12 000 об. Именно из-за этого можно сделать корпус более миниатюрным. Нужно сказать этот вариант из-за надежности и небольшого корпуса часто используется на гоночных автомобилях.

Минусами можно назвать только сложное строение и ремонт, что увеличивает цену конечного продукта. Если такой приводной компрессор выходит из строя, то нужно ремонтировать на специализированых станциях, желательно производителя.

Как видно на конструкции два ротора, с зубчатыми спиральными зубьями. Их профили полностью соответствуют друг другу при соприкосновении, что делает конструкцию очень надежной.

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.

Минусы центробежного нагнетателя:

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

Советы по уходу и эксплуатации турбированного двигателя

В обслуживании двигателей с турбонаддувом много нюансов, которые необходимо учитывать в процессе эксплуатации, если есть желание продлить ресурс мотора и турбины:

Двигатель, который постоянно работает на пределе своих возможностей, быстро изнашивается, поэтому не стоит постоянно топить педаль газа, если вы не являетесь участником автогонок. К тому же агрессивная езда увеличивает расход топлива

Чтобы продлить срок службы мотора, управлять авто с турбонаддувом следует в умеренном режиме.
Важно соблюдать периодичность замены масла в двигателе и ни в коем случае не допускать масляного голодания. Интервалы могут быть значительно сокращены ввиду сложных условий эксплуатации. При замене масла нужно менять также фильтры.
В случае с турбонаддувом экономия на смазочных материалах неуместна, потому как может привести впоследствии к более значительным растратам на ремонт

Необходимо использовать масла, рекомендуемые производителем агрегата, не применяя аналоги и не смешивая различные сорта.
Нужно использовать также высококачественное горючее, поскольку низкосортное содержит различные примеси и засоряет топливную систему, сокращая ресурс.
Во время эксплуатации в морозы рекомендуется предварительно дать поработать агрегату на холостых оборотах, чтобы обеспечить циркуляцию смазки. В особенности не следует пренебрегать этим правилом в случае с дизелем.
При запуске двигателя не стоит долго удерживать педаль газа, поскольку это вынудит турбину работать на холостых оборотах, что снижает её ресурс. Это обусловлено тем, что в агрегатах с наддувом высокое давление обеспечивается уже на низких оборотах.
Нельзя резко глушить дизель и бензиновый двигатель с наддувом. Движок нужно некоторое время (достаточно даже пары минут) подержать на холостом ходу, это обеспечит равномерное снижение температуры, поскольку на высоких оборотах она поднимается до максимума. Резкое выключение провоцирует перепад температур, что влечёт за собой сильный износ турбины, почему и нельзя сразу глушить турбированный двигатель. Некоторые модели по этой причине имеют турботаймер, контролирующий процесс, он глушит двигатель через время после выключения зажигания.

При замене масла нужно менять также фильтры.
В случае с турбонаддувом экономия на смазочных материалах неуместна, потому как может привести впоследствии к более значительным растратам на ремонт. Необходимо использовать масла, рекомендуемые производителем агрегата, не применяя аналоги и не смешивая различные сорта.
Нужно использовать также высококачественное горючее, поскольку низкосортное содержит различные примеси и засоряет топливную систему, сокращая ресурс.
Во время эксплуатации в морозы рекомендуется предварительно дать поработать агрегату на холостых оборотах, чтобы обеспечить циркуляцию смазки. В особенности не следует пренебрегать этим правилом в случае с дизелем.
При запуске двигателя не стоит долго удерживать педаль газа, поскольку это вынудит турбину работать на холостых оборотах, что снижает её ресурс. Это обусловлено тем, что в агрегатах с наддувом высокое давление обеспечивается уже на низких оборотах.
Нельзя резко глушить дизель и бензиновый двигатель с наддувом. Движок нужно некоторое время (достаточно даже пары минут) подержать на холостом ходу, это обеспечит равномерное снижение температуры, поскольку на высоких оборотах она поднимается до максимума. Резкое выключение провоцирует перепад температур, что влечёт за собой сильный износ турбины, почему и нельзя сразу глушить турбированный двигатель. Некоторые модели по этой причине имеют турботаймер, контролирующий процесс, он глушит двигатель через время после выключения зажигания.

Разобравшись, как правильно эксплуатировать автомобиль с мотором, снабжённым турбиной, и ухаживать за ним, необходимо также привыкнуть к особенностям управления, тогда сложностей в обслуживании не будет, а риски поломки сведутся к минимуму. Правильный уход и соблюдение правил эксплуатации позволят значительно продлить жизнь сердцу автомобиля.

Резонансный наддув

Настраиваемый впускной коллектор

Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно – достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент.

Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха.

Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Ссылки

• [yamotorist.ru/index.php/kontent/turbonadduv Турбонагнетатель и его сравнение с механическим компрессором]
• Статья «Наддув, нагнетатели и немного истории»
• Статья «Что такое турбонаддув»
• Дизель с четырьмя нагнетателями разработки BMW
• Объёмные нагнетатели для американских моделей Ford
• Электрический наддув разработки Audi
• Автомобильный мотор с приводным нагнетателем 2020 года Mazda SkyActive X (1)
• Автомобильный мотор с приводным нагнетателем 2020 года Mazda SkyActive X (2)
• Комбинированный наддув для бензиновых моторов разработки Volvo
• Комбинированный наддув для дизелей разработки Mazda
• Нагнетатель Garrett с двойным приводом от турбины и электромотора

Это заготовка статьи об автомобилях. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). Список проблемных доменов yamotorist.ru

Плюсы и минусы эксплуатации наддува

Изготовлен такой компрессор преимущественно из алюминиевых сплавов, в составе которых есть магний. Из-за высоких нагрузок трением эти насосы недолговечны – это их существенный минус.

Использование нагнетателя заметно увеличивает мощность и оборотистость двигателя. Однако использование компрессора, имеющего именно механический привод, неэффективно. При больших оборотах такие устройства дают слабину и начинают забирать мощность на свой привод. Еще данные системы массивны и шумны.

Основной недостаток любой подобной системы – уменьшение долговечности мотора. При неверных настройках (например, при выходе из строя перепускного клапана) они могут в секунды разрушить двигатель, вызвав эффект детонации. А значит, эти системы требуют повышенного внимания при эксплуатации.

Центробежный тип

Самые распространенные на двигателях внутреннего сгорания, работают при помощи так называемых лопастей или «лопаток». Если сравнить их двумя предыдущими, то этот тип самый компактный из всех, а также он прост в технологии изготовления, что удешевляет его конечную стоимость. Зачастую его могут путать с ТУРБО вариантом (который работает от выхлопных газов), из-за схожей конструкции, однако это совсем неправильно, это два совершенно разных устройства.

Принцип строения – состоит из входной части, рабочей (лопасти-лопатки) и диффузора, который может быть как лопаточный, так безлопаточный. Обязателен, для установки и воздухозаборник, сделанный в виде «улитки».

Воздух пройдя через специальный фильтр (кстати, также обязателен, иначе вся пыль будет внутри двигателя), попадает в специальный вход которое постепенно сужается (для минимальных потерь воздуха при подводе), далее следует к колесу. Рабочее же колесо устанавливается на специальном креплении, однако бывали случаи, когда размещалось и на самом валу. Далее через механическую передачу (привод), связывается с коленвалом.

Такие варианты самые распространенные на наших отечественных авто (в частности ВАЗ). Берут их за долговечность, небольшую цену, универсальность и компактность.

Минусами таких компрессоров является – низкий КПД при малых оборотах, зато на высоких мощность двигателя может вырасти до 30% от номинала. При оборотах от 4000, давление может достигать 0,5 – 0,6 бара.

Конструкция и принцип работы механического наддува

В современном автомобилестроении применяется несколько видов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и принцип нагнетания воздуха.

Устройство механического наддува

Система механического наддува состоит из следующих элементов:

• механический нагнетатель (компрессор);
• интеркулер;
• дроссельная заслонка;
• заслонка перепускного трубопровода;
• воздушный фильтр;
• датчики давления наддува;
• датчики температуры воздуха во впускном коллекторе.

Управление механическим нагнетателем осуществляется при помощи дроссельной заслонки, которая при высоких оборотах открыта. При этом заслонка трубопровода закрыта, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя. Когда двигатель работает на низких оборотах, дроссельная заслонка открыта под небольшим углом, а заслонка трубопровода открыта полностью, что обеспечивает возврат части воздуха на вход компрессора.

Поступающий из нагнетателя воздух проходит через интеркулер, что снижает температуру нагнетаемого воздуха примерно на 10°C, способствуя более высокой степени его сжатия.

Типы привода механического наддува

Передача крутящего момента от коленчатого вала к механическому компрессору может осуществляться различными способами:

• Система прямого привода — предполагает монтаж компрессора непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя.
• Ременный привод. Передача усилий реализуется при помощи ремня. Различные производители используют свои виды ремней (плоские, клиновидные или зубчатые). Системы с использованием ремня характеризуются коротким сроком службы и вероятностью возникновения проскальзывания.
• Цепной привод. Имеет аналогичный ременному приводу принцип.
• Шестеренчатый привод. Недостатком такой системы является повышенный шум и большие габариты.

Виды механических компрессоров

Каждый тип привода наддува имеет свои эксплуатационные особенности. Всего различают три вида механических нагнетателей:

• Центробежный нагнетатель. Самый распространенный вид механических нагнетателей. Основной рабочий элемент системы — колесо (крыльчатка), которое имеет сходную конструкцию с компрессорным колесом турбины. Оно вращается со скоростью порядка 60 000 оборотов в минуту. При этом воздух всасывается в центральную часть компрессорного колеса в режиме высокой скорости и малого давления. Пройдя через лопасти нагнетателя, воздух подается во впускной коллектор, но уже в режиме низкой скорости и высокого давления. Этот вид нагнетателя используется в комплексе с турбокомпрессорами для устранения турбоямы.
• Винтовой нагнетатель. Представляет собой систему из двух вращающихся шнеков (винтов) конической формы. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит по камерам компрессора и, благодаря вращению, сжимается и нагнетается в патрубок впускного коллектора. Такие системы применяются в основном на спортивных и дорогостоящих автомобилях, поскольку достаточно сложны в изготовлении. Их преимущество — высокая эффективность работы.
• Кулачковый нагнетатель (roots). Один из первых видов механических нагнетателей. Конструктивно он представляет собой два ротора со сложным профилем сечения. Оси вращения роторов соединяются двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, в результате чего происходит его нагнетание во впускной трубопровод. Недостатком этой системы является образование избыточного давления, что провоцирует сбои в работе наддува. Для устранения этого явления в конструкции кулачкового нагнетателя предусматриваются либо муфта с электрическим приводом (управление с отключением нагнетателя), либо перепускной клапан (без отключения нагнетателя).

Механические нагнетатели довольно часто применяются на автомобилях марок Cadillac, Audi, Mercedes-Benz а также Toyota. При этом кулачковые и винтовые компрессоры устанавливаются преимущественно на мощных спортивных автомобилях с бензиновыми двигателями, а центробежные входят в систему двойного турбонаддува для дизельных моторов.

Устройство рабочего колеса

Колеса открытого типа применяются редко. В основном их используют в двух­ступенчатых или многоступенчатых компрессорах, на второй и последующих ступенях. Условия работы начиная со второй ступени связаны с высокими температурами, т.к. выходящий сжатый газ с первой ступени имеет высокую температуру, в следствии механического сжатия.

При таких условиях работы ступеней компрессора со второй и далее,  центробежные колеса из алюминиевых сплавов не годятся. И их изготовляют из ста­ли или титановых сплавов.

Преимущества таких колес — простота в изготовлении, маленькая масса колеса, инерционные осевые усилия почти полностью отсутствуют

Недостатки — не­сколько увеличенные гидравлические потери при изменении направле­ния воздуха с осевого на радиальное (из-за плохой формы канала), большие потери на трение колеса о воздух, склонность лопаток к вибрации.

Лопатки, отхо­дящие от ступицы в радиальном направлении, фрезеруются из стальной или титановой штамповки. Штамповка обеспечивает увеличению прочности лопаток (увеличивается усталостная прочность) в сравнении с листовым не обработанным материалом. Штамповка обеспечивает расположение волокон материала по конфи­гурации детали и создает локации упрочнения материала. Так как диск в колесе частично отсутствует, масса колеса существенно умень­шается. Инерционные осевые усилия в таком исполнении колеса по сравнению с другими видами колес почти отсутствуют.

У колес открытого типа есть ряд недостатков, из за которых их почти не используют, а именно:

• увеличенные гидравлические потери при изменении направле­ния воздуха с осевого на радиальное (из-за плохой формы канала),
• большие потери на трение колеса о воздух,
• склонность лопаток к вибрации.

В подавляющем большинстве современных компрессоров применяются ко­леса полуоткрытого типа. Лопатки такого колеса выпол­няются за одно целое со сплошным диском, придающим всей детали прочность и жесткость. Форма канала здесь более благоприятна (бо­лее плавный поворот струи), в силу чего гидравлические потери и по­тери на трение колеса о воздух меньше, чем у колес открытого типа.

Колеса закрытого типа имеют самые маленькие показатели трение о воздух. Зазор между колесом и стенкой корпуса не имеет значение и могут достигать больших значений (при значениях которых, колеса других типов не могли бы эффективно работать) для данного колеса и никак не влияет на гидравлические потери, чем при полуоткрытых колесах. Закрытые колеса по ряду причин применя­ются редко:

• сложность изготовле­ния,
• недостаточной прочностью при высоких окружных скоростях передней стенки, ограничивающей радиальные межлопаточ­ные каналы. Передняя стенка ослаблена входным отверстием,
• сложная механическая обработка, часто при обработки передней стенки колеса, в ней частично перерезаются волокна материала, что также уменьшает ее прочность.

Такие колеса изготов­ляются путем механической обработки — штамповки из алюминиевого сплава.

Полуоткрытые колеса компрессоров современных компрессоров изготовляются из жаростойких алюминиевых сплавов штамповкой с последующей механической обработкой и полированием наружных поверхностей. После полирования поверхности колес подвергаются анодному оксидирова­нию (анодируются). Анодированная поверхность имеет высокую твердость, а так же выполняет защитную функцию от механических повреждений и предотвращает коррозию и, кроме того, она становит­ся более гладкой, что уменьшает по­тери па трение воздуха о стенки колеса.

Окончательная чистовая обработка межлопаточ­ных каналов центробежных колес всех типов должна соответ­ствовать 8 или 9-му классам, что достигается зачисткой и по­лированием. Если при балансировке с диска снимается металл, то ано­дирование выполняется после балансировки.

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%.

Преимущества и недостатки механических нагнетателей

Пришло время обобщить все преимущества и недостатки.

Основные плюсы:

1. Система этого типа не дорогая, легко устанавливается, обеспечивает хорошую работу на небольших оборотах, мгновенно реагирует на манипуляции с педалью газа.
2. Винтовые нагнетатели лучше всего функционируют на разгоне, центробежные на высоких скоростях.
3. Потери мощности практически нет, если система подключается к отдельному электроприводу.

Основные минусы:

1. Механический наддув осуществляется за счет вращательного момента коленвала. Если сравнивать с турбонаддувом, то мощность меньше, расход топлива больше, отбирается примерно 30% производительности мотора.
2. Привод создает определенный уровень шума. Если механическая система используется на высоких скоростях, детали изнашиваются очень быстро.
3. При установке на карбюраторный или инжекторный двигатель требуется дополнительная подготовка. Необходимо учесть изменения давления, то есть, заменить часть «железа», прошивку ЭБУ. Все работы нужно выполнить одновременно, чтобы предотвратить снижение мощности двигателя.

Важно правильно подобрать нагнетатель, учитывая устройство, принцип работы, соответствие:

• по производительности;
• размерам, весу;
• режимам функционирования;
• типу привода;
• особенностям смазки.

На практике чаще всего приобретаются новые или б/у комплекты механических нагнетателей воздуха, рассчитанные на конкретную модель авто. Они продаются вместе с инструкцией, приводом, трубопроводом для воздуха, ремнями, крепежом.

При самостоятельном подборе важно знать классификацию, особенности эксплуатации. Необходимо учесть, что при сжигании большего объема топлива будет выделяться дополнительное количество тепла

Перед установкой дорабатывается топливоподача, система охлаждения, конструкция цилиндров с учетом увеличения КПД. Чаще всего меняется бензонасос, форсунки.

Источники

• https://DriverTip.ru/osnovy/kak-rabotaet-mehanicheskiy-nagnetatel-vozduha-vavtomobile.html
• https://VazNeTaz.ru/mexanicheskij-nagnetatel-vozduxa
• https://AutoFlit.ru/940-chto-takoe-nagnetatel-na-avto-ego-vidy-i-detalnyy-razbor-nyuansov.html
• https://scart-avto.ru/remont/mehanicheskiy-nagnetatel-vozduha-kakoy-metod-montazha/
• https://pricep-vlg.ru/tyuning/mehanicheskiy-nagnetatel-vozduha-dlya-avtomobilya/
• https://KrutiMotor.ru/ustrojstvo-mexanicheskogo-kompressora/
• https://grounde.ru/printsip-rabotyi-kompressora.html