В двигателе внутреннего сгорания нагнетатель сжимает впускной газ, нагнетая больше воздуха в двигатель, чтобы произвести больше мощности при заданном рабочем объеме .
Текущая классификация такова, что нагнетатель представляет собой форму 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] его начали использовать в авиационных двигателях с 1910-х годов, а в автомобильных двигателях — с 1920-х годов. В поршневых двигателях, используемых в самолетах, наддув часто использовался для компенсации более низкой плотности воздуха на больших высотах. В 21 веке наддув используется реже, поскольку производители перешли на турбокомпрессоры, чтобы снизить расход топлива и увеличить выходную мощность.
Существует два основных семейства нагнетателей, определяемых по методу перекачки газа: объемные и динамические нагнетатели. Нагнетатели объемного типа обеспечивают почти постоянный уровень увеличения давления наддува на всех оборотах двигателя, в то время как динамические нагнетатели заставляют давление наддува расти экспоненциально с увеличением частоты вращения двигателя (выше определенного порога). [4] Еще одно семейство нагнетателей, хотя и редко используемое, — это нагнетатели с волной давления .
Нагнетатели Рутса (конструкция с объемным рабочим объемом), как правило, имеют эффективность только 40–50% при высоких уровнях наддува по сравнению с 70–85% для динамических нагнетателей. [ нужна цитата ] Воздуходувки типа Лисхольма (винтовая конструкция) могут быть почти такими же эффективными, как динамические нагнетатели, в узком диапазоне нагрузки/скорости/наддува, для которых система должна быть специально разработана.
Насосы объемного типа подают практически фиксированный объем воздуха за один оборот компрессора (за исключением утечек, эффект которых обычно снижается при более высоких оборотах двигателя). Наиболее распространенным типом нагнетателей объемного действия является нагнетатель типа Рутса . Другие типы включают роторно-винтовые , лопастные и спиральные нагнетатели.
Система оценки объемных нагнетателей обычно основана на их производительности на оборот . В случае с нагнетателем Рутса типичным является рейтинг GMC . Рейтинг GMC основан на том, сколько двухтактных цилиндров (и размере этих цилиндров) он предназначен для очистки , 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 получается двигатель с общим объемом 426 куб. Дюймов (7,0 л)). Однако, поскольку 6–71 — это обозначение двигателя, а не нагнетателя, фактический объем нагнетателя меньше; например, воздуходувка 6–71 перекачивает 339 куб. Дюймов (5,6 л) за оборот. Другие производители нагнетателей выпускают нагнетатели с рейтингом до 16–71.
Динамические компрессоры полагаются на ускорение воздуха до высокой скорости, а затем обмен этой скорости на давление путем его рассеивания или замедления.
Основные типы динамических компрессоров:
Общие методы управления нагнетателем включают в себя:
Топливо с более высоким октановым числом лучше противостоит самовоспламенению и детонации . В результате можно было увеличить мощность наддува, обеспечиваемую нагнетателями, что привело к увеличению мощности двигателя. Разработка 100-октанового авиационного топлива, впервые появившаяся в США в 1930-х годах, позволила использовать более высокое давление наддува в высокопроизводительных авиационных двигателях и использовалась для значительного увеличения выходной мощности нескольких самолетов, установивших рекорды скорости.
Военное использование высокооктанового топлива началось в начале 1940 года, когда 100-октановое топливо было поставлено британским Королевским ВВС , сражавшимся во Второй мировой войне. [6] Немецкие Люфтваффе также имели запасы аналогичного топлива. [7] [8] Увеличение октанового числа стало основным направлением разработки авиационных двигателей до конца войны, а более поздние виды топлива имели номинальное октановое число до 150. Используя такое топливо, авиационные двигатели, такие как Rolls-Royce Merlin 66 и Daimler-Benz DB 605 DC, производили 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 возрастает при повышении температуры окружающего воздуха и повышении уровня наддува.
Двигатели с турбонаддувом используют энергию выхлопных газов, которая обычно теряется впустую, по сравнению с нагнетателем, который механически отбирает мощность от двигателя. Поэтому двигатели с турбонаддувом обычно производят больше мощности и обеспечивают лучшую экономию топлива, чем двигатели с наддувом. Однако турбокомпрессоры могут вызывать турбозадержку (особенно на низких оборотах), когда поток выхлопных газов изначально недостаточен для вращения турбокомпрессора и достижения желаемого уровня наддува, что приводит к задержке реакции дроссельной заслонки . По этой причине двигатели с наддувом широко распространены в приложениях, где реакция дроссельной заслонки является ключевой проблемой, например, в дрэг-рейсинге и соревнованиях по буксировке тракторов .
Недостатком наддува является то, что двигатель должен выдерживать полезную выходную мощность двигателя плюс мощность, необходимую для привода нагнетателя.
Двигатели с турбонаддувом более склонны к тепловому поглощению всасываемого воздуха (поскольку турбонаддув может размещать горячие компоненты выхлопных газов рядом с системой впускного воздуха), хотя это можно преодолеть за счет использования промежуточного охладителя .
В большинстве авиационных двигателей, использовавшихся во время Второй мировой войны, использовались нагнетатели с механическим приводом, поскольку они имели значительные производственные преимущества перед турбокомпрессорами. Однако преимущество в дальности действия было отдано гораздо более высокому приоритету американским самолетам из-за менее предсказуемых требований к дальности действия и необходимости улетать далеко от своих баз. Следовательно, турбокомпрессоры в основном использовались в американских авиационных двигателях, таких как Allison V-1710 и Pratt & Whitney R-2800 , которые были сравнительно тяжелее с турбонаддувом и требовали дополнительных каналов из дорогих жаропрочных металлических сплавов в газовой турбине и предтурбинная часть выхлопной системы. Размер воздуховода сам по себе был серьезным фактором при проектировании. Например, и F4U Corsair , и P-47 Thunderbolt использовали один и тот же радиальный двигатель , но большой бочкообразный фюзеляж P-47 с турбонаддувом был необходим из-за большого количества воздуховодов к турбокомпрессору и от него в задней части самолета. самолет. В F4U использовался двухступенчатый нагнетатель с промежуточным охлаждением более компактной компоновки. Тем не менее, турбокомпрессоры были полезны в высотных бомбардировщиках и некоторых истребителях из-за увеличения высотных характеристик и дальности полета.
Поршневые двигатели с турбонаддувом также подвергаются многим из тех же эксплуатационных ограничений, что и газотурбинные двигатели. Двигатели с турбонаддувом также требуют частых проверок турбокомпрессоров и выхлопных систем на предмет возможных повреждений, вызванных чрезмерным нагревом и давлением турбокомпрессоров. Подобные повреждения были серьезной проблемой ранних моделей американских высотных бомбардировщиков Boeing B-29 Superfortress, использовавшихся на Тихоокеанском театре военных действий в 1944–45 годах.
Поршневые двигатели с турбонаддувом продолжали использоваться в большом количестве послевоенных самолетов, таких как B-50 Superfortress , KC-97 Stratofreighter , Boeing 377 Stratocruiser , Lockheed Constellation и C-124 Globemaster II .
На чемпионатах мира по ралли 1985 и 1986 годов Lancia использовала Delta S4 , оснащенную как нагнетателем с ременным приводом, так и турбонагнетателем с приводом от выхлопных газов. В конструкции использовалась сложная серия перепускных клапанов в системах впуска и выпуска, а также электромагнитное сцепление, так что на низких оборотах двигателя наддув получался от нагнетателя. В середине диапазона оборотов обе системы получали наддув, а на самых высоких оборотах система отключала привод от нагнетателя и изолировала соответствующие воздуховоды. [13] Это было сделано в попытке использовать преимущества каждой из систем взимания платы, одновременно устраняя недостатки. В свою очередь, такой подход увеличил сложность и повлиял на надежность автомобиля в соревнованиях WRC, а также увеличил вес вспомогательного оборудования двигателя в готовой конструкции.
Двигатели с двойным наддувом иногда использовались в серийных автомобилях, например, в 1,4-литровых двигателях Volkswagen 2005–2013 годов и четырехцилиндровых двигателях Volvo B4204T43/B4204T48 объемом 2,0 литра 2017 года выпуска .
В 1849 году Дж. Джонс из Бирмингема, Англия, начал производство компрессора лопастного насоса для вентиляции угольных шахт. [14] В 1860 году компания Roots Blower (основанная братьями Филандером и Фрэнсисом Мэрион Рутс) в США запатентовала конструкцию воздушного двигателя для использования в доменных печах и других промышленных целях. В этом воздушном двигателе и в вентиляционном компрессоре Бирмингема использовалась конструкция, аналогичная 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 в производство конструкция не поступила.
Также в 1878 году шотландский инженер Дугальд Клерк сконструировал первый нагнетатель, который использовался с двигателем. [16] Этот нагнетатель использовался с двухтактным газовым двигателем. [17] Готлиб Даймлер получил немецкий патент на наддув 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 из которых начали производство в 1923 году. [22] [23] [24] Они поступили на рынок. как модели Kompressor - термин, который использовался для различных моделей до 2012 года.
Гоночные автомобили с наддувом примерно этого времени включали Fiat 805-405 1923 года , Miller 122 1923 года [25] , Alfa Romeo P2 1924 года , автомобиль сезона Гран-при 1924 года от Sunbeam, [26] Delage 1925 года , [ 27] ] и Bugatti Type 35C 1926 года выпуска .
Среди самых известных автомобилей с наддувом — Bentley 4½ Liter («Blower Bentley»), представленный в 1929 году.
В 1935 году разработка винтовых нагнетателей достигла важной вехи, когда шведский инженер Альф Лисхольм запатентовал конструкцию ротационно-винтового компрессора с пятью женскими и четырьмя мужскими роторами. [15]
В 21 веке серийные автомобильные двигатели с наддувом стали менее распространенными, поскольку производители перешли на турбонаддув для достижения более высокой экономии топлива и выходной мощности. Например, двигатели Mercedes-Benz Kompressor начала 2000-х годов (такие как рядные четырехцилиндровые двигатели C 230 Kompressor , двигатели C 32 AMG V6 и CL 55 AMG V8) были заменены примерно в 2010 году двигателями с турбонаддувом в таких моделях, как C 250 и C 250 . Модели CL 65 AMG . Однако есть исключения, такие как Audi 3.0 TFSI V6 с наддувом (представленный в 2009 году) и Jaguar AJ-V8 V8 с наддувом (модернизированный до версии Gen III в 2009 году).
В 1930-е годы были разработаны двухскоростные приводы нагнетателей авиационных двигателей, обеспечивающие более гибкую эксплуатацию самолетов. Такое расположение также повлекло за собой большую сложность производства и обслуживания. Шестерни соединяли нагнетатель с двигателем с помощью системы гидравлических муфт, которые первоначально включались или выключались пилотом вручную с помощью пульта управления в кабине. На малых высотах будет использоваться 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 «Спитфайр» и «Харрикейн» с двигателем Rolls-Royce Merlin в основном были оснащены одноступенчатыми и односкоростными нагнетателями. [28] [29]
В 1942 году на авиадвигателе Rolls Royce Merlin 61 был применен двухскоростной двухступенчатый наддув с промежуточным охлаждением . Улучшенные характеристики позволили самолетам, которые они использовали, 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 того, как воздух был сжат на ступени низкого давления , воздух проходил через теплообменник (« промежуточный охладитель »), где он охлаждался перед повторным сжатием на ступени высокого давления , а затем, возможно, также подвергался дополнительному охлаждению 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 самолетах с поршневым приводом . Во многом это можно объяснить более высокой температурой и более легкими сплавами, которые делают турбокомпрессоры более эффективными, чем нагнетатели, а также меньшими затратами на техническое обслуживание из-за меньшего количества движущихся частей. [31]
Из-за пониженной плотности воздуха на больших высотах в авиационных двигателях часто используются наддув и турбонаддув. Например, плотность воздуха на высоте 30 000 футов (9 100 м) составляет 1 ⁄ 3 от плотности воздуха на уровне моря, в результате чего в безнаддувном двигателе можно сжечь 1 ⁄ 3 топлива, поэтому выходная мощность будет значительно снижена. . [32] Нагнетатель/турбокомпрессор можно рассматривать либо как средство искусственного увеличения плотности воздуха путем его сжатия, либо как устройство, нагнетающее в цилиндр больше воздуха, чем обычно, каждый раз, когда поршень движется вниз во время такта впуска. [32]
Поскольку нагнетатель обычно предназначен для создания заданной величины наддува на больших высотах (где плотность воздуха ниже), размер нагнетателя часто слишком велик для малой высоты. Чтобы предотвратить чрезмерный уровень наддува, важно контролировать давление во впускном коллекторе на малой высоте. По мере того, как самолет набирает высоту и плотность воздуха падает, дроссельную заслонку можно постепенно открывать, чтобы получить максимальный безопасный уровень мощности для данной высоты. Высота, на которой дроссельная заслонка полностью открывается, а двигатель продолжает развивать полную номинальную мощность, называется критической высотой . Выше критической высоты выходная мощность двигателя снизится, поскольку нагнетатель больше не сможет полностью компенсировать уменьшение плотности воздуха.
Другая проблема, возникающая на малых высотах (например, на уровне земли), заключается в том, что всасываемый воздух теплее, чем на большой высоте. Более теплый воздух снижает порог возникновения детонации в двигателе , особенно в двигателях с наддувом или турбонаддувом. Методы охлаждения всасываемого воздуха на уровне земли включают промежуточные/промежуточные охладители , впрыск антидетонанта , двухскоростные и двухступенчатые нагнетатели.
В двигателях с наддувом, в которых используется карбюратор , частично открытая дроссельная заслонка снижает давление воздуха внутри карбюратора. В холодных условиях воздух низкого давления может привести к образованию льда на дроссельной заслонке. Значительное количество льда может привести к выходу из строя двигателя, даже если он работает на полной номинальной мощности.
двигатель Рато.