+79139857900

Популярная «турбомеханика»

7 октября 2008 в 10:58

Вариантов форсирования двигателя – огромное множество. Начиная с чип-тюнинга и заканчивая установкой «закиси азота». Сегодня мы рассмотрим один из вариантов тюнинга двигателя — механический нагнетатель.

Типы нагнетателей

Принято различать нагнетатели с внутренним сжатием и без него. А тип сжатия зависит от геометрии роторов и оттого, как они сцепляются друг с другом. Практически все нагнетатели работают с внутренней степенью сжатия больше единицы. Исключением являются варианты спирального нагнетателя и «рутсы», которые лишь пропускают воздух, работая без внутреннего сжатия. Естественно, нагнетатели с внутренним сжатием имеют больше преимуществ, так как КПД у таких конструкций выше, а шумовые параметры ниже. Но, с другой стороны, важным достоинством нагнетателей без внутреннего сжатия является возможность регулировки давления наддува. То есть, например, при частичной нагрузке двигатель ни в каком сжатии и не нуждается, соответственно при таком режиме снижается расход мощности.

Шумовые параметры очень важны, поэтому часто приходится проводить исследования, чтоб сбалансировать нагнетатель и его окружение в отношении снижения уровня шума. Поэтому все эти факторы имеют большое влияние на выбор производителя при подборе подходящего нагнетателя для своего двигателя.

Отметим, что винтовые нагнетатели, нагнетатели Ванкеля и «рутсы» относятся к двухосевым нагнетателям и внутри- и внешнеосевыми. Нагнетатель Ванкеля, KKK-Ro-нагнетатель и Pierburg-лопастной и роторный нагнетатели относятся к внутриосевым, то есть оси расположены внутри корпуса, а нагнетатели типа «рутс» - к внешнеосевым агрегатам. Но имеется еще один вид механических нагнетателей, так называемые «Scroll»(от англ. спиральный нагнетатель), типичным представителем которых является известный G-нагнетатель, созданный VW. Все эти типы относятся к одноосевым машинам.

Типы нагнетателей в деталях

1. Лопастной роторный нагнетатель. Праотцом ЛРН является нагнетатель Арнольда Цоллера («Zoller-нагнетатель»), который был изобретен в начале XX века. Роторный компрессор является многосекционным нагнетателем с внецентрорасположенным ротором, где находятся пластины. А вращающие лопасти образуют секции, которые, если они увеличиваются, всасывают, и если уменьшаются, то сжимают бензино-воздушную смесь. Именно этот компрессор стал примером для подражания в американской фирме Bendix, и их разработка получила название «Rotocharger».

2. Роторный нагнетатель Pierburg. В первые годы разработки Pierburg был лопастным нагнетателем, но так и не пошел в серийное производство, и его разработка была прекращена в 1989 году. А разработчики рассчитывали при помощи его поднимать мощность у бензиновых двигателей с 90 до 210 кВт, и у дизельных с 60 до 150 кВт. Одним из главных преимуществ Pierburg’а является простая конструкция, поэтому и изготовление данного нагнетателя является относительно простым: роторы получают в виде «метровых заготовок» путем профильного прессования. КПД на средних и высоких оборотах высокий, в то время как на низких частотах вращения и при высоких степенях сжатия КПД имеет плохие показатели.

3. Нагнетатель KKK Ro. Фирма Korr und Kausch (KKK) занималась разработкой нагнетателей Kuehnle. Фирма представила целый ряд «Ro-нагнетателей», которые подходили под разные объемы двигателей (до 2,4 литров у бензиновых и до 3,0 у дизельных). Данные нагнетатели, естественно, были испытаны на двигателях легковых автомобилей. Ro-нагнетатель в самом начале создавался как одноосевой роторно- поршневой нагнетатель и по своей конструкции был похож на Pierburg-нагнетатель, но всё же имел другую геометрию роторов. Нагнетатель KKK Ro 2013, который должен устанавливаться на бензиновые двигатели с объемом до 1,3 литра и на дизельные с рабочим объемом до 1,6 литра, имел максимальный КПД равный 65%.

Серийное производство планировали начать ещё в 1989 году, но, к сожалению, сегодня от Ro-нагнетателя остался лишь единственный экземпляр разреза модели и последний рекламный проспект на английском языке.

4. Lysholm-нагнетатель или винтовая машина приобрела свою популярность в 1995 году, оснастив двигатель V6 Mazda Xedos 9. Такой тип нагнетателя идеально подходил под двигатель Mazda, который тогда работал по принципу Миллера, то есть снижения работы по сжатию. Стоит отметить, что Lysholm-нагнетатели ещё в 50-е годы производились швейцарской фирмой Sauer, но с появлением турбонагнетателей популярность такой винтовой машины стала падать. Поэтому Lysholm можно встретить на серийных образцах только у Mazda Xedos 9.

Винтовой нагнетатель представляет собой компрессор с большим КПД. Производитель уверяет, что полный КПД, включая механические потери, составляет в наивысшей точке свыше 70%. И потери в зазорах между роторами относительно малы. Этот факт объясняется большой частотой вращения, которую может набрать винтовой нагнетатель (на втором роторе). Здесь присутствует одна из физических закономерностей, то есть с увеличением скорости вращения отрицательное влияние потерь в зазорах снижается путем компенсации через повышенный объем потока. Всё это хорошо заметно по крутым линиям частоты вращения на карте характеристик нагнетателя.

Но Lysholm-нагнетатель имеет и некоторые недостатки. Например, наличие ярко выраженных шумов. Для того, чтобы снизить уровень шума, нужны дополнительные затраты, которые к тому же ещё и занимают много места и снимают преимущество компактности данного нагнетателя.

5. Нагнетатель Autorotor .Ещё одна винтовая машина была представлена шведской фирмой Opcon Autorotor. Минимальная конструкция должна была разгонять двигатель до 132кВт/180л.с., максимальная, соответственно, предназначена для двигателей мощностью до 292кВт/400л.с. Главным достоинством такого нагнетателя является небольшой вес (минимальный нагнетатель весит около 3,8 килограмма). Такая винтовая машина предназначена для двигателей V6, которые имеют удобную форму для их размещения в подкапотном пространстве.

6. Sprintex — родственник Lysholm-нагнетателя. Этот механизм, близкий по конструкции к Lysholm-нагнетателю, выпустила шотландская фирма Fleming Thermodynamics Ltd из города Глазго. Sprintex являлся, можно сказать, уменьшенной копией Lysholm’а, но использовался он для двигателей с рабочим объемом от 1,3 до 2,0 литра (Sprintex S 82)и от 2,0 до 3,5 литра (Sprintex S 102). Такая винтовая машина использовалась на рынке дооснащения, например, его дополнительно устанавливали на двигатель Landrover Discovery.

7. Рутс-нагнетатель. Роторный двухлопастной нагнетатель или рутс-вентилятор в 1998 году был единственным нагнетателем, который производился крупными партиями и применялся на практике. В США поставкой «рутсов» занималась фирма Eaton, которая обеспечивала данной продукцией такие заводы популярных марок автомобилей, как Ford (1988 Thuenderbird 3,8 литровый V6) и GM (1992 Buick Park Avene 3,8-литровый V6, 243 л.с.; Buick Riviera 3,8-литровый V6 243 л.с.; Oldsmobile Eighty-Eight 3,8-литровый V6, 243 л.с.).

Но в Европе тоже не отставали от технического прогресса. Так, в частности, Jaguar оснастил свой 4,0-литровый рядный шестицилиндровый двигатель XJ (XJR6 Supercharger,235кВт/320л.с.) рутс-вентилятором. Но уже в 1997 году Jaguar представил другую модель - AJ V8 Supercharger. Этим Jaguar доказал свою приверженность к компрессорному наддуву. Ведь новый, представленный в 1996 году V8 без наддува, пробыл на рынке всего год, так как его версия AJ V8 Supercharger уже отодвинул в сторону компрессорный вариант.

Теперь я бы хотел немного подробнее обратиться к описанию рутс-нагнетателя. По своей конструкции он представляет собой внешнеосевую роторно-поршневую машину с двумя вращающимися в разные стороны роторами, которые имеют форму «восьмерки» и вращаются без касания в противоположных направлениях. Стоит отметить одну из особенностей рутс-нагнетателя, которая заключается в том, что нагнетатели такого типа работают без внутреннего сжатия. Также «рутс» работает и без внутреннего уплотнения, поэтому КПД у рутс-нанетателя достаточно низкий.

Из-за специфичной геометрии роторов впуск и выпуск воздуха происходит прерывисто. Такая резкая характеристика движения воздуха провоцирует появление дополнительных шумов, снижение которых возможно лишь при установке глушителя или резонатора.

Но в целом же рутс-вентиляторы очень надежны и практически безотказны. Также их относительно просто изготовить для нескольких вариантов производительности, поскольку при этом они должны быть модифицированы только по длине.

8. G-нагнетатель(«scroll type»). Идея спирального одноосевого нагнетателя очень стара: в 1905 году изобретатель Леон Креукс подал заявку на патент. Первоначально предусмотренный в качестве паровой машины, он 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 передовые технологии и соответствующее оборудование, например, высокоскоростные фрезерные станки. Сложность производства заключалась также в том, что изготовление деталей должно было быть максимально точным, потому что 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. Это был зенит его карьеры, после чего в современном производстве так и не нашлось места под капотом для G-нагнетателя. А ведь многочисленными победами в гонках с 1988 по 1990 годы Volkswagen как раз обязан именно ему.

Также G-нагнетатель имеет массу преимуществ: высокий КПД(75,9% у прототипов, и поэтому был, наверное, самым эффективным из всех механических нагнетателей того времени) и низкий уровень шума, хорошее уплотнение (благодаря чему наличие давления наддува проявлялось уже на малых оборотах) и низкая мощность трения.

Но все это не смогло помочь G-нагнетателю составить какую-либо конкуренцию турбонагнетателям с их мощным потенциалом и выгодными финансовыми затратами и условиями эксплуатации. Турбонагнетатели имели преимущества в весе и удобной компоновке, а также сравнительно малые затраты на массовое производство оттеснили G-нагнетатель с автомобильного рынка.

9. Специальный вариант ZF Turmat. Этот нагнетатель занимает особое место среди механически приводимых нагнетателей, так как при ближайшем рассмотрении бросается в глаза его сильное сходство с турбонагнетателем. Всё дело в том, что среда в такие машины попадает через вытесняющий, а не через лопаточный нагнетатель. То есть ZF Turmat использует компрессор турбонагнетателя. Turmat был разработан фирмой, производящей приводы ZF. Но и BMW был тесно связан с этим проектом. Этот баварский производитель, который выпустил в 1973 году серийно первый автомобиль с наддувом BMW 2002 Turbo, искал некую альтернативу турбонагнетателю. Как раз ZF Turmat мог бы стать такой альтернативой, ведь он объединил преимущества лопаточного компрессора, то есть высокий КПД (до 75%), и вытесняющего нагнетателя, который позволял бы быстро повысить давление наддува с частоты вращения при холостом ходе.

Нагнетатель был предусмотрен для двигателей с рабочим объемом от 2,0 до 3,5 литра. Первые испытания с BMW 525 на 2,5-литровом шестицилиндровом моторе прошли успешно и подтвердили на практике хорошую характеристику срабатывания и высокую подвижность.

Как было уже упомянуто выше, КПД у ZF Turmat был одним из самых высоких среди конкурентов, но КПД связи «нагнетатель-привод» был не на высоте. Из-за высокого момента инерции данной взаимосвязи между нагнетателем и приводом происходил быстрый износ ремней и привода; шкивы не были защищены и легко подвергались коррозии, а при наличии защиты конструкция приобретала лишний вес. Конечно, в процессе разработки и оптимизации в конструкцию ZF Turmat было внесено много различных изменений и поправок, но эти доработки все же не смогли устранить все недостатки, поэтому работа над этим нагнетателем в 1989 году была прекращена.

Наддув с волновыми обменниками давления

Не хотелось оставить без внимания такой редкий способ повышения мощности двигателя. Он представляет собой так называемый наддув с волновым обменником. Такой вид наддува находится между механическим наддувом и турбонаддувом. Главным представителем этого вида является Complex-нагнетатель.

Этот нагнетатель является единственно выпущенным большой партией нагнетателем с волновым обменником давления. Он, как и механический нагнетатель, приводится в действие от распределительного вала, но не использует полученную энергию для сжатия свежего воздуха. Здесь привод предназначен лишь для синхронизации частоты вращения Complex-ротора с частотой вращения распределительного вала двигателя. Поэтому и прирост мощности здесь ничтожно мал(~0,2кВт). Так же стоит отметить, что в Complex энергия отработавших газов служит для того, чтобы сжать свежий воздух.

Свое преимущество Complex-нагнетатель проявляет 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 главное отличие от турбонагнетателя, количество отработавших газов в котором находится в прямой зависимости от привода компрессора.

Complex 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 Complex-нагнетатели на свои модели всего год (до 1986года), в отличие от Mazda, который поставлял свои двигатели с Complex-наддувом до 1996 года, пока в июне 1997 года окончательно не был снят с программы производства.

Тюнинг с механическими нагнетателями

Тюнинг в прошлые годы играл второстепенную роль, но на сегодняшний день этот вид деятельности очень популярен, поэтому фирмы, специализирующиеся на доработке двигателей с целью поднятия мощности, не оставляют без внимания и механический наддув.

Услуги по повышению мощности при помощи «рутса» предлагали многие тюнинговые ателье. Например, Lotec из Колебармора работала с нагнетателями Eaton. Оборудованные Lotec автомобили (в основном Mercedes) отправлялись затем для сбыта в мюнхенскую фирму Koenig Special. Другая более знаменитая фирма Carlsson Autotechnik GmbH использует рутс-модифицированный «нагнетатель Ванкеля» компании Wankel Rotary.

ZF Turmat являлся до сих пор одним из наиболее популярных нагнетателей, которые использовали для повышения мощности двигателя. Поэтому многие поставщики, прежде всего из-за океана, вскоре извлекли прибыль из реализации идеи «a la ZF Turmat» и делали наброски подобных, но сильно упрощенных по своей конструкции нагнетателей. Такие лопаточные компрессоры из Америки не могли обеспечить на немецких автобанах высокой скорости. Да и надежность у них была на низком уровне.

С 1985 года в Европе стали появляться нагнетатели австрийской фирмы Albert. «Albrex Superchanger» использовались многими тюнерами этой страны, и до середины 90-х годов многие Albrex Superchanger устанавливались под капоты автомобилей, прошедших подготовку в Koenig Special. Но со временем они были вытеснены американскими нагнетателями(Vortech), которые имели высокий КПД.

Инженерное бюро ASA из Шробенхауза разработало механический центробежный нагнетатель, который по конструкции очень похож на ZF Turmat. Все дело в том, что владельцы этого инженерного предприятия несколько лет принимали участие в модернизации ZF Turmat. Нагнетатель TurboMex устанавливали в Porsche 911(993), Audi A8, BMWM3(E36) и VW Golf и Corrado с двигателем V6. Но в отличие от ZF Turmat давление наддува в TurboMex регулируется. ASA установила достаточно развитую систему, в которую входят модифицированная система очистки воздуха с встроенным в дроссельный клапан расходомером воздуха. Регулирование имеет и то преимущество, что оно повышает КПД привода. Положительный общий баланс дооборудованного TurboMex автомобиля был подтвержден путем сравнения данных измерений с сопоставимым двигателем без наддува.

Подводя итог, хочется сказать, что, конечно, механический наддув не так уж популярен и эффективен, но и о нем пока еще не забыли. Хотя постепенно такой способ повышения мощности двигателя постепенно уходит в прошлое и уступает место турбонаддуву, о котором мы расскажем вам в следующий раз.

Комментарии для сайта Cackle

Комментарии (0)

Нет комментариев
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии.
Авторизируйтесь или пройдите простой процесс регистрации.

Другие статьи

Photo

Двигатели BMW. Баварская рядная классика

Двигатели BMW - инженерные шедевры, отличающиеся высокой надежностью и...

3 сен 2013 в 12:23

Подробнее >
Photo

Роторно-поршневой двигатель. вызов поршням!

Представляет альтернативные конструкции традиционных поршневых двигателей...

23 авг 2013 в 12:14

Подробнее >
Photo

Двигатели Honda - без права на турбо

Компания Honda за все время своего существования...

13 авг 2013 в 12:40

Подробнее >