Современный двигатель - весьма сложный агрегат, с каждым поколением обрастающий все новым дополнительным оборудованием, в устройстве и даже предназначении которого непрофессионалу разобратся весьма непросто. Однако постепенно плоды инженерной мысли приживаются и доказывают свою необходимость. Одних только насосов под капотом уже по пальцам не сосчитать:ливный, и масляный из системы смазки, и помпа системы охлаждения, моторчик омывателя, еще один масляный насос для гидроусилителя, система подкачки давления в тормозных механизмах АБС...Мало кого , наконец, удивит наличие компрессора кондиционера. Однако само по себе слово компрессор для всех, кто имеет отношение к автомобилям и любит скорость, таит в себе волшебную силу.

Все дело в дыхании
Почему? Да потому, что в приведенном выше списке пропущена принципиальноважная позиция! Все указанные насосы работают лишь на обеспечение функционирования навесного оборудования и силового агрегата в целом, тогда от давления, создаваемого еще одним компрессором, может зависеть почти столько же, сколько от нашего нажатия на педаль газа! Ведь для очередногоэффектного победоносного разгона мы готовы разом променять полный бак только что купленной на заправке голубоватой жидкости на одну победу за явным преимуществом, однако даже самый самый мощьный и прожорливый двигатель в этот миг переваривает топливо предательски медленно, хотя оно щедро закачивается в цилиндры под огромным давлением. Ведь воздух, которого нужно почти в 15 раз больше, мотор вынужден самостоятельно засасывать разряженным на такте впуска, а мы лишь любезно приоткрываем для этого дросельную заслонку, а чтобы у движка открылась второе дыхание, ему жизненно необходим наддув, позволяющий сжечь побольше топлива за один такт и существенно повысить мощьность. Однако из-за огромного количества технической реализации этой несложной идеи возникла путаница с определением самого термина ,, надувный компрессор,,. Мало кто знает, чем конструктивно узел, наличие коего в терзающих городские улицы ,,Гоночных,, ,,Жигулях,, обозначенного модным словом turbo , отличается от скрывающегося за аккуратным и роскошно-скромным шильдиком kompressor на крыле, Мерседеса или загадочной английской надписью supercharger. Единственное , что понятно каждому: это все атрибуты превосходной степени мотостроения.

Терминология

Итак, для начала определимся с понятиями. Заглянем в словари. Англо-русский гласит: Supercharger - компрессор надува. А технический словарь: Компрессор (compressor) - устроиство для повышения давления и перемещения газа. Таким образом , определение ,,компрессорный мотор,, применимо ко всем ,, не атмосферным,, двигателям, оборудованным какой-либо системой надува, независимо от конструкции нагнетателя. Путанница начинается после попытки классифицировать системы по способу привода. Дело в том , что среди огромного колличества конструкций компрессоров можно выделить 2 типа, один из которых (основанный на принципе, запатентованном в 1905 году в США Альфредом Бюхи) свершил технологический переворот , открыв новые конструкторские горизонты. Суть изобретения выпускника швейцарского технического унивеситета заключалась в частичном использовании вылетающей в трубу энергии выхлопных газов - отборе ее при помощи газовой турбине. В современном понятии такую конструкцию мы и называем турбонаддувом или, если по-простому турбо.
Второй тип конструкции, представляеющий собой центробежный или осевой турбокомпрессор, или даже роторный объемный нагнетатель, но с механическим приводом, называем ,,компрессорным надувом,,. Еще большую путанницу вносит идея улучшения наполнителя целиндров атмосферного двигателя за счет ,, резонансного наддува,, - оптимизации геометрии и использовании волновых процессов во впускном коллекторе, например, изменением его длинны или применением многократного впускного ресивера с регулирующими его объемом заслонками для радикального снижения сопротивления всасыванию воздуха без использования какого-либо нагнетателя, Но сегодня мы поговорим только о механических компрессорах или суперчарджерах.

История

Как и многие другие передовые технические решения, идея установки нагнетателей пришла в автомобилестроение из авиации, Однако в небе наддув первоначально использовали не столько для увеличения, сколько для компенсации потери мощьности из-за снижения плотности воздуха на больших высотах. Собственно, нагнетатели воздуха существовали задолго до возникновения идеи их применения на ДВС и даже до изобретения самих двигателей.
Еще в 1859 году Фрэнсис Рутс разработал роторно-шестеренчатый объемный нагнетатель, позднее названный его именем - компрессор типа Roots. Однако, первоначально этот агрегат использовался лишь в качестве воздуходувки для вентиляции промышленных помещений. Лишь спустя полвека , в декабре 1908-го \. на Парижском автосалоне ,,Даймрер Моторенгезельшафт,, представил первый морской дизельный двигатель с такого типа компрессором. А в 1949-м американский изобретатель Итон (Eaton) подарил таковым компрессорам вторую жизнь, заменив роторы с прямозубых шестеренчатых на спиральные.
Также в конце позапрошлого века появился еще один перспективный агрегат-спиральный компрессор конструкции немечкого инженера Кригара. Изобретатель вряд ли мог предположить, что его творение в 30-х годах 20-ого века будет использованно шведским инженером Альфом Лисхольмом в качестве чарджера на автомобильном моторе, в результате чего впоследствии сей вариант компрессоров получит название Lysholm.
В 1902 году Луис Рено запотентовал конструкцию центробежного нагнетателя и даже начал выпуск автомобилей с наддувом, Однако вскоре работы в этом направлении были свернуты из-за нерентабельности и ненадежности агрегата.
Мировую известность в автомобильной отрасли механическим нагнетателям принесла компания Мерседес-Бенц, установливающая наддувные рутс-компрессоры в конце 20-х сначала на гоночные. а начиная с 30-х - и на серийные машины. Лишь к этому времени развитие технологий позволило обеспечить достаточную эффективность и приемлемый ресурс нагнетателей. Однако долгое время компрессоры имели отключаемый привод и задействовались лишь для кратковременного увеличения мощьности...

Классификация

Итак, попробуем разобратся , какие же виды нагнетателей существуют, каков принцип их работы и особенности эксплуатации.

Роторные рутс-нагнетатели

Характерной особенностью этого типа устройств является отсутствие внутреннего сжатия. Два вращающихся в противоположную сторону ротора на связанных шестернями параллельных осях просто ,, зачерпывают,, воздух из впускного окна овального корпуса и проталкивают его к выпускному. Эта особенность накладывает ограничение на достижимый уровень создаваемого давления, так как с его ростом КПД механизма стремительно падает. В неизбежные зазоры между рабочими органами компрессора воздух начинает просачиватся в противоположном направлении, создавая завихрения и усугубляя нагрев рабочей среды непосредственно от сжигания, что отрицательно сказывается на эффективности системы. Вдобавок работа такого нагнетателя сопровождается пульсациями давления и сильными высокочастотным шумом (поэтично описываемым Ремарком как ,, Пение рассерженой осы,,). Первоначально роторы имели шестяренчатую форму и перемещали воздухперпендикулярно собственной оси. Для улучшения равномерности подачи воздуха и уменьшению шума в Eaton роторам придают спиральную форму и увеличивают колличество их зубьев. В этом случае воздух перекачивается вдоль осей. Однако полностью устранить пульсации давления в компрессоре с внешним сжатием все равно невозможно.

Lysholm-нагнетатели

Имеют схожую с рутс-агрегатами конструкцию, однако их роторы, образующие проточную часть с диагональным движением воздуха, имеют изменяющуюся по длине закрутки. Возникающие изменение объема полостей между вращающимися винтовыми роторами и корпусом обеспечивает внутренние сжатиесреды, что допускаетвесьма высокую степень повышения воздуха в компрессоре (до 7 раз при наличии охлаждения корпуса) при достаточно высоком КПД (до 85%), Основным недостатками винтовых компрессоров, изготовление коих требует специальной оснастки, а также их массивностью. Работа винтового компрессора также сопровождается шумом высокой частоты, вызываемым пульсациями.Еще один тип объемных нагнетателей - пластинчатые. В них воздуж от впускного окна к выпускному переносится при помощи лопаток - шибиров, расположенных в пазах на вращающемся роторе и выдвигающихся за счет центробежных сил. Ротор смещен относительно оси круглого корпуса, что обеспечивает изменение объема межлопастного пространства в процессе переноса порции воздуха и, следовательно, внутренние сжатие. При качественном изготовлении такие компрессоры обладают весьма высоким КПД и на 50% превосходят в производительности Roots-нагнетатели. Наличие постоянного центробежного прижима шиберов к корпусу вызывает их быстрый износ, обязывающий снижать скорость вращения и увеличивать габариты нагнетателя. Это основной недостаток таких устройств надува.

Центробежные

Существуют также компрессоры с механическим приводом с рабочей частью в виде центробежного турбонагнетателя, основным элементом которого является крыльчатка. Проходя через впускное отверстие, воздух попадает на радиальные лопатки специальной формы, от точности проектировки и изготовления коих в первую очередь и зависит КПД механизма. Под действием центробежной силы поток двигателя от центра по межлопастным каналам и попадает в кольцевой расширяющийся выходной канал, своей формой давший турбочарджерам сленговое название ,,улитки,,. Эффективность тут пропорциональна квадрату частоты вращения крыльчатки, поэтому механические потери в приводе с повышающим редуктором весьма велики и съедают львиную долю прибавки, в то время как на низких оборотах производительность недостаточна. Такие нагнетатели целесообразнее снабжать турбиным приводом схожей конструкции. В этом случае агрегат превращается в настоящий ,, дистиллированный,, турбонагнетатель с жестко связанными одним валом ,,горячей,, приводной и ,,холодной,, рабочей ,, улитками,,. Современные нагнататели достигают свыше 100 000 об/мин, при которых окружные скорости рабочего колеса на переферии превышают 400м/сек. (это выше скорости оружейной пули!), поэтому для обеспечения высокой прочности колеса необходимо применение высококачественных материалов.

Резюме

Итак, очевидно , что нагнетатели с механическим приводом имеют неустрамимый недостаток в виде существенных механических потерь, однако все они могут позвастатся отсутствием запозданий в работе за счет наличия непосредственной связи с двигателем и благодаря этому могут значительно превосходить компрессоры с турбоприводом по эффективности в зоне низких оборотов. Именно это и позволяет механическим компрессорам сохронять востребованность. На двигателях, для которых важна эластичность и устойчивая работа с высокой отдачей крутящего момента без выхода на предельные обороты, приводные нагнетатели предпочтительнее. Современные модификации спиральных Lysholm-компрессоров до сих пор с успехом устанавливают на движки внедорожников, а также являются прекрасным дополнением к ,, верховым ,, турбинам в гибридных ,,наддувных,, установках.

Перспективы

Существует тем не менее устойчивое мнение . что дни нагнетателей с механическим приводом почти сочтены. Получая в свое распоряжения новые технологии, конструкторы могут раелизовать самые смелые идеи, и врожденные недостатки турбонагнетателей с каждым поколением стремительно исчезают. Но технологии производства механических систем тоже не стоят на месте, и компактные устройства с уникальными полыми роторами с тефлоновым покрытием пока еще способны составить конкуренцию. Однако уже есть турбины в , которых, несмотря на свервысокую скорость и нагрев температуры более тысячи градусов, реализованна возможность регулировки угла атаки лопаток крыльчатки и изменения скорости и направления потока специальным узлом жалюзи, что позволяет добится недостяжимых характеристик переходных процессов. Правда, у приводных нагнетателей в рукаве еще один козырь-экология! Неизбежные даже минимальные задержки в подаче необходимого для сгорания смеси воздуха, а также отбор энергии у выхлопных газов и невозможность расположить катализатор в зоне максимального нагрева затрудняет выполнение туромоторами нормативов по вредным выбросам, тогда как компрессорные конкуренты имеют высокоэффективный горячий кат-коллер. Борьба продолжается! С эволюцией схемы газораспределительного механизма и планируемым переходом на независимое электромагнитное управление клапанами создатели движков получают огромные возможности по повышению мощьности мотора, обеспечивая отличное наполнение и вентиляцию цилиндров вовсе без применения наддува, так что в этих условиях среди компрессоров виживит лишь сильнейший.

Журнал Форсаж №8 август 2008