Центробежный нагнетатель

История

В качестве первопроходцев, разработавших автомобильные двигатели с наддувом, можно упомянуть такие компании, как Mercedes-Daimler, Fiat, Sunbeam, Alfa Romeo. Сама идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения самого ДВС. Уже в 1885 г. Готтлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетатель. Идея заключалась в том, что некий внешний вентилятор, насос или компрессор нагнетает в двигатель увеличенный заряд воздуха. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Было выпущено некоторое количество автомобилей, но затем все работы в данном направлении свернули.

Принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи еще в 1905 г., но и здесь технологии того времени притормозили внедрение подобных устройств. Братья Рутс разработали объемный нагнетатель еще в 1859 г. Эти роторно-шестеренчатые компрессоры теперь так и называются – компрессоры типа «roots». На автомобилях устройства подобного типа появились в 20-е годы прошлого века благодаря компании Mercedes. Винтовой компрессор был разработан в 1936 г. Патент получил Альф Лисхолм (Alf Lysholm) – главный инженер SRM (Svenska Rotor Maskiner AB).

Тогдашний уровень развития технологий не способствовал распространению подобных устройств, но сейчас они довольно популярны. Были и другие типы нагнетателей. Со временем они естественным образом разделились на механические (с приводом от коленвала или другим способом) и турбо (с приводом от выхлопной системы). Последние, хоть и имеют общие корни и назначение, все же довольно обособленная ветвь развития нагнетателей. Далее в этой статье речь пойдет о нескольких основных типах механических нагнетателей.

Центробежный нагнетатель

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. 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. Так создается необходимый подпор для накачки цилиндров «спрессованной атмосферой».

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 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. Появились даже обманки, имитирующие звучание работающей турбины. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора.

Здесь стоит упомянуть интересное решение компании Powerdyne. Внутри единого корпуса нагнетателя располагается дополнительная повышающая ременная передача. Она не требует обслуживания, смазки и рассчитана на пробег более 80 тыс. км. Это позволяет уменьшить передаточное число внешней, основной ременной передачи, чем снизить ее рабочие нагрузки.

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, 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.

Как было отмечено выше, центробежные нагнетатели очень популярны. Сравнительно низкая цена и, самое главное, простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы. Особенно в сфере тюнинга. В настоящее время центробежные нагнетатели производятся рядом компаний. Вот лишь самые известные из них: Paxton Automotive, Powerdyne Automotive, ATI ProCharger, RK Sport, Vortech. Нагнетатели большинства производителей доступны и у нас, в России.

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. Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.

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. Чтобы повысить давление наддува, применялись конструкции с двумя и более ступенями. Они позволяли поднять итоговые значения давления в 2, 3 раза и больше. Но в силу того, что эти компрессоры теряли одно из своих главных преимуществ – компактность, такие многоярусные конструкции не прижились.

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 (особое устройство для охлаждения воздуха). Шум от работы объемных компрессоров не столь сильный, как у центробежных, и имеет несколько иную тональность. Но, в отличие от последних, работа роторно-шестеренчатых нагнетателей сопровождается пульсациями давления. Происходит это по причине неравномерности подачи воздуха. Для снижения шума и амплитуды пульсаций последнее время наибольшее распространение получили трехзубчатые роторы спиральной формы. 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.

В настоящее время современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Такие автогиганты, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors, устанавливают на некоторые свои автомобили механические нагнетатели именно рутс-типа. Тому есть несколько причин. В первую очередь объемные нагнетатели, в отличие от центробежных, 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 важный плюс – относительная простота конструкции. Малое количество движущихся частей и малые скорости вращения делают эти нагнетатели одними из самых надежных и долговечных. Однако сложность в изготовлении и установке, а значит, и высокая цена (относительно центробежных) несколько снизили их рыночную популярность. Если не считать перечисленных выше производителей, для вторичного рынка подобные нагнетатели производит несколько компаний. Вот некоторые из них: Jackson Racing, Kenne Bell Superchargers, Magna Charger. Отдельно стоит отметить компанию Eaton Automotive. Именно она является, что называется, локомотивом раскрутки нагнетателей рутс-типа. Кстати, это ее компрессоры и устанавливаются на двигатели Ford и GM. В России такие нагнетатели в силу дороговизны не столь популярны, но, по крайней мере, пара марок представлены и у нас.