В двигателе внутреннего сгорания нагнетатель сжимает всасываемый газ, нагнетая больше воздуха в двигатель для выработки большей мощности при заданном рабочем объеме .
Текущая классификация заключается в том, что нагнетатель — это форма принудительной индукции , которая приводится в действие механически (обычно ремнем от коленчатого вала двигателя ), в отличие от турбонагнетателя , который приводится в действие кинетической энергией выхлопных газов. [1] Однако вплоть до середины 20-го века турбонагнетатель назывался «турбонагнетателем» и считался разновидностью нагнетателя. [2]
Первый двигатель с наддувом был построен в 1878 году [3] , с использованием в авиационных двигателях, начиная с 1910-х годов и с использованием в автомобильных двигателях, начиная с 1920-х годов. В поршневых двигателях, используемых в самолетах, наддув часто использовался для компенсации более низкой плотности воздуха на больших высотах. Наддув используется реже в 21 веке, поскольку производители перешли на турбокомпрессоры, чтобы снизить расход топлива и увеличить выходную мощность.
Существует два основных семейства нагнетателей, определяемых в соответствии с методом переноса газа: нагнетатели с положительным вытеснением и динамические нагнетатели. Нагнетатели с положительным вытеснением обеспечивают почти постоянный уровень увеличения давления наддува на всех оборотах двигателя, в то время как динамические нагнетатели вызывают экспоненциальный рост давления наддува с ростом оборотов двигателя (выше определенного порога). [4] Другое семейство нагнетателей, хотя и редко используемое, — это нагнетатели с волной давления .
Нагнетатели Рутса (конструкция с прямым вытеснением) имеют эффективность всего 40–50% при высоких уровнях наддува по сравнению с 70–85% для динамических нагнетателей. [ необходима ссылка ] Нагнетатели типа Лисхольма (конструкция с роторным винтом) могут быть почти такими же эффективными, как динамические нагнетатели, в узком диапазоне нагрузки/скорости/наддува, для которого система должна быть специально спроектирована.
Насосы объемного типа подают практически фиксированный объем воздуха за один оборот компрессора (за исключением утечек, которые обычно имеют меньший эффект при более высоких оборотах двигателя). Наиболее распространенным типом нагнетателей объемного типа является нагнетатель типа Рутса . Другие типы включают в себя роторно-винтовые , шиберные и спиральные нагнетатели.
Система оценки для нагнетателей с положительным вытеснением обычно основана на их мощности за один оборот . В случае с нагнетателем Рутса типична схема оценки GMC . Оценка GMC основана на том, сколько двухтактных цилиндров - и размер этих цилиндров - он предназначен для продувки , при этом модельный ряд GMC включает нагнетатели 2–71, 3–71, 4–71 и 6–71. Например, нагнетатель 6–71 предназначен для продувки шести цилиндров по 71 куб. дюйм (1,2 л) каждый, в результате чего двигатель имеет общий объем 426 куб. дюймов (7,0 л)). Однако, поскольку 6–71 - это обозначение двигателя, а не нагнетателя, фактический объем нагнетателя меньше; например, нагнетатель 6–71 качает 339 куб. дюймов (5,6 л) за один оборот. Другие производители нагнетателей выпускают нагнетатели с номиналом от 16 до 71.
Динамические компрессоры работают по принципу ускорения воздуха до высокой скорости, а затем обмена этой скорости на давление путем его рассеивания или замедления.
Основными типами динамических компрессоров являются:
Распространенные методы управления нагнетателем включают в себя:
Топливо с более высоким октановым числом лучше противостоит самовоспламенению и детонации . В результате, количество наддува, подаваемого нагнетателями, может быть увеличено, что приводит к увеличению мощности двигателя. Разработка 100-октанового авиационного топлива, впервые разработанного в США в 1930-х годах, позволила использовать более высокие давления наддува для использования в высокопроизводительных авиационных двигателях и использовалась для значительного увеличения выходной мощности для нескольких рекордных по скорости самолетов.
Военное использование высокооктанового топлива началось в начале 1940 года, когда 100-октановое топливо было поставлено британским Королевским военно-воздушным силам, сражавшимся во Второй мировой войне. [6] Немецкие Люфтваффе также имели поставки аналогичного топлива. [7] [8] Повышение октанового числа стало основным направлением разработки авиационных двигателей до конца войны, а более поздние виды топлива имели номинальный октановый рейтинг до 150. Используя такое топливо, авиационные двигатели, такие как Rolls-Royce Merlin 66 и Daimler-Benz DB 605 DC, выдавали мощность до 2000 л. с. (1500 кВт). [9] [10] [11] [12]
Одним из недостатков принудительной индукции (т. е. наддува или турбонаддува) является то, что сжатие всасываемого воздуха повышает его температуру. Для двигателя внутреннего сгорания температура всасываемого воздуха становится ограничивающим фактором производительности двигателя. Экстремальные температуры могут вызвать преждевременное зажигание или детонацию , что снижает производительность и может привести к повреждению двигателя. Риск преждевременного зажигания/детонации увеличивается с повышением температуры окружающего воздуха и повышением уровня наддува.
Турбированные двигатели используют энергию выхлопных газов, которая обычно тратится впустую, по сравнению с нагнетателем, который механически забирает мощность из двигателя. Поэтому турбированные двигатели обычно вырабатывают больше мощности и обеспечивают лучшую экономию топлива, чем двигатели с наддувом. Однако турбокомпрессоры могут вызывать турболаг (особенно на низких оборотах), когда поток выхлопных газов изначально недостаточен для вращения турбокомпрессора и достижения желаемого уровня наддува, что приводит к задержке отклика дроссельной заслонки . По этой причине двигатели с наддувом широко распространены в приложениях, где отклик дроссельной заслонки является ключевым моментом, например, в дрэг-рейсинге и соревнованиях по перетягиванию трактора .
Недостатком наддува является то, что двигатель должен выдерживать полезную выходную мощность двигателя плюс мощность, необходимую для привода нагнетателя.
Двигатели с турбонаддувом более склонны к перегреву всасываемого воздуха (поскольку турбонаддув может размещать горячие компоненты выхлопных газов вблизи системы впуска воздуха), хотя эту проблему можно решить с помощью промежуточного охладителя .
Большинство авиационных двигателей, использовавшихся во время Второй мировой войны, использовали механические нагнетатели, поскольку они имели некоторые существенные производственные преимущества по сравнению с турбонагнетателями. Однако преимущество в эксплуатационном диапазоне было отдано гораздо более высокому приоритету для американских самолетов из-за менее предсказуемых требований к эксплуатационному диапазону и необходимости перемещаться далеко от своих баз. Следовательно, турбонагнетатели в основном использовались в американских авиационных двигателях, таких как Allison V-1710 и Pratt & Whitney R-2800 , которые были сравнительно тяжелее при турбонаддуве и требовали дополнительных воздуховодов из дорогих высокотемпературных металлических сплавов в газовой турбине и предтурбинной секции выхлопной системы. Размер воздуховодов сам по себе был серьезным конструктивным соображением. Например, и F4U Corsair , и P-47 Thunderbolt использовали один и тот же радиальный двигатель , но большой бочкообразный фюзеляж турбированного P-47 был необходим из-за количества воздуховодов к турбонагнетателю и от него в задней части самолета. F4U использовал двухступенчатый промежуточный нагнетатель с более компактной компоновкой. Тем не менее, турбонагнетатели были полезны в высотных бомбардировщиках и некоторых истребителях из-за увеличенных высотных характеристик и дальности полета.
Турбированные поршневые двигатели также подвержены многим из тех же эксплуатационных ограничений, что и газотурбинные двигатели. Турбированные двигатели также требуют частых проверок своих турбокомпрессоров и выхлопных систем для поиска возможных повреждений, вызванных экстремальным нагревом и давлением турбокомпрессоров. Такие повреждения были заметной проблемой в ранних моделях американских высотных бомбардировщиков Boeing B-29 Superfortress, использовавшихся на Тихоокеанском театре военных действий в 1944–45 годах.
Турбированные поршневые двигатели продолжали использоваться во многих послевоенных самолетах, таких как B-50 Superfortress , KC-97 Stratofreighter , Boeing 377 Stratocruiser , Lockheed Constellation и C-124 Globemaster II .
В чемпионатах мира по ралли 1985 и 1986 годов Lancia использовала Delta S4 , которая включала как нагнетатель с ременным приводом, так и турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов. В конструкции использовалась сложная серия перепускных клапанов в системах впуска и выпуска, а также электромагнитная муфта, так что на низких оборотах двигателя наддув производился от нагнетателя. В середине диапазона оборотов наддув производился от обеих систем, в то время как на самых высоких оборотах система отключала привод от нагнетателя и изолировала связанный воздуховод. [13] Это было сделано в попытке использовать преимущества каждой из систем наддува, устраняя недостатки. В свою очередь, этот подход привел к большей сложности и повлиял на надежность автомобиля в гонках WRC, а также увеличил вес вспомогательных агрегатов двигателя в готовой конструкции.
Двигатели с двойным наддувом время от времени использовались в серийных автомобилях, например, в 1,4-литровых двигателях Volkswagen 2005–2013 годов и в 2,0-литровых четырехцилиндровых двигателях Volvo B4204T43/B4204T48 (по настоящее время, 2017 год) .
В 1849 году Г. Джонс из Бирмингема, Англия, начал производство компрессора с лопастным насосом для обеспечения вентиляции угольных шахт. [14] В 1860 году компания Roots Blower Company (основанная братьями Филандром и Фрэнсисом Мэрионом Рутс) в США запатентовала конструкцию воздуходувки для использования в доменных печах и других промышленных применениях. Эта воздуходувка и вентиляционный компрессор Бирмингема использовали конструкции, похожие на конструкции более поздних нагнетателей типа Рутса .
В марте 1878 года немецкий инженер Генрих Кригар получил первый патент на винтовой компрессор. [15] Конструкция представляла собой двухлопастной роторный узел с роторами одинаковой формы, однако конструкция не была запущена в производство.
Также в 1878 году шотландский инженер Дугальд Клерк спроектировал первый нагнетатель, который использовался с двигателем. [16] Этот нагнетатель использовался с двухтактным газовым двигателем. [17] Готлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетание двигателя внутреннего сгорания в 1885 году. [18] Луи Рено запатентовал центробежный нагнетатель во Франции в 1902 году. [19] [20]
Первыми в мире серийными автомобилями [21] с нагнетателями были 1,6-литровый Mercedes 6/25 л. с. и 2,6-литровый Mercedes 10/40 л. с. , оба были выпущены в 1923 году. [22] [23] [24] Они продавались как модели Kompressor , термин, который использовался для различных моделей до 2012 года.
Гоночные автомобили с наддувом того времени включали Fiat 805-405 1923 года , [ требуется ссылка ] Miller 122 1923 года [25] , Alfa Romeo P2 1924 года , автомобиль Гран-при 1924 года от Sunbeam [26] , Delage 1925 года [27] и Bugatti Type 35C 1926 года .
Среди самых известных автомобилей с наддувом — Bentley 4½ Litre («Blower Bentley»), представленный в 1929 году.
В 1935 году развитие винтовых нагнетателей достигло рубежа, когда шведский инженер Альф Лисхольм запатентовал конструкцию роторно-винтового компрессора с пятью женскими и четырьмя ведущими роторами. [15]
В 21 веке двигатели серийных автомобилей с наддувом стали менее распространенными, поскольку производители перешли на турбонаддув для достижения более высокой топливной экономичности и выходной мощности. Например, двигатели Kompressor от Mercedes-Benz начала 2000-х годов (такие как рядные четырехцилиндровые двигатели C 230 Kompressor , двигатели C 32 AMG V6 и CL 55 AMG V8) были заменены около 2010 года турбированными двигателями в таких моделях, как модели C 250 и CL 65 AMG . Однако есть исключения, такие как Audi 3.0 TFSI с наддувом V6 (представленный в 2009 году) и Jaguar AJ-V8 с наддувом V8 (модернизированный до версии Gen III в 2009 году).
В 1930-х годах были разработаны двухскоростные приводы для нагнетателей для авиадвигателей, обеспечивающие более гибкую эксплуатацию самолета. Такая компоновка также влекла за собой большую сложность производства и обслуживания. Шестерни соединяли нагнетатель с двигателем с помощью системы гидравлических муфт, которые первоначально вручную включались и выключались пилотом с помощью управления в кабине. На малых высотах использовалась низкоскоростная передача, чтобы предотвратить чрезмерный уровень наддува. На больших высотах нагнетатель можно было переключить на более высокую передачу, чтобы компенсировать пониженную плотность всасываемого воздуха. В битве за Британию самолеты Spitfire и Hurricane, оснащенные двигателем Rolls-Royce Merlin, были оснащены в основном одноступенчатыми и односкоростными нагнетателями. [28] [29]
В 1942 году двухступенчатый нагнетатель с двухскоростным охлаждением был применен к авиационному двигателю Rolls Royce Merlin 61. Улучшенные характеристики позволили самолету, который они приводили в действие, сохранить решающее преимущество над немецкими самолетами, которым они противостояли на протяжении всей Второй мировой войны, несмотря на то, что немецкие двигатели были значительно больше по объему. [30] [29] Двухступенчатые нагнетатели также всегда были двухскоростными. После сжатия воздуха на ступени низкого давления воздух проходил через теплообменник (« промежуточный охладитель »), где он охлаждался перед повторным сжатием на ступени высокого давления , а затем, возможно, также охлаждался в другом теплообменнике.
Хотя нагнетатели широко использовались в середине 1900-х годов и во время Второй мировой войны , они в значительной степени вышли из употребления в современных поршневых самолетах . Это можно в значительной степени объяснить более высокой температурой и более легкими сплавами, которые делают турбонагнетатели более эффективными, чем нагнетатели, а также меньшим обслуживанием из-за меньшего количества движущихся частей. [31]
Из-за пониженной плотности воздуха на больших высотах в авиационных двигателях часто использовались наддув и турбонаддув. Например, плотность воздуха на высоте 30 000 футов (9 100 м) составляет 1 ⁄ 3 от плотности на уровне моря, в результате чего в двигателе без наддува можно сжечь на 1 ⁄ 3 меньше топлива, поэтому выходная мощность будет значительно снижена. [32] Нагнетатель/турбокомпрессор можно рассматривать либо как искусственно увеличивающий плотность воздуха путем его сжатия, либо как нагнетающий больше воздуха, чем обычно, в цилиндр каждый раз, когда поршень движется вниз на такте впуска. [32]
Поскольку нагнетатель обычно предназначен для создания заданного количества наддува на больших высотах (где плотность воздуха ниже), нагнетатель часто имеет завышенные размеры для малых высот. Чтобы предотвратить чрезмерные уровни наддува, важно контролировать давление во впускном коллекторе на малых высотах. По мере того, как самолет поднимается и плотность воздуха падает, дроссельную заслонку можно постепенно открывать, чтобы получить максимальный безопасный уровень мощности для данной высоты. Высота, на которой дроссельная заслонка достигает полного открытия, а двигатель все еще выдает полную номинальную мощность, называется критической высотой . Выше критической высоты выходная мощность двигателя будет снижаться, поскольку нагнетатель больше не может полностью компенсировать уменьшающуюся плотность воздуха.
Другая проблема, с которой сталкиваются на малых высотах (например, на уровне земли), заключается в том, что всасываемый воздух теплее, чем на большой высоте. Более теплый воздух снижает порог, при котором может возникнуть детонация двигателя , особенно в двигателях с наддувом или турбонаддувом. Методы охлаждения всасываемого воздуха на уровне земли включают промежуточные/дополнительные охладители , впрыск антидетонанта , двухскоростные нагнетатели и двухступенчатые нагнетатели.
В двигателях с наддувом, использующих карбюратор , частично открытая дроссельная заслонка снижает давление воздуха в карбюраторе. В холодных условиях этот воздух низкого давления может привести к образованию льда на дроссельной заслонке. Значительное количество льда может привести к отказу двигателя, даже если двигатель работает на полной номинальной мощности.
двигатель Рато.