Воздушные нагнетатели

Применение нагнетателей на автомобилях

К сожалению, даже механические компрессоры стоят достаточно дорого, поэтому они внедряются в серию преимущественно на авто элитного класса. Большинство спортивных моделей также работают в связке с нагнетателями. А вот гоночные болиды комплектуются комплексным вариантом, предусматривающим одновременную работу и турбокомпрессора, и механического нагнетателя. Хотя в последнее время такой подход начал реализовывать и немецкий автоконцерн VAG, у которого уже есть полноценная линейка таких силовых агрегатов.

Остальным автовладельцам остаётся уповать на тюнинговые мастерские, предоставляющие услуги установки готовых компрессорных комплектов на классические атмосферные двигатели. В состав подобных комплектов входит всё необходимое для установки механического нагнетателя с учётом модели авто и мотора. Кастомная установка турбокомпрессора – задача гораздо более сложная и дорогостоящая, сравнимая с покупкой нового силового агрегата, поэтому такой способ увеличения мощности мотора пока не пользуется большой популярностью.

Хотя многие опции, которые в недалёком прошлом были характерны только для дорогих моделей, в настоящее время плавно перекочёвывают в средний класс, о нагнетателях этого не скажешь. Мы ещё нескоро увидим их в серийных авто среднего ценового сегмента.

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. 

Как сделать нагнетатель воздуха своими руками – Металлы, оборудование, инструкции

Как известно, мощность любого атмосферного двигателя сильно зависит от рабочего объема, а также является в достаточной степени ограниченной физическим рабочим объемом ДВС. Если просто, атмосферный мотор «затягивает» наружный воздух благодаря разрежению, которое возникает в результате движения поршней в цилиндрах.

При этом от количества поступающего воздуха напрямую зависит и количество топлива, которое можно в дальнейшем эффективно сжечь. Другими словами, чтобы сделать атмосферный двигатель мощнее, необходимо увеличивать рабочий объем цилиндров, наращивать количество цилиндров или комбинировать то и другое.

Еще одним действенным способом является подача воздуха в двигатель под давлением. В этом случае объем цилиндра и количество «горшков» можно не менять, при этом воздух нагнетается принудительно, что автоматически позволяет подать больше горючего и далее сжечь такой заряд топливно-воздушной смеси с максимальной отдачей.

Среди нагнетателей воздуха следует выделить турбонаддув и механический компрессор.

Каждое из решений имеет как свои плюсы, так и минусы, при этом установить механический нагнетатель воздуха своими руками на практике вполне может оказаться несколько проще, чем грамотно выполнить работы по установке турбонаддува.  Далее мы поговорим о том, можно ли поставить компрессор на двигатель своими руками и что нужно учитывать в рамках такой инсталляции.

Нагнетатель воздуха – оптимальный способ увеличить мощность!

На заре автомобилестроения инженеры решали вопрос увеличения мощности двигателей внутреннего сгорания, что называется, в лоб – увеличивали количество и размеры цилиндров. Однако практичность таких разработок даже во времена дешевой нефти была под большим вопросом. Нагнетатель воздуха позволил решить эту проблему своими руками.

1 Турбонагнетатели – с чем столкнулись инженеры?

Сложно это представить, но еще в 1909 году автомобиль с двигателем внутреннего сгорания установил рекорд скорости в 200 км/ч – достижение для тех времен невероятное.

Еще сложнее представить объем двигателя, благодаря которому удалось разогнать авто до такой скорости – 28 литров! Даже речи быть не могло, чтобы запустить такие агрегаты в массовое производство, ведь их обслуживание своими руками было практически невозможным, ввиду огромных габаритов двигателя.

К счастью, дальнейшие разработки автомобильных инженеров велись в сторону уменьшения объема при сохранении мощностей, а также упрощения конструкции. Чтобы автомобиль стал массовым, следует дать возможность ремонтировать его своими руками – так размышляли первые автомобилестроители и были совершенно правы.

Благодаря появлению нагнетателя, удалось при сохранении всех параметров сходу увеличить мощность на целых 50 %! Сегодня опытному автомобилисту не составит труда своими руками установить одну из популярных систем турборежима.

Рекомендуем ознакомиться

Представить принцип работы такого устройства совершенно не сложно даже школьнику младших классов. Работу мотора обеспечивает постоянное сгорание топливно-воздушной смеси, которая поступает в цилиндры двигателя.

В зависимости от возможностей двигателя и режимов его работы устанавливается оптимальное соотношение воздуха и топлива.

В обычных условиях объем ТВС ограничен размерами цилиндра – внутрь камеры смесь попадает благодаря разрежению на такте впуска.

Увеличение мощности двигателя таким способом повлекло целый ряд проблем. из них – возрастание количества тепловой энергии при сгорании смеси, что в свою очередь влечет быстрое прогорание поршней, клапанов, поломку системы охлаждения.

Устройство компрессора

Любой автомобильный компрессор состоит из нескольких основных элементов:

• привод;
• компрессорная группа;
• ресивер для компрессора;
• контрольные приборы, кнопки для управления, датчики.

Привод

Данная составляющая устройства может быть электрической. Компрессор бывает трехфазным или же однофазным. Работает он от так называемого асинхронного электродвигателя. Если работа проводится вдали от источников тока, то используется специальный автономный привод.

Компрессорная группа

Специалисты делят привод компрессоров на два типа: с ременной передачей и с прямым приводом. Часто эти категории используется именно в винтовых компрессорах. В этой конструкции есть специальный электронный блок управления, меняющий производительность двигателя и количество его оборотов в зависимости от расходуемого воздуха.

Ресивер

Данный товар практически всегда поставляется вместе с компрессором. Изделие представляет собой сосуд из металла или пластика, где система накапливает воздух. По мере необходимости он расходуется. Одной из дополнительных функций ресивера является сглаживание пульсации давления в тот период времени, когда аппарат функционирует. Кроме того, последний аспект является актуальным чаще всего именно для поршневых компрессоров, которые имеют небольшой объём.

Кнопки для управления, контрольные приборы и датчики

Манометр всегда присутствует в любом, даже самом простом комплекте. Он необходим для самостоятельно контроля уровеня давления воздуха.

Между компрессорным блоком и ресивером установлен обратный клапан, который предназначен для сохранения воздуха в ресивере и снижения нагрузки.

Для нормализации давления на выходе есть специальный редуктор, который тоже имеет манометр.

Принцип работы

Чтобы понять, как работает компрессор для автомобиля, необходимо рассмотреть схему функционирования самого обыкновенного четырехтактного двигателя. Во время движения вниз поршня воздух разряжается, после чего он попадает в специальную камеру сгорания. Далее воздух начинает взаимодействовать с топливом, а затем создается специальный заряд, который может превратиться в кинетическую энергию во время горения. Процесс горения обеспечивает свеча зажигания.

В тот момент, когда окисление топлива начинается, система выбрасывает большой объём кинетической энергией. Данный процесс можно назвать взрывом, сила которого воздействует на поршень, благодаря чему тот начинает двигаться. Далее сила движения поступает на колеса, и они начинают вращаться.

Задача компрессора заключается в том, чтобы удержать определенное количество воздуха при входе в двигатель. В результате давление повышается, в двигатель поступает необходимое количество топлива, и мощность увеличивается.

Далее в работу вступает механический нагнетатель.  Он запускается при помощи приводного ремня. Компрессионный ротор выпускает определенное количество воздуха, максимально сжимает его и отправляет в так называемый впускной коллектор.

Средняя скорость вращения компрессора варьируется в пределах 50-60 тысяч оборотов всего за одну минуту.

Результатом всех этих действий и процессов становится увеличение подачи количества воздуха в двигатель автомобиля.

Как выбрать компрессор для автомобиля?

При выбора подходящего изделия, надо определиться со следующими данными:

• габариты (чем меньше компрессор, тем его мощность ближе к минимальной);
• максимальные запасы производительности и мощности;
• производитель;
• конструкция.

• Drive2.ru
• qvarto.ru
• Tut.by
• automanya.ru
• DRIVE2
• off-wheels.ru
• Grounde.ru
• pnevmopodveska24.ru
• FB.ru
• SYL.ru
• StankiExpert.ru

Виды конструкций механического нагнетателя делятся в зависимости от типа привода.

1. Прямое крепление нагнетателя к фланцу коленчатого вала называют прямым приводом;
2. Ременной привод – характеризуется различными вида привода при помощи ремней. Делится на:
3. Зубчатый
   • Клиновой
4. Плоский
5. Зубчатая передача через цилиндрический редуктор
6. Цепной привод;
7. Электрический привод подразумевает под собой использования для привода электродвигателя.

Данный вид привода естественно является наиболее энерго-затратным и требует большей мощности для аккумуляторов, но при этом он не снижает мощности двигателя.

Объемные нагнетатели

Объемные нагнетатели получили свое название из-за того что принцип их работы заключается в простой перекачке определенного объема воздуха без сжатия.

Кулачковый нагнетатель

Кулачковый нагнетатель является самым первым и от того самым старым и проверенным типом наддува. Его история развития стартовала 1859 году с работы двух талантливых братьев под фамилией Рутс (Roots). Изначально его использовали как промышленный вентилятор для продувки помещений. Чуть позже он получил широкое применение из-за своей простоты. Две помещенные в общий кожух прямозубые шестерни вращаются в разных направлениях, при этом перекачивая определенный объем воздуха от впускного до выпускного коллектора.

Спустя 90 лет другому американскому ученому Итону пришло в голову, как можно усовершенствовать конструкцию. Прямозубые шестерни заменили на косозубые роторы, и воздух стал перемещаться вдоль, а не поперек как это было раньше. С того времени усовершенствование нагнетателей этого типа идет по пути увеличения количества зубчатых лопаток (косозубых роторов). В первоначальной модели Итона «Eaton» их было две, а теперь сложно встретить меньше четырех. Основными функциональными недостатками нагнетателей типа Рутс является:

1. Неравномерная пульсационная подача воздуха создающие периодический недостаток давления. Увеличение количества зубчатых-лопастей и изменение формы впускного и выпускного окна компрессора на треугольное, позволяет свести этот недостаток к минимуму. К тому же эти конструктивные решения помогают сделать работу компрессоров Рутса намного тише и равномернее.
2. Во время выдавливания несжатого воздуха в трубопровод где находиться сжатый воздух, создается турбулентность, которая способствует росту температуры заряда воздуха. Это отрицательно сказывается на производительности ухудшая показатели калорийности топливной смеси из-за менее полного сгорания. Данная проблема коленчатых компрессоров решается установкой инкулера.

Развитие машиностроение позволило полностью оценить плюсы и минусы нагнетателей Рутса и получить из них максимум производительности.

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель (Lysholm) также как и компрессор «Рутса» относится к объемно-роторным нагнетателям и в своей работе использует те же принципы, но в отличии от своего более раннего коллеги рабочую нагрузку в нем исполняют пара роторов с взаимодополняющими профилями. На английском винтовой нагнетатель называют Lysholm в честь его изобретателя Альфреда Лисхольма, который в 1936 году изготовил и запатентовал на него права.

Принцип работы компрессора Lysholm

• Начиная встречное взаимное движение, пара роторов захватывает воздух.
• Вдоль роторов воздух порциями проталкивается вперед попутно сжимаясь.

Следовательно, на выпуске окна компрессора не возникает турбулентности, как у компрессоров «Рутса». Это является главным отличием от роторно-шестеренчатых нагнетателей. Подобная схема работы обеспечивает стабильно высокую эффективность на всех уровнях нагрузки.

Плюсы компрессоров «Лисхольм»:

1. Высокий КПД (70%)
2. Надежность
3. Компактная конструкция
4. Низкий уровень шума.

Главным и единственным минусом компрессоров «Лисхольм» является очень слона форма роторов, из-за чего их производство является очень затратным и как следствие сам компрессор очень дорогой. Поэтому он не встречается в серийных авто и его производят очень мало компаний.

ентробежный нагнетатель получил на данный момент наиболее широкое применение среди всех механических нагнетателей. Главным образом его, используют в компоновке турбонаддува и реже как самостоятельное устройство наддува. Центробежный нагнетатель аналогичен турбонаддуву в плане нагнетания воздуха. Его основной деталью, как и у турбокомпрессора является крыльчатка. У этой детали весьма сложная в исполнении конусообразная форма и от того насколько правильно она спроектирована и сделана зависит КПД всего нагнетателя.

009_MOTO_1110_072

Cамодельный нагнетатель, построенный на базе отечественного турбокомпрессора, у которого «горячую» часть заменил редуктор. Выемка на крыльчатке — следствие балансировки: металл срезали не с лопасти, а оттуда, где выемка не создаст завихрений воздушного потока. Наши «кулибины» применили редуктор «наизнанку» — и компактно и масло само расходится по зубцам за счет центробежной силы. Планшайба соединяет «улитку» и редуктор. В ней же установлен подшипник и сальник вала крыльчатки. Cамодельный нагнетатель, построенный на базе отечественного турбокомпрессора, у которого «горячую» часть заменил редуктор. Выемка на крыльчатке — следствие балансировки: металл срезали не с лопасти, а оттуда, где выемка не создаст завихрений воздушного потока. Наши «кулибины» применили редуктор «наизнанку» — и компактно и масло само расходится по зубцам за счет центробежной силы. Планшайба соединяет «улитку» и редуктор. В ней же установлен подшипник и сальник вала крыльчатки.

Приводные нагнетатели

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.

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

«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.

Как работает механический нагнетатель

В современной автомобильной промышленности используются несколько типов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои особенности в конструкции и принцип работы.

Конструкция компрессора

Механический нагнетатель состоит из следующих компонентов:

• компрессор;
• интеркулер;
• дроссельная заслонка;
• перепускная заслонка трубопровода;
• воздушный фильтр;
• датчики давления наддува;
• датчики температуры воздуха во впускном коллекторе.

Механический нагнетатель управляется дроссельной заслонкой, которая открывается на высоких оборотах. В этом случае заслонка трубопровода закрывается, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя. Когда двигатель работает на малых оборотах, дроссельная заслонка открывается под небольшим углом, а перепускная заслонка в трубопроводе полностью открыта, позволяя некоторой части воздуха возвращаться в компрессор.

Воздух из нагнетателя проходит через промежуточный охладитель (интеркулер), который снижает температуру сжатого воздуха примерно на 10 ° C и способствуя, тем самым, более высокой степени сжатия.

Какие бывают виды приводов компрессора

Каким образом передается крутящий момент от коленчатого вала к механическому компрессору? Существует несколько вариантов:

• Прямой привод. Установка компрессора осуществляется непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя.
• Ременная передача. Усилие передается через ремень. Разные производители используют разные типы ремней (плоские, V-образные или зубчатые). Ременные системы имеют короткий срок службы, так же в процессе эксплуатации может наблюдаться проскальзывание ремня.
• Цепной привод. Он работает по принципу ременной передачи.
• Зубчатая передача (шестеренчатая). Недостаток такой системы — повышенная шумность и большие габариты.

Типы компрессоров

Каждый вид компрессора имеет свои рабочие характеристики. Всего существует три типа механических нагнетателей:

• Центробежный. Самый популярный вид механического нагнетателя. Основным рабочим элементом системы является крыльчатка, которое по конструкции аналогично компрессорному колесу турбины. Оно вращается со скоростью около 60 000 об / мин. В этом случае воздух всасывается в центр крыльчатки компрессора с высокой скоростью и низким давлением. Пройдя через лопатки компрессора, воздух поступает во впускной коллектор, но уже на малой скорости и под высоким давлением. Этот тип наддува используется вместе с турбинами для устранения эффекта турбо-задержки.
• Винтовой. Представляет собой систему из двух вращающихся конических винтов — шнеков. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит через камеры компрессора и за счет вращения сжимается и выталкивается во впускной коллектор. В основном такие системы используются на спортивных и дорогих автомобилях, так как их изготовление достаточно сложно .Это достаточно эффективная система.
• Кулачковый. Один из первых видов механических «воздуходувок». Конструктивно он состоит из двух роторов со сложным профилем поперечного сечения. Оси вращения роторов соединены двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, тем самым выталкиваясь во впускной коллектор. Недостатком этой системы является создание избыточного давления, которое вызывает сбои в работе наддува. Чтобы этого избежать, в кулачковой конструкции нагнетателя предусмотрена муфта с электрическим приводом для отключения компрессора или байпасный клапан.

Механический наддув довольно часто используются на автомобилях марок Cadillac, Audi, Mercedes-Benz и Toyota. При этом кулачковые и винтовые компрессоры в основном устанавливаются на мощные спортивные автомобили с бензиновыми двигателями, а центробежные компрессоры являются частью системы двойного наддува для дизельных двигателей.

Особенности турбины

Турбонаддув — это высокотемпературный механический нагнетатель, который, в отличие от компрессора, работает не от коленчатого вала и ременной передачи, а получает энергию от выхлопных газов. Механизм имеет две стороны, холодную и горячую, которые как раскручивают лопатки, так и отвечают за нагнетание под давлением воздуха в мотор. По горячей стороне протекают выхлопные газы, которые заставляют вращаться по инерции холодную сторону. Крыльчатка может раскручиваться до 10 000 оборотов в минуту и более, что позволяет обеспечить максимально возможное давление на впуске и увеличение мощности двигателя.

Особенностью турбины является наличие у неё системы смазки и охлаждения, которые используют масло и антифриз из мотора, что позволяет обеспечить работоспособность этого узла. Использование турбин позволяет на 40% и более повысить мощность двигателя, одновременно сохраняются отличные топливно-экономичные показатели у моторов небольшого объема. Современные турбины отличаются компактными габаритами, что позволяет с легкостью их устанавливать даже на небольшие автомобили с минимумом свободного места под капотом.

Плюсы и минусы

Несомненным преимуществом использования турбины является существенное увеличение мощности силового агрегата. Теперь с двухлитровых моторов снять 200-250 лошадиных сил и более уже не составит какого-либо труда. Даже трехцилиндровые моторы с рабочим объемом в 1 литр могут иметь мощность в 120 лошадиных сил, при этом расход топлива у них не будет превышать 4 литров на 100 километров пробега. При условии правильного выбора турбины, которая соответствует типу двигателя, можно будет гарантировать беспроблемность эксплуатации мотора, который прослужит 300 000 километров и более.

Однако недостатки установки турбины всё же имеются. К таким минусам можно отнести так называемый эффект турбоямы, когда на минимальных оборотах нагнетатель бездействует, а двигателю не хватает мощности для адекватного ускорения. К недостаткам также относится посредственная надежность турбонаддува, что объясняется повышенными нагрузками во время работы этого узла. Если появились подтёки масла по сальнику, то в скором времени потребуется полная замена турбо, а такой ремонт может по затратам потянуть на 50-70 тысяч рублей и более.

Также необходимо учитывать повышенную нагрузку на двигатель, в особенности в момент подключения турбины, что отрицательно сказывается на надежности техники. Подобное характерно для кустарного тюнинга и самостоятельной установки турбонаддува на многолитровые атмосферные моторы, которые после такого ремонта выдерживают не более 150-200 тысяч километров и далее требуют замены.

Характерные поломки

К характерным поломкам турбонаддува можно отнести подтёки масла по сальнику, что приводит к работе крыльчатки посуху и масляному голоданию, а в последующем такой нагнетатель уже не ремонтопригоден и требует замены. Также может отмечаться значительный перегрев турбины, в особенности, если проблемы с системой охлаждения отмечаются у самого двигателя. Чтобы исключить такие поломки автовладельцу необходимо поддерживать хорошее техническое состояние мотора и системы охлаждения, регулярно осматривая турбину на предмет подтёков масла.

Механические нагнетатели-компрессоры в плане поломок более надежны и могут без замены и капитального восстановления прослужить 300 000 километров и более. Только лишь при нещадной эксплуатации автомобиля на крыльчатке может отмечаться повышенный износ лопаток, что приводит к проскальзыванию наддува, а ремонт в последующем потребует замены внутренних элементов. Также может отмечаться растягивание привода, что лечится заменой ремня или цепи.

Что лучше выбрать?

Каждый автовладелец должен для себя ответить на вопрос, нужно ли ему выбирать машину с турбонаддувом или компрессором или же присмотреть более простые и надёжные варианты с атмосферными двигателями. Большинство экспертов отмечают, что надежность турбонаддува в последние годы существенно улучшилась, поэтому такие автомобили пользуются сегодня наибольшей популярностью у покупателей.

А вот компрессоры, которые широко применялись в девяностых годах прошлого века, сегодня на новых автомобилях практически не встречаются. Это можно объяснить сложностям с серьезным увеличением мощности мотора, при этом стоимость производства двигателей и самого автомобиля существенно увеличивается. Также популярностью пользуются классические атмосферные агрегаты, которые всё также надежны, но по показателям мощности и топливной экономичности уже проигрывают наддувным двигателям.