Как хорошо известно, двигателям внутреннего сгорания для работы требуется топливо и воздух. Топливо хранится в топливном баке и должно регулярно пополняться. Воздух в изобилии поступает из окружающей атмосферы и достигает нас при давлении на уровне моря 14,7 фунтов на квадратный дюйм.
Это работает очень хорошо, но это всё давление, которое вы получите для вталкивания воздуха в ваш двигатель. Вы получите ещё меньше (сопровождаемое также меньшей мощностью), когда будете подниматься на Континентальный водораздел через высокогорный перевал в одном из многих западных штатов.
Если бы только мы могли увеличить это давление. Если бы только мы могли втиснуть больше воздуха в двигатель нашего автомобиля с большим количеством топлива. Ахх… нагнетатель. Эти замечательные устройства могут сжать больше воздуха во впускную систему двигателя вашего автомобиля и, с правильным количеством топлива, увеличат мощность двигателя на 50–75%.
Что такое нагнетатель? Как появился нагнетатель (иногда называемый воздуходувкой или компрессором)? Сколько типов нагнетателей существует? Давайте ответим на эти вопросы.
Что такое нагнетатель?
Нагнетатель — это устройство, приводимое в действие двигателем (или электродвигателем), которое увеличивает поток воздуха в двигатель, тем самым повышая мощность этого двигателя. С самых ранних этапов разработки двигателей внутреннего сгорания для приведения в движение автомобилей, грузовиков и, да, самолётов, нагнетатели были частью истории.
Причина довольно очевидна. Наддув — это относительно простой способ значительно увеличить мощность почти любой конструкции двигателя внутреннего сгорания, будь то двухтактный или четырёхтактный, бензиновый или дизельный. Какой практичный инженер или увлечённый автовладелец мог устоять перед таким искушением?
Давайте взглянем на типы нагнетателей, как они появились и как они работают, чтобы значительно увеличить поток воздуха в двигатель.
Типы нагнетателей
#1 – Нагнетатель типа Рутс
Вернёмся в историю, во времена, когда средства передвижения большинства людей требовали крупных четвероногих для тяги. В 1860 году братья Рутс спроектировали и запатентовали устройство механической вентиляции для доменных печей и нескольких других применений. Это была одна из первых попыток построить относительно эффективный объёмный вентилятор.
Он использовал два трёхлопастных ротора, находящихся в зацеплении, установленных на параллельных валах. Он оказался очень эффективным для перемещения больших объёмов воздуха.
Вентилятор Рутс быстро прогрессировал и впервые появился в конструкции двигателя, запатентованной Готтлибом Даймлером около 1885 года. Его использование в серийных автомобилях впервые произошло около 1921 года с немецкими автомобилями класса люкс, производимыми Mercedes.
Эти ранние нагнетатели оказались способными добавлять до 30–40% увеличения мощности двигателя с небольшими другими изменениями в двигателях того времени.
Конструкции Даймлера быстро стали популярными для уличных и гоночных автомобилей. Mercedes, Alfa Romeo и Bugatti приходят на ум благодаря успехам в гонках с использованием этой технологии.
Конструкция вентилятора Рутс была улучшена General Motors (Detroit Diesel) в основном для двухтактных дизельных двигателей грузовиков в конце 1930-х годов. Эти нагнетатели затем часто применялись к двигателям автомобильных гонок.
Такие применения всё ещё распространены сегодня. Например, на драгстрипе часто можно увидеть драгстеры, использующие нагнетатели типа Рутс, установленные на огромных двигателях.
#2 – Винтовой нагнетатель
Следуя по пути, проложенному братьями Рутс, в 1878 году немецкий конструктор Генрих Кригар запатентовал винтовой компрессор. Подобно вентилятору Рутс, он использовал два параллельных вала, но был способен производить гораздо более высокое повышение давления благодаря винтовой форме своих роторов.
Однако сложность изготовления задержала его широкое промышленное и автомобильное использование на несколько десятилетий.
Шведский инженер Альф Лисхольм в середине 1930-х годов внедрил ключевые технологии производства, которые снизили стоимость конструкции винта. Этот тип нагнетателя быстро нашёл нишу в мире кондиционирования воздуха и в других отраслях, где требовались высокоэффективные выходы высокого давления.
В автомобильном мире винтовые нагнетатели иногда сегодня называют двухвинтовыми нагнетателями.
#3 – Центробежный нагнетатель
Третий тип нагнетателя — центробежный. В начале 1900-х годов французский конструктор Луи Рено запатентовал первый центробежный нагнетатель для автомобильного использования. В течение примерно трёх лет американский производитель гоночных автомобилей Ли Чедвик взял конструкцию Рено, установил три ступени (три ротора) и начал успешную карьеру, управляя мощными автомобилями для подъёма на холм.
Сегодняшние центробежные нагнетатели используют только одну турбину со сложными изогнутыми лопатками, установленными внутри корпуса в форме улитки. Воздух поступает в колесо near the center of the housing. Вращающееся колесо с лопатками отбрасывает его к внешнему проходу корпуса, увеличивая скорость воздуха.
Затем воздух направляется через диффузор увеличивающегося диаметра, который замедляет поток и увеличивает давление. Этот воздух высокого давления затем принудительно подаётся через систему впуска в двигатель.
Основное преимущество этого типа нагнетателя — его относительная простота. У него, по сути, одна движущаяся часть — колесо. Колесо вращается внутри корпуса с относительно большими зазорами, что делает его стоимость изготовления reasonably low.
Все эти типы нагнетателей напрямую приводятся в действие двигателем. Использование системы зубчатого привода или гораздо более простого ременного привода позволяет скорости нагнетателя и, следовательно, наддуву увеличиваться пропорционально увеличению скорости двигателя.
Выходное давление к двигателю может варьироваться в зависимости от потребностей водителя в мощности благодаря использованию перепускного клапана, который открывается, когда избыточное давление должно быть сброшено. Выходы воздушного потока этих нагнетателей модулируются в соответствии с потоком впрыска топлива модулем управления силовой передачей (PCM) автомобиля.
Серийные автомобили, которые выиграли от технологии наддува, включают исторические Studebaker начала 50-х годов, использующие нагнетатели Paxton, Ford Shelby Mustang и популярные автомобили Dodge с двигателем, установленным спереди.
Используя компактные винтовые нагнетатели, некоторые из уличных автомобилей Dodge легко производят более 800 л.с. С любой из этих удивительных машин требуется осторожное использование правой ноги.
#4 – Электрический нагнетатель
Четвёртый тип нагнетателя, который появляется, — с электрическим приводом. Любая из трёх конфигураций нагнетателя, описанных выше, может приводиться в действие высокоэффективным двигателем постоянного тока с постоянными магнитами. Такое расположение позволяет скоростям наддува постоянно регулироваться в соответствии с потребностями двигателя в воздухе с помощью PCM автомобиля.
Электродвигатель для вращения внутренних частей нагнетателя — это гораздо более простая система привода, чем сложные ремни или шестерни, используемые в механических приводах. Это потенциально может привести к снижению затрат и повышению надёжности по сравнению со старыми нагнетателями с механическим приводом.
Как наддув принёс пользу авиационной промышленности
Хотя и дорогостоящие в денежном выражении и трагические с точки зрения ужасающих человеческих потерь, войны были испытательным полигоном для многих технологических достижений. Это также верно для наддува.
Вторая мировая война увидела растущую потребность в самолётах, способных достигать больших высот. Самолёты с обычными поршневыми двигателями не могли эффективно работать в разреженном воздухе значительно выше 20 000 футов.
Нагнетатели стали обычным явлением в этих военных истребителях и бомбардировщиках, позволяя достигать высот до 50 000 футов. С такими высотами скорость и дальность полёта самолётов также были значительно улучшены.
Двигатели под нагнетателями
Наддув может увеличить давление сгорания и выходную мощность многих различных типов двигателей. Эти увеличения давления и мощности всегда будут сопровождаться значительно более высокими температурами двигателя и внутренними структурными нагрузками.
Конструкторам пришлось комп