Нагнетатель (двигателестроение): различия между версиями

[непроверенная версия][непроверенная версия]
Содержимое удалено Содержимое добавлено
м CheckWiki: исправление категорий.
Строка 2:
'''Нагнетатель''' — механический агрегат, опционально применяемый на поршневых и роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания (далее — ДВС), работающий за счёт того или иного вида энергии, получаемой в процессе работы самого ДВС, и осуществляющий наддув, то есть принудительное нагнетание воздуха в ДВС с целью его всережимной форсировки или (в отдельных случаях) продувки.
 
== Нагнетатель как элемент агрегатного наддува ==
 
==== Применение нагнетателя и его функции ====
[[FileФайл:Motorprincipper.jpg|thumb|Работа нагнетателя на двухтактном и четырёхтактном моторах]]
Нагнетатель может применяться на [[Поршневой двигатель внутреннего сгорания|поршневых]] и [[Роторно-поршневой двигатель|роторно-поршневых]] ДВС, работающих по любому термодинамическому циклу и с любым числом тактов. Для большинства типов подобных ДВС нагнетатель является опциональным элементом конструкции, не влияющим на принципиальную возможность работы самого ДВС. Основная задача нагнетателя здесь — наддув с целью повышения мощности. Под наддувом подразумевается в первую очередь принудительное нагнетание воздуха в ДВС с давлением выше текущего уровня атмосферного, приводящее к увеличению плотности и массы воздуха в камере сгорания перед тактом рабочего хода, что, в свою очередь, согласно правилу [[Стехиометрическая горючая смесь|стехиометрической горючей смеси]] для конкретного типа двигателя, позволяет сжечь больше топлива, а значит увеличить [[Момент_силыМомент силы#Отношение_между_моментом_силы_и_мощностьюОтношение между моментом силы и мощностью|крутящий момент (и мощность, соответственно)]] на любой сравнимой с безнаддувным двигателем частоте вращения коленвала/ротора. В рамках этой задачи наддув с помощью нагнетателя есть лишь один из возможных методов форсировки и/или повышения КПД, и наличие или отсутствие нагнетателя определяется лишь целями и бюджетом разработчиков конкретного мотора. Исключением из этого правила является только некоторые типы двухтактных поршневых ДВС, где нагнетатель в первую очередь выполняет задачу по принудительной продувке цилиндров на стыке двух рабочих тактов и присутствует во впускной системе такого ДВС практически всегда.
 
==== Отсутствие нагнетателя в составе ГТД ====
Строка 14 ⟶ 15 :
 
==== Смысл терминов «нагнетатель» и «компрессор» ====
Важным элементом нагнетателя является [[Компрессор|воздушный компрессор]], который присутствует в конструкции абсолютно любого нагнетателя, независимо от его энергетического привода. При этом контексте [[Наддув#Агрегатный_наддувАгрегатный наддув|агрегатного наддува]] оба термина — и нагнетатель и компрессор — используются наравне, в том числе в составе сложносоставных слов, типа турбонагнетатель/турбокомпрессор, что у непосвящённых в тему может вызвать вопросы к смысловым оттенкам терминов. Следует понимать, что с точки зрения [[Семантика|семантики]] термин «нагнетатель» подразумевает функцию всего агрегата в целом, а «компрессор» — наименование энергетической машины и главного исполнительного узла абсолютно любого нагнетателя. В русскоязычном речевом обиходе равноправное использование обоих терминов применительно к наддуву фактически допустимо, а оба слова, как в простом, так и в сложносоставном виде в данном случае могут считаться синонимами.
 
В теории лопастных машин термины "нагнетатель" и "компрессор" не тождественны. Обычно лопастные машины, повышающие давление потока не более, чем на 10%, относят к вентиляторам; на 20...25% - к нагнетателям; большие давления соответствуют компрессорам. В обиходе нагнетатель в сборе часто называют "турбиной", хотя в приводном нагнетателе турбина вообще отсутствует, а в газотурбинном является лишь приводом нагнетателя/компрессора.
 
== Турбонагнетатель ==
[[FileФайл:Turbocharger-1-.jpg|thumb|Турбонагнетатель в сборе. Турбина - слева, компрессор - справа]]
[[FileФайл:Turbocharger transparent background.png|thumb|Простой турбонагнетатель фиксированной геометрии в разрезе]]
Таковым является нагнетатель, конструкция которого включает в себя миниатюрную [[Турбина|турбину]], а принцип работы основан на использовании энергии потока выхлопных газов самого мотора, на который осуществляется наддув. Выхлопные газы, воздействуя на турбину, располагающуюся в выпускной системе сразу за выпускным коллектором, раскручивают её, а она передаёт энергию вращения на компрессор. Принципиальная конструкция каждого из двух исполнительных узлов турбонагнетателя в общем и целом идентична для любой разработки, доведённой до стадии работающего агрегата, и предполагает одну {{comment|радиальную|т.е. центробежную наоборот}} одноконтурную турбину и один [[Лопастной_компрессорЛопастной компрессор#Центробежный_компрессорЦентробежный компрессор|центробежный компрессор]]. При этом фактическая конструкция турбины, компрессора, вала и корпуса может быть весьма различной: так, помимо канонических простых совмещённых турбонагнетателей фиксированой геометрии на подшипниках скольжения, возможно применение [[Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией|турбин изменяемой геометрии]], применение двойных спиральных каналов подвода газов к турбине (так называемый [[Твинскролл|Twin-Scroll]]), применение двойных каналов выхода воздуха с компрессора, разнесение турбины и компрессора на существенное расстояние друг от друга, применение керамических роторов, установка вала на подшипниках качения. Важными (хотя и не особо декларируемыми) критериями мощности и эффективности турбонагнетателя являются наружные диаметры его турбинного и насосного колёс (что можно примерно оценить визуально по размеру корпуса), частота вращения ротора и величина турболага, присущего всем без исключения турбинам.
 
Турбонагнетатель всегда работает в режиме высоких температур выхлопных газов, а подшипники вала турбонагнетателя являются самой термонапряжённой деталью мотора, которая контактирует с моторным маслом, что накладывает особые требования как к технологии производства деталей, составляющих турбонагнетатель, так и к качеству масла и его ресурсу. И то и другое долгое время было одним из сдерживающих технологических факторов для какого-либо массового внедрения турбонагнетателей на бензиновых моторах .
Строка 30 ⟶ 31 :
 
== Приводной нагнетатель ==
[[FileФайл:Roots blower (Autocar Handbook, 13th ed, 1935).jpg|thumb|Объёмный приводной нагнетатель Roots]]
[[FileФайл:Powerplus supercharger (Autocar Handbook, 13th ed, 1935).jpg|thumb|Объёмный приводной нагнететель PowerPlus на основе шиберного пластинчатого насоса]]
Таковым является нагнетатель, конструкция которого состоит из компрессора и некоего механического привода, посредством которого, в свою очередь, и обеспечивается работа нагнетателя за счёт использования мощности, получаемой с мотора, на который осуществляется наддув. Единого общего вида у приводного нагнетателя нет. Исходя из принципов работы своего компрессора, приводные нагнетатели могут быть [[Компрессор#Объёмные_компрессорыОбъёмные компрессоры|объёмные]], то есть осуществляющие наддув импульсно порциями некоего фиксированного объёма, и [[Компрессор#Динамические_компрессорыДинамические компрессоры|динамические]], то есть осуществляющие наддув непрерывным потоком. В группу объёмных нагнетателей попадают такие конструкции как: [[Кулачковый насос|кулачковые]] (американские '''Roots''', '''Eaton'''), [[Винтовой компрессор|винтовые]] (американский '''Lisholm''', немецкий '''Mercedes''' 2000-х годов), [[Спиральный_компрессорСпиральный компрессор|спиральные]] (немецкий '''G-Lader''', применявшийся на Volkswagen 1990-х), [[Пластинчатая_гидромашинаПластинчатая гидромашина|шиберные]] (британский нагнетатель '''PowerPlus''' для довоенных [[MG Cars|MG]] и [[Rolls-Royce Merlin]]). Динамические приводные нагнетатели известны только [[Лопастной_компрессорЛопастной компрессор#Центробежный_компрессорЦентробежный компрессор|центробежного]] типа, известных собственных названий они обычно не имеют, а их конструкция более-менее универсальна и в общем и целом схожа с конструкцией некоего канонического центробежного компрессора. В обоих случаях, независимо от типа компрессора, конструкция его механического привода не имеет принципиального значения для работы нагнетателя в целом, с теми лишь особенностями, что привод компрессора имеет повышающее [[передаточное отношение]] (порядка 0,15-0,08), а иные конструкции привода позволяют включать/отключать нагнетатель (в том числе по аналоговому принципу) по команде водителя или блока управления. Сами приводы возможны промежуточными валами, шестернями, зубчатыми ремнями, цепями, набором трапецеидальных ремней, а также прямые приводы с торцов коленчатого или распределительного валов. В случаях отключаемого привода используются [[Муфта_Муфта (механическое_устройствомеханическое устройство)|муфты]] различной конструкции.
 
Особенностью работы приводного нагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что на его привод мотор вынужден расходовать существенную часть своей так называемой [[Индикаторная мощность|индикаторной мощности]]. Это приводит к тому, что все моторы с приводными нагнетателями имеют высокий [[удельный расход топлива]], который может в разы превышать удельный расход топлива безнаддувного мотора сравнимой [[Лошадиная_силаЛошадиная сила#Измерение_неттоИзмерение нетто|нетто-мощности]]. На высоких оборотах мотора затраты мощности на привод нагнетателя растут нелинейно относительно роста отдачи от его применения, что ещё более увеличивает значения удельного расхода топлива, а сама разница между индикаторной мощностью и нетто-мощностью на максимальных режимах может достигать значения в 50% от нетто.
 
Ввиду относительно низкого уровня термонапряжённости при работе, приводные нагнетатели относительно нетребовательны к технологии металлов и качеству смазки, и работоспособный надёжный агрегат наддува на основе приводного нагнетателя был доступен к производству практически одновременно с появлением массовых автомобилей. Однако ввиду требований к точности производства деталей приводные нагнетатели были в любом случае дороги, и их применение в первой половине XX-го века ограничивалось эксклюзивными, псевдоспортивными или гоночными автомобилями. Второй областью применения приводных нагнетателей были поршневые авиамоторы, в которых наддув был призван компенсировать понижение атмосферного давления на высоте и связанное с этим разрежение воздуха. После 2МВ авиация перешла на турбореактивные двигатели, а конструкторы автомобильных моторов пошли по пути безнаддувной форсировки, в результате чего приводные нагнетатели оказались почти забыты, и их уделом остался лишь американский тюнинг или некоторые американские и редкие европейские модели дорожных машин. В начале 2000-х приводные нагнетатели стали появляться на относительно недешёвых дорожных машинах в составе комбинированных агрегатов наддува в паре с турбонагнетателем. Подобные системы наддува применяются до сегодняшнего момента, хотя в последние годы существует тенденция вытеснения комбинированного наддува эффективным всережимным турбонаддувом на основе турбин типа Twin-Scroll или турбин изменяемой геометрии, а также комбинированным наддувом из турбонагнетателя и электронагнетателя.
 
==== Специфика применения на автомобильных моторах ====
[[FileФайл:Supercharger Animation by Tyroola.gif|thumb|Объёмный нагнетатель Roots в работе]]
На бензиновых моторах серийных легковых автомобилей в случаях разработки мотора под наддув на основе приводного нагнетателя таковой нагнетатель всегда будет только объёмного типа. Обоснованием этого является то важное качество любых [[Компрессор#Объёмные_компрессорыОбъёмные компрессоры|объёмных компрессоров]], что их производительность всегда имеет линейную зависимость от частоты вращения ротора. Именно поэтому моторы с объёмными нагнетателями удобны для водителя: они работают в переходных режимах не хуже безнаддувных (у них отсутствует какая-либо задержка в раскрутке мотора при нажатии на педаль газа) и увеличивают крутящий момент во всём диапазоне оборотов, что на моторе с объёмным нагнетателем особенно ощутимо на «низах». Также у объёмных нагнетателей есть то конструктивное преимущество, что их применение не требует каких-либо дополнительных управляющих элементов и системах (клапанах сброса давления, электронных блоков управления, дополнительных датчиков), что в периоды отсутствия электронных систем впрыска позволяло легко устанавливать объёмные приводные нагнетатели на карбюраторные моторы или моторы с механическим впрыском. В современных системах комбинированного наддува в случае применения объёмных приводных нагнетателей, таковые отвечают за наддув на низких оборотах мотора и выводятся из работы управляющими системами по достижению достаточного давления наддува параллельно работающего турбонагнетателя.
 
[[FileФайл:ATI ProCharger Supercharger Cutaway.jpg|thumb|Центробежный приводной нагнетатель ATI ProCharger]]
Центробежные нагнетатели также могут применяться на бензиновых моторах легковых автомобилей. Но ввиду того, что в любых центробежных компрессорах зависимость объёма перекачиваемого вохдуха от числа оборотов не является линейной, приводные нагнетатели на их основе делаются либо кратковременно подключаемыми (наподобие машин американского тюнинга), либо устанавливаются на моторы, для которых эффективность работы в переходных режимах и эффективность работы на «низах» не сильно важна (например, машины для гонок на дистанцию в четверть мили). При этом установка подключаемого приводного центробежного нагнетателя на изначально безнаддувный мотор может и не требовать доработок под наддув, если время работы мотора в режиме наддува ограничено. А установка постоянно работающего приводного центробежного нагнетателя помимо доработок под наддув может потребовать наличия клапанов сброса давления (что не нужно в случае объёмных нагнетателей). В любом случае обычные серийные дорожные автомобили приводными центробежными нагнетателями не оснащаются.
 
Строка 50 ⟶ 51 :
 
==== Специфика применения на двухтактных моторах ====
[[FileФайл:opposite piston engine.gif|thumb|right|Центробежная воздуходувка (2) на двухтактном моторе со встречным движением поршней]]
[[Файл:Принцип работы двухтактного дизельного двигателя.gif|thumb|right|Объёмная воздуходувка на двухтактном моторе с клапанно-щелевой продувкой]]
На отдельных типах бензиновых и дизельных двухтактных моторов (с [[Двухтактный_двигательДвухтактный двигатель#Клапанно-щелевая продувка|клапанной-щелевой продувкой]], [[Двухтактный_двигательДвухтактный двигатель#Двигатель_со_встречным_движением_поршнейДвигатель со встречным движением поршней|со встречным движением поршней]]), работа которых предполагает относительно невысокие обороты, в качестве неотъемлемого элемента всей конструкции для целей продувки цилиндров на стыке двух рабочих тактов применяются приводные нагнетатели низкого давления. В советском инженерно-техническом лексиконе подобные приводные нагнетатели назывались терминами «'''воздуходувка'''» или «'''продувочный насос'''». Обеспечиваемое ими давление наддува обычно порядка 0,1-0,2 Бара. На высокооборотных моторах с [[Двухтактный_двигательДвухтактный двигатель#Однопоршневые двигатели с щелевой (контурной) продувкой|щелевой продувкой]] (например, мотоциклетных) подобные воздуходувки/насосы не применяются, и там продувка цилиндров обеспечивается иными способами.
 
Известны разработки воздуходувок/насосов как на основе объёмных компрессоров, так и на основе центробежных. Пример первого варианта — советские автомобильные дизельные моторы [[ЯАЗ-204]] и [[ЯАЗ-206]]. Пример второго варианта — советский/украинский танковый многотопливный мотор [[5ТДФ]]. При этом свойство центробежных компрессоров увеличивать давление наддува с ростом оборотов может использоваться и для целей форсировки мотора в режиме высоких оборотов. Наличие воздуходувки/насоса не отменяет возможности дополнения подобного двухтактного мотора турбонагнетателем, задачей которого является форсировка мотора в чистом виде. Примером таких моторов с турбонаддувом и без будут конструктивно идентичные локомотивные дизели 10Д100 и 2Д100 тепловозов [[ТЭ10]] и [[ТЭ3]].
 
== Электронагнетатель ==
[[FileФайл:HTT Basic Schematic.JPG|thumb|Схема комбинированного наддува, состоящего из турбины, мотор-генератора, компрессора и аккумуляторной батареи. Работа наддува в режиме турбонагнетателя постоянна, в режиме турбонагнетателя и электронагнетателя — повторно-кратковременна.]]
Принцип работы электронагнетателя (нагнетателя с электрическим приводом) основан на использовании для привода компрессора электроэнергии из бортовой электрической сети автомобиля. Принципиальная конструкция в общем и целом едина — высокооборотный электромотор и связанный с ним общим валом центробежный компрессор.
 
Строка 70 ⟶ 71 :
{{Auto-stub}}
 
[[Категория:Двигатель внутреннего сгорания]]
 
[[Категория:Двигатель внутреннего сгорания]] [[Категория:Турбины]]