Как известно, двигателям внутреннего сгорания для работы требуется топливо и воздух. Топливо хранится в топливном баке и требует периодической заправки. Воздух в изобилии поступает из окружающей атмосферы под давлением 14,7 фунтов на квадратный дюйм на уровне моря.
Это работает очень хорошо, но это всё давление, которое можно получить для нагнетания воздуха в двигатель. При подъёме на Континентальный водораздел через высокогорные перевалы во многих западных штатах давление (и, соответственно, мощность) становится ещё меньше.
Что, если бы можно было увеличить это давление? Что, если бы можно было нагнать больше воздуха в двигатель автомобиля вместе с большим количеством топлива? Ах… нагнетатель. Эти замечательные устройства могут сжимать больше воздуха во впускную систему автомобильного двигателя и, вместе с соответствующим количеством топлива, увеличивать мощность двигателя на 50–75%.
Что такое нагнетатель? Как появился нагнетатель (иногда называемый воздуходувкой или компрессором)? Сколько существует типов нагнетателей? Давайте ответим на эти вопросы.
Что такое нагнетатель?
Нагнетатель — это устройство, приводимое в движение двигателем (или электродвигателем), которое увеличивает поток воздуха в двигатель, тем самым повышая его мощность. С самых ранних этапов разработки двигателей внутреннего сгорания для приведения в движение автомобилей, грузовиков и, да, самолётов, нагнетатель был частью их истории.
Причина довольно очевидна. Наддув — это относительно простой способ значительно увеличить мощность практически любой конструкции двигателя внутреннего сгорания, будь то двухтактный или четырёхтактный, бензиновый или дизельный. Какой практичный инженер или увлечённый автовладелец устоит перед таким соблазном?
Давайте рассмотрим типы нагнетателей, как они появились и как они значительно увеличивают поток воздуха в двигатель.
Типы нагнетателей
#1 – Нагнетатель Рутса
Вернёмся в прошлое, когда основным средством передвижения для большинства людей была сила больших четвероногих. В 1860 году братья Рутс спроектировали и запатентовали механическое вентиляционное устройство для доменных печей и некоторых других применений. Это была одна из первых попыток построить относительно эффективный объёмный нагнетатель.
Он использовал два трёхлопастных ротора, установленных на параллельных валах. Он оказался очень эффективным для перемещения больших объёмов воздуха.
Нагнетатель Рутса быстро развивался и впервые появился в конструкции двигателя, запатентованной Готтлибом Даймлером около 1885 года. Его использование в серийных автомобилях впервые произошло около 1921 года на немецких автомобилях класса люкс, производимых Mercedes.
Было доказано, что эти ранние нагнетатели могут увеличивать мощность двигателя на целых 30–40% с небольшими другими изменениями в двигателях того времени.
Конструкция Даймлера быстро стала популярной как на дорожных, так и на гоночных автомобилях. Mercedes, Alfa Romeo и Bugatti вызывают воспоминания о гоночных успехах с использованием этой технологии.
Конструкция нагнетателя Рутса была усовершенствована в основном General Motors (Detroit Diesel) для двухтактных дизельных двигателей грузовиков в конце 1930-х годов. Эти нагнетатели впоследствии часто применялись в гоночных автомобильных двигателях.
Такие применения широко распространены и сегодня. Например, на дрэг-стрипе часто можно увидеть дрэгстеры с массивными нагнетателями Рутса, установленными поверх огромных двигателей.
#2 – Винтовой компрессор
По стопам братьев Рутс, в 1878 году немецкий конструктор Генрих Кригер запатентовал винтовой компрессор. Как и нагнетатель Рутса, он использовал два параллельных вала, но винтовая форма его роторов позволяла создавать гораздо более высокое давление наддува.
Однако сложность производства отложила его широкое промышленное и автомобильное применение на десятилетия.
В середине 1930-х годов шведский инженер Альф Лисхольм принёс ключевые производственные технологии, которые снизили стоимость винтовой конструкции. Этот тип компрессора быстро нашёл свою нишу в мире кондиционирования воздуха и других отраслях, где требовалась высокоэффективная производительность при высоком давлении.
В автомобильном мире винтовой компрессор сегодня иногда называют двухвинтовым нагнетателем.
#3 – Центробежный нагнетатель
Третий тип нагнетателя — центробежный. В начале 1900-х годов французский конструктор Луи Рено запатентовал первый центробежный нагнетатель для автомобильного применения. В течение примерно трёх лет американский конструктор гоночных автомобилей Ли Чадвик адаптировал конструкцию Рено, установив три ступени (три ротора) друг на друга, и начал успешную карьеру вождения мощных гоночных автомобилей для подъёма в гору.
Современные центробежные нагнетатели используют только одну турбину со сложными изогнутыми лопатками, установленную в спиральном корпусе. Воздух поступает в рабочее колесо near the center of the housing. Вращающееся колесо с лопатками увеличивает скорость воздуха и отбрасывает его в наружные каналы корпуса.
Затем воздух проходит через диффузор увеличивающегося диаметра, который замедляет скорость потока и увеличивает давление. Этот воздух высокого давления затем нагнетается в двигатель через впускную систему.
Главное преимущество этого типа нагнетателя — его относительная простота. По сути, есть только одна движущаяся часть — рабочее колесо. Поскольку рабочее колесо вращается в корпусе со сравнительно большими зазорами, стоимость его производства остаётся разумно низкой.
Все эти типы нагнетателей приводятся в действие непосредственно двигателем. При использовании зубчатого привода или гораздо более простого ременного привода скорость нагнетателя, и, следовательно, давление наддува, увеличивается пропорционально увеличению оборотов двигателя.
Выходное давление в двигатель может изменяться в зависимости от потребности водителя в мощности за счёт использования перепускного клапана, который открывается, когда необходимо сбросить давление наддува. Выходной поток воздуха от этих нагнетателей синхронизируется модулем управления силовой передачей (PCM) автомобиля с потоком впрыска топлива.
Серийные автомобили, которые выиграли от технологии наддува, включают исторический Studebaker начала 1950-х годов с нагнетателем Paxton, Ford Shelby Mustang и популярный средне-моторный автомобиль Dodge.
Используя компактный винтовой нагнетатель, некоторые уличные автомобили Dodge легко производят более 800 л.с. При вождении любого из этих удивительных автомобилей требуется осторожная правая нога.
#4 – Электрический нагнетатель
Появляющийся четвёртый тип нагнетателя — электрический. Каждая из трёх вышеупомянутых конфигураций нагнетателей может приводиться в действие высокоэффективным двигателем постоянного тока с постоянными магнитами. Такая компоновка позволяет, чтобы скорость наддува постоянно регулировалась PCM автомобиля в соответствии с потребностью двигателя в воздухе.
Электродвигатель, вращающий внутренние компоненты нагнетателя, представляет собой гораздо более простую приводную систему, чем сложные ремни или шестерни, используемые в механическом приводе. Это открывает потенциал для снижения затрат и повышения надёжности по сравнению с традиционными механически приводимыми нагнетателями.
Как наддув принёс пользу авиационной промышленности
Дорогостоящие в денежном выражении и трагические с точки зрения ужасающих человеческих потерь, войны служили испытательным полигоном для многих технологических достижений. Наддув не стал исключением.
Во время Второй мировой войны возникла потребность в самолётах, способных достигать больших высот. Самолёты с поршневыми двигателями без наддува не могли эффективно работать в разреженном воздухе на высотах значительно выше 20 000 футов.
Нагнетатели позволили этим военным