Наддув, нагнетатели и немного истории. Компрессор рутса

Наддув начал использоваться на практике, как только конструкторы определили важнейший автомобильный приоритет – высокую удельную мощность при возможно меньших габаритах мотора. Первым нагнетателем, появившемся на автомобильном двигателе (если не считать самых ранних поршневых компрессоров), стал принудительный или механический нагнетатель типа «Рутс» («Roots»), хорошо зарекомендовавший себя в промышленности. Это произошло в 1885 году [1], когда Готтлиб Даймлер запатентовал нагнетатель собственной конструкции, работавший по принципу нагнетателя братьев Рутс. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя, а уже в 1911 г. принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи.

Однако быстрое решение задачи (литровая мощность действительно заметно увеличилась) оказалось не таким удачным, как представлялось вначале. Существенно возросший приток тепла, который несли отработавшие газы, преждевременно выводил из строя выпускные клапаны, поршни и систему охлаждения. Несоответствие конструкции и применявшихся материалов задержало развитие наддува на автомобиле.

Следующий шаг сделали авиационные двигателисты. Первым авиационным двигателем с механическим наддувом считается двухтактный ротативный двигатель «Мюррей-Вильята», на самолёте с которым в 1910 г. был установлен рекорд высоты в 5200 м. В 1918 г., на один из истребителей «SPAD» S.XIIIC» был установлен турбонаддувный агрегат «Рато» («Rateau»), который не дал преимуществ самолёту (в связи с недостатками его конструкции и недостаточной для привода турбины мощностью авиадвигателя первых модификаций «Испано-Сюиза» 8-й серии). Но уже в том же году турбонаддувным агрегатом «Рато» был оснащен более мощный чем «Испано-Сюиза» двигатель «Либерти» L-12», а в 1920 г. биплан «Lepere» с этим двигателем поднялся на рекордную по тем временам высоту - 10092 м. Важные исследования, проведенные совместно с металлургами, позволили наладить выпуск поршней, клапанов и подшипников, отвечавших более жестким требованиям. В итоге, наддув всерьез и надолго прижился в авиации.

Внедрению систем наддува не в небесах, а на земле помог автомобильный спорт, где требовались мощные и легкие моторы. Первыми разработали спортивные двигатели с наддувом «Daimler» (1921 г.), «Sunbeam» и «FIAT» (1922 г.). Именно итальянский гоночный «FIAT», выиграв в 1923 г. Большой приз Европы, открыл список побед системы-новинки. В следующем, 1924 г. компрессорные «Alfa Romeo» и «Daimler» завоевали, соответственно, Большой приз автомобильного клуба Франции и первое место в гонках Тарга Флорио в Италии. Уже первые нагнетатели повышали мощность на 50-70%. Например, у 2-литрового двигателя «Delage» после введения наддува мощность возросла со 125 до 190 л.с., т.е. на 52%!

Рассмотрим явление наддува подробнее. Так как подача необходимого количества топлива технических затруднений не вызывает, то мощность двигателя зависит, главным образом, от поступающей в цилиндры за единицу времени массы воздуха. Этот показатель, в свою очередь, связан с рабочим объемом мотора, частотой вращения коленчатого вала (предел здесь - допустимое значение средней скорости поршня) и объемным КПД (коэффициентом наполнения). Стало быть, при заданных условиях увеличить массу воздуха, проходящего через цилиндры, можно только через наддув. Нагнетая воздух в цилиндр принудительно, на современном двигателе можно без особых проблем получить 25%-ную прибавку к мощности, а с интеркулером мощность можно удвоить.

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 – это явление очень опасно для бензинового двигателя, так как ведёт к его катастрофическому износу. 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.

Сниженная же степень сжатия отрицательно влияла на КПД и экономичность. В итоге приводные нагнетатели рекомендовались лишь для крайних случаев. В инструкции 1937 г. для легкового автомобиля «Mercedes-Benz» 540K» (на этой модели, кстати, карбюратор дополняли специальные клапаны, включавшиеся одновременно с компрессором) говорилось: «Включайте компрессор (при 1000 оборотов в минуту) только в случае острой необходимости, например, для быстрого проезда перекрестков, ускоренных разгонов, преодоления коротких крутых подъемов и т.д. Продолжительность работы мотора с компрессором не должна превышать 1 минуту, а при достижении 3400 об/мин отключите систему немедленно».

Несмотря на попытки «Lancia», «Volkswagen», «General Motors» в 70-80-е годы усовершенствовать нагнетатели, приводные компрессоры постепенно сошли со сцены. Сейчас они применяются в основном различными тюнинг-ателье и гаражными «умельцами» для форсирования двигателей и очень редко стоят на серийных автомобилях. Крупные автопроизодителям используют нагнетатели в том случае, когда необходимо создать ряд двигателей разной мощности без существенной переделки конструкции базового двигателя.

Самая современная система с принудительным нагнетателем, установленная на моделях «Mercedes-Benz» С- и Е-класса практически не отличается от распространённых в 20-30-е годы роторно-шестеренчатых компрессоров типа «Рутс». Двигатель рабочим объемом 2,3 л комплектуется механическим компрессором фирмы «Eaton», усовершенствованной версией «Рутс» - винтообразных лопастей уже не две, а три или четыре. Привод осуществляется поликлиновыми ремнями от коленчатого вала двигателя. Особое покрытие лопастей, уменьшив трение, значительно улучшило КПД механизма. Подключается компрессор уже не водителем, а специальным электромагнитным сцеплением и только тогда, когда требуется резкое увеличение мощности. Степень сжатия уменьшена до 8,8. Четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,3 л развивает с компрессором 193 л.с. вместо 150 л.с. при 5400-5500 об/мин. Крутящий момент увеличивается с 220 до 270 Нм при 3750-3800 об/мин.

У нас в стране опыт применения механических нагнетателей на легковых автомобилях ограничился единичными экземплярами гоночных машин в 40-50-е годы.

Значительно более широкое распространение в мире получил наддув с турбонагнетателем, т.е. нагнетателем, приводимым турбиной, действующей на отработавших газах.

Ниже приведена классификация видов наддува ДВС.

Агрегатный наддув осуществляется с помощью нагнетателя. Он подразделяется на:

• механический наддув, где используется компрессор, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя;
• турбонаддув, где компрессор (обычно центробежный) приводится турбиной, вращаемой выхлопными газами двигателя;
• наддув «Comprex», заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель;
• электрический наддув, где используется нагнетатель, вращаемый электродвигателем;
• комбинированный наддув объединяет несколько схем, как правило, речь идет о совмещении механического и турбонаддува.

Безагрегатный наддув. К нему относят:

• резонансный наддув (иногда называемый инерционным или акустическим), реализуемый за счёт колебательных явлений в трубопроводах;
• динамический наддув (скоростной или пассивный наддув) увеличивает давление во впускном коллекторе за счет воздухозаборников особой формы при движении с высокой скоростью;
• рефрижерационный наддув достигается испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования, на автомобильных двигателях не применяется.

Отметим, что существуют некоторые разногласия в понятиях, и резонансный наддув иногда называют динамическим. В данной статье мы под динамическим наддувом будем понимать только увеличение давления на впуске за счет воздухозаборников особой формы.

Механический наддув

Механический наддув позволяет легко поднять мощность двигателя. Основным элементом в такой системе является нагнетатель, приводимый непосредственно от коленчатого вала двигателя. Механический нагнетатель способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки, увеличивая давления наддува строго пропорционально оборотам двигателя, что является важным преимуществом подобной схемы. Однако механический наддув имеет и существенный недостаток – он отбирает на свою работу часть мощности двигателя.

На видео ниже экстремальный трицикл «Rocket 2» с механическим наддувом.

Все виды механических нагнетателей можно подразделить на объемные («Рутс», «Лисхольм» и др.) и центробежные.

Нагнетатель типа «Рутс»/«Итон»

Братья Рутс разработали свой нагнетатель еще в 1859 г. Он относится к объёмным роторным шестерённым машинам для подачи газовых сред. Первоначально он использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Конструкция его была очень проста: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые «шестерни», помещенные в общий кожух, перекачивают объемы воздуха от впускного коллектора до выпускного в пространстве между своими зубьями и внутренней стенкой корпуса.

В 1949 году другой американский изобретатель – Итон (Eaton) – усовершенствовал конструкцию: прямозубые «шестерни» превратились в косозубые роторы, а воздух стал перемещаться не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель.

В настоящее время совершенствование нагнетателей данного типа идёт по пути увеличения количества зубьев-лопаток, если первоначально в нагнетателе Итона было по две лопатки на роторе, то сегодня их число достигло четырёх – «Eaton» TVS» [2]. Увеличение числа лопаток позволяет сгладить основной недостаток нагнетателей типа «Рутс» – неравномерность подачи воздуха, создающую пульсацию давления. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно. Компрессоры подобного типа имеют ещё один существенный недостаток. При выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда, поэтому наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления происходит дополнительный нагрев. В этой связи современные нагнетатели данного типа в обязательном порядке оснащаются интеркулерами.

Сегодня современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Основные преимущества нагнетателей «Рутс» заключаются в простоте конструкции (малое количество деталей и малая скорость вращения роторов делают такие нагнетатели очень долговечными), компактности, эффективности на малых и средних оборотах двигателя, низком уровне шума по сравнению с центробежными компрессорами.

Центробежный нагнетатель

Подобные нагнетатели получили в настоящее время наибольшее распространение, как в виде отдельного приводного компрессора, так и главным образом в составе турбонаддува.

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. Итак, 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 (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). 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.

В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный 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  тыс. об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к 200 тыс. об/мин. И в том случае если привод осуществляется от двигателя посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора, который снижает КПД механического нагнетателя.

Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку в мощности 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 очень популярны: сравнительно низкая цена и простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы, особенно в сфере тюнинга. Недостатки данного типа нагнетателей известны: повышенные шум и износ, эффективная прибавка мощности только на высоких оборотах.

Нагнетатели типа «Лисхольм»

Следует также рассказать о винтовом нагнетателе или нагнетателе типа «Лисхольм» («Lysholm»). Компрессоры данного типа иногда используются для увеличения мощности двигателя. Первый в мире винтовой нагнетатель был изготовлен и запатентован шведским инженером Альфом Лисхольмом в 1936 г. Он также как и «Рутс» относится к роторным объёмным нагнетателям. Два ротора с взаимодополняющими профилями захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед вдоль роторов. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры - это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия, следовательно, не возникает дополнительной турбулентности как у рутс-компрессоров. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора.

Основные плюсы нагнетателей типа «Лисхольм»: высокая эффективность (КПД порядка 70%), надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие при правильном проектировании и изготовлении. Здесь и кроется единственный их минус. Дело в том, что роторы этих компрессоров имеют очень сложную форму и, как следствие, дороги. По этой причине нагнетатели «Лисхольм» практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много.

Прочие типы нагнетателей

В 80-х годах прошлого столетия компания «Volkswagen» экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как «G-Lader». Сейчас это направление компанией VW свернуто. Идея спирального одноосевого нагнетателя также очень стара. В 1905 году изобретатель Леон Креукс подал заявку на патент. Первоначально предусмотренный в качестве паровой машины, такой нагнетатель имел два спиральных витка, расположенных один в другом. В течение десятилетий он совершенствовался и, в конце концов, превратился из первоначальной четырехструйной машины в восьмиструйную, которая была оснащена двумя камерами - внутренней и внешней - по обеим сторонам с углом разворота 180 градусов относительно друг друга. Но тогда о массовом производстве таких нагнетателей можно было только мечтать, потому что в то время еще отсутствовали соответствующее технологии и оборудование. Сложность производства заключалась также в том, что изготовление деталей должно было быть максимально точным, так как любое отклонение в структуре или качестве поверхности могло привести к значительному снижению КПД. Поэтому в качестве нагнетательного аппарата для автомобильного двигателя спиральный нагнетатель стал использоваться очень поздно. С середины восьмидесятых до 1992 года его серийно использовал лишь «Volkswagen» в моделях «Polo», «Corrado», «Golf» и «Passat». Однако ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры и сегодня.

Также спиральный нагнетатель имеет важные преимущества: высокий КПД (75,9% у прототипов) и низкий уровень шума, хорошее уплотнение (благодаря чему наличие давления наддува проявлялось уже на малых оборотах) и малые потери на трение.

Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко. Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух.

Следует упомянуть незаслуженно забытые в автомобилестроение шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Цилиндрический корпус имеет два отверстия, как правило, растянутые во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.

Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Хорошо сконструированный шиберный нагнетатель может быть на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотными, но довольно габаритными. Это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. В настоящее время появляются новые материалы и технологии, которые делают вновь востребованными старые технические решения и конструкции.

Турбонаддув

Турбокомпрессор или турбонагнетатель состоит из газовой и компрессорной турбин посаженных на один вал. Фактически компрессорная часть – это центробежный нагнетатель. Скорость вращения газовой турбины, благодаря энергии отработавших газов, очень высока (50-100 тысяч об/мин). Компрессор засасывает и сжимает воздух, подающийся затем во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси. Степень сжатия приходится уменьшать и в этом случае, однако тепловой КПД такого мотора снижается незначительно и, более того, удельный расход топлива иногда даже падает. При высоком давлении наддува целесообразно охлаждать воздух после компрессора до поступления в цилиндры. В бензиновых двигателях температура воздуха в цилиндрах ограничена детонацией. Чем выше жаропрочность лопаток турбины (предел около 1000 °С) и чем большую температуру раскаленных выхлопных газов выдерживает этот материал, тем эффективнее работа турбонагнетателя. Нагрев выхлопных газов в дизелях доходит до 600 °С, а в бензиновых двигателях до 1000 °С, поэтому с точки зрения долговечности дизельная турбина дает лучшие результаты. Также увеличенный приток воздуха позволяет дизелю хорошо справляться с обедненными смесями, воспламенение которых при высоких температурах сжатия не вызывает никаких затруднений. Кроме того, дизели с турбонаддувом становятся менее «жесткими» в работе. Однако при быстром и резком увеличении мощности возникают проблемы. Из-за инерции турбокомпрессора подача воздуха отстает от подачи топлива, поэтому сначала дизель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора, которую сводят к минимуму увеличением оборотности при уменьшении диаметра колес турбины.

Свои особенности у турбонаддува бензиновых двигателей. Здесь, как правило, экономия топлива достигается переходом на уменьшенный рабочий объем двигателя (при той же или большей мощности, обеспечиваемой турбонаддувом). Воспламенение бедных смесей бензина с воздухом происходит с трудом, поэтому необходимо регулировать количество подаваемого воздуха (а не топлива, как на дизеле), что особенно важно при высоких частотах вращения, когда компрессор работает с максимальной производительностью. Существует множество способов ограничения подачи воздуха при пиковых режимах. Рассмотрим систему регулирования «АРС» фирмы «SAAB», в которой для регулирования давления наддува применена электроника. За давлением наддува следит специальный клапан, контролирующий поток отработавших газов, идущих через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при разрежении во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и входом в компрессор. Степень разрежения в перепускном клапане зависит от положения дроссельной заслонки с электроприводом, управляемым электронным устройством, получающим сигналы датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и улавливающий детонационные стуки. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.

Система «АРС» заметно улучшает динамику автомобиля. Например, для быстрого обгона (или разгона) в условиях интенсивного движения двигатель переводится в режим работы с максимальным давлением наддува. При этом детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке двигателе не может, естественно, возникнуть мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнут проявляться первые тревожные симптомы, по сигналу датчика детонации управляющее устройство плавно снизит давление наддува. Применение системы «АРС» при сохранении значений крутящего момента двигателя по внешней характеристике поднимает степень сжатия с 7,2 до 8,5, уменьшая давление наддува с 50 до 40 кПа при 6-8% экономии топлива.

В последнее время совершенствование концепций наддува идет по пути создания регулирующих систем для повышения крутящего момента при низких оборотах двигателя, а также снижения инерционности. Существует несколько способов решения данной проблемы:

• применение турбины с изменяемой геометрией;
• использование двух параллельных турбонагнетателей;
• использование двух последовательных турбонагнетателей;
• комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя «TDI» от «Volkswagen».

Система с двумя параллельными турбонагнетателями (система «biturbo») применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин (система «twin-turbo») максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбонагнетателей на разных оборотах двигателя.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический компрессор. С ростом оборотов подхватывает турбонагнетатель, а механический компрессор отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя «TSI» от «Volkswagen».

После отказа от карбюраторов и переходе на электронный впрыск топлива особенно эффективным стал турбонаддув на бензиновых двигателях. Здесь уже достигнута впечатляющая топливная экономичность.

В целом же, следует признать, что турбонаддув, увеличивая тепловые и механические нагрузки, заставляет вводить в конструкцию ряд упрочненных узлов, усложняющих двигатель как в производстве, так и при техническом обслуживании.

Наддув «Comprex»

Также не хотелось оставить без внимания такой интересный способ наддува как «Компрекс» («Comprex»), разработанный фирмой «Браун энд Бовери» (Швейцария) заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель. Получаемые при этом показатели двигателя такие же, как и в случае использования турбокомпрессора, но турбина и центробежный нагнетатель, для изготовления и балансировки которых требуются специальные материалы и высокоточное оборудование, отсутствуют.

Главная деталь в системе «Компрекс» - это лопастный ротор, вращающийся в корпусе с частотой вращения, втрое большей частоты вращения коленчатого вала двигателя. Ротор установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в движение клиновым или зубчатым ремнем от коленчатого вала. Привод компрессора типа «Компрекс» потребляет не более 2% мощности двигателя. Агрегат «Компрекс» не является компрессором в полном смысле слова, поскольку его ротор имеет только каналы, параллельные оси вращения. Эта система наддува является единственным выпущенным большой партией нагнетателем с волновым обменником давления. Он, как и механический нагнетатель, приводится в действие от распределительного вала, но использует полученную энергию лишь для синхронизации частоты вращения ротора с частотой вращения распределительного вала двигателя, а сжимает воздух энергия отработавших газов. Ротор имеет каналы параллельные оси его вращения, где поступающий в двигатель воздух сжимается давлением отработавших газов. Торцовые зазоры ротора гарантируют распределение отработавших газов и воздуха по каналам ротора. На внешнем контуре ротора расположены радиальные пластины, имеющие небольшие зазоры с внутренней поверхностью корпуса, благодаря чему образуются каналы, закрытые с обеих сторон торцовыми крышками.

В правой крышке имеются окна: а - для подачи отработавших газов от двигателя в корпус агрегата и г - для отвода отработавших газов из корпуса в выпускной трубопровод и далее - в атмосферу. В левой крышке имеются окна: б - для подачи сжатого воздуха в двигатель и д - для подвода свежего воздуха в корпус из впускного трубопровода е. Перемещение каналов при вращении ротора вызывает их поочередное соединение с выпускным и впускным трубопроводами двигателя.

При открывании окна а возникает ударная волна давления, которая со скоростью звука движется к другому концу выпускного трубопровода и одновременно направляет в канал ротора отработавшие газы, не смешивая их с воздухом. Когда эта волна давления достигнет другого конца выпускного трубопровода, откроется окно б и сжатый отработавшими газами воздух в канале ротора будет вытолкнут из него в трубопровод в к двигателю. Однако еще до того, как отработавшие газы в этом канале ротора приблизятся к его левому концу, закроется сначала окно а, а затем окно б, и этот канал ротора с находящимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон будет закрыт торцовыми стенками корпуса.

При дальнейшем вращении ротора этот канал с отработавшими газами подойдет к окну г в выпускной трубопровод и отработавшие газы выйдут в него из канала. При движении канала мимо окон г выходящие отработавшие газы эжектируют через окна д свежий воздух, который, заполняя весь канал, обдувает и охлаждает ротор. Пройдя окна г и д, канал ротора, заполненный свежим воздухом, вновь закрывается с обеих сторон торцовыми стенками корпуса и, таким образом, готов к следующему циклу [3].

Описанный цикл весьма упрощен в сравнении с происходящим в действительности и осуществляется лишь в узком диапазоне частоты вращения двигателя. Здесь кроется причина того, что известный уже в течение долгого времени этот способ наддува практически не применяется в автомобилях. «Comprex» был серийно использован в дизельных моделях двух знаменитых марок: «Opel» в 2,3-литровом «Senator» и «Mazda» 626» в 2,0-литровом четырехцилиндровом моторе. Но «Opel» ставил компрекс-нагнетатели на свои модели всего год (до 1986 года), в отличие от компании «Mazda», которая поставляла свои двигатели с компрекс-наддувом до 1996 года, пока в июне 1997 года он окончательно не был снят с программы производства.

Свое преимущество компрекс-нагнетатель проявляет уже на низких оборотах двигателя, так как при этом ему вполне достаточно и малого объема отработавших газов для того, чтобы получить высокую степень сжатия. В этом и заключается важное отличие от турбонагнетателя, количество отработавших газов в котором находится в прямой зависимости от привода компрессора. Также применение агрегата наддува «Компрекс» вместо турбокомпрессора снижает шум двигателя, так как он работает при более низкой частоте вращения.

Электрический наддув

Система электрического наддува разрабатывалась фирмой «Controlled Power Technologies» (в настоящий момент вошла в состав подразделения силовых агрегатов компании «Valeo») в течение трех лет.

В отличие от турбонаддува, где центробежный нагнетатель приводят в действие выхлопные газы, или механического наддува, где нагнетатель связан с коленчатым валом двигателя, в системах с электрическим наддувом нагнетатель вращается электромотором. Обычно подобные системы являются комбинированными, так как использование электрического и турбонаддува совместно даёт существенный выигрыш, позволяя избежать турбоямы на низких оборотах двигателя.

Она совмещает в одном устройстве электрический и турбонагнетатель.

Компания «Audi» недавно представила систему электрического наддува, работающую по схеме, отличной от схемы «Controlled Power Technologies». Система «Audi» (на рис. ниже) использует двойной наддув: обычная турбина работает на средних и высоких оборотах, а электрическая — на малых, исключая турбояму.

В «Audi» собираются снабдить электрическим наддувом собственные дизельные моторы. На заводе компании уже собран пробный образец трехлитрового V6 TDI с подобным двойным наддувом. В системе задействован компактный электродвигатель, способный быстро раскрутить турбину до высоких скоростей. Возникновение дополнительного потребителя никак не должно отразиться на общем уровне энергопотребления, так как потери на раскрутку турбины перекроются при помощи системы рекуперации.

Внимание к электрическому наддуву в последнее время проявляют также компании «Ricardo», «Ford» и «BMW». Последняя недавно получила патент на электротурбину собственной конструкции, а компания «Ford» работает совместно с «Controlled Powertrain Technologies» и «Valeo» над трёхцилиндровым двигателем «Hyboost» с электронаддувом. «Valeo» станет первым поставщиком комплектующих, который предложит на рынок целый спектр электрических нагнетателей.

На рынке тюнинга существуют и так называемые осевые электрические нагнетатели, которые, как правило, входят в систему динамического наддува (читайте ниже). Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с электромоторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Если такая система преодолевает хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.

Резонансный наддув (инерционный наддув)

Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, — система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что приходы волн сжатия к впускному клапану и волн разрежения к выпускному клапану способствуют продувке и очистке камеры сгорания от отработавших газов.

В первом случае нужно просто поймать волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы поймать волну сжатия, необходимо менять длину впускного коллектора. Поначалу конструкторы пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания «BMW» применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. Давление наддува, создаваемое 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. Плюсом системы резонансного наддува является то, что энергия мотора на ее привод практически не затрачивается.

Во втором случае энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления уже в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.

Внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля «Порше».

Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы. На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления pe это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. справа, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе его закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.

Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы — равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра — в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются, и организуется их общий ввод в глушитель.

Динамический наддув (скоростной или пассивный наддув)

Система динамического наддува (также называемого скоростным или пассивным наддувом) увеличивает давление на впуске двигателя. Рост давления во впускном коллекторе достигается за счет воздухозаборников особой формы, которые при увеличении скорости движения начинают буквально загонять воздух в двигатель.

Заметный эффект от пассивного наддува начинает проявляться при больших скоростях движения (более 150 км/ч), поэтому на обычных автомобильных двигателях система динамического наддува встречается крайне редко, но иногда применяется на спортивных мотоциклах и автомобилях, а также широко используется для наддува поршневых авиационных двигателей. Нередко пассивный наддув объединяют с другими видами наддува, делая воздухозаборник соответствующей формы.

На «тюнингованных» автомобилях часто выводят впускной тракт на капот или в решетку радиатора, т. е. в зону максимального давления, чем имитируют систему динамического наддува (ниже на рисунке приведена подобная система). Почему имитируют? Потому что пассивный наддув, как уже было написано выше, начинает работать только на высоких скоростях. Также при подобном «тюнинге» ставят «фильтр нулевого сопротивления», который плохо справляется с очисткой поступающего воздуха, что приводит к усиленному износу двигателя.

«Тюнинг». Впускной тракт выведен вместо фары.

Разновидность динамического наддува. Внутри патрубка системы установлена крыльчатка, благодаря инертности (поэтому некоторые и наывают такой наддув «инерционным») вращения которой возникает завихрение поступающего воздуха, что обеспечивает его максимально быстрое проникновение в камеры сгорания и более полное их наполнение топливо-воздушной смесью. В общем, ерунда полная, на которую ведутся горе-тюнеры.

Преимуществом динамического наддува является то, что это самый дешевый способ относительно остальных.

Читайте также

• Когда был создан первый электромобиль

  Статья рассказывает о том, когда был создан первый электромобиль. Освещает особенности развития конструкции ранних электромобилей. Также рассматриваются преимущества и недостатки, приведшие к их упадку.

• Роторный двигатель на ударной волне

  Вы поворачиваете ключ зажигания — и двигатель Вашего автомобиля разрывает ударная волна. Это звучит катастрофой, но роторный двигатель на ударной волне может сделать автомобили гораздо более эффективными.

Сноски

1. ↺ По другим данным он запатентовал сам принцип использования наддува на автомобиле.
2. ↺ О нагнетателе «TVS» на сайте компании «Eaton».
3. ↺ Описание работы системы «Comprex» дано по книге Мацкерле Ю. «Современный экономичный автомобиль» (книга есть в библиотеке сайта).

Комментарии