Устройство автомобилей

Винтовой нагнетатель

По имени изобретателя эти компрессоры иногда называют объемными нагнетателями типа Лисхольм. Они несколько напоминают компрессоры типа «Roots» с роторами спиральной формы, но более всего эта конструкция похожа на мясорубку (рис.4).

Рисунок 4 - Винтовой нагнетатель

С одним лишь отличием: шнек не один, их два, и они особым образом входят в зацепление, имея взаимодополняющие профили. Два ротора, захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение (рис.5). Порция воздуха проталкивается вперед, как мясо вдоль шнека мясорубки.

Рисунок 5 - Схема работы винтового нагнетателя.

Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей - наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в компрессорах типа «Roots». Еще плюсы: высокая эффективность, надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие. Работают они почти «шепотом» (разумеется, при правильном, точном проектировании и изготовлении). Вот тут-то и кроется, возможно, единственный их минус. Дело в том, что такие компрессоры довольно сложны в производстве и, как следствие, дороги. По этой причине они практически не встречаются в массовом автомобильном производстве.

Лопастной нагнетатель

Лопастные нагнетатели - это довольно простые по конструкции и принципу действия машины (рис.6).

Рисунок 6 - Схема работы лопастного нагнетателя

Нагнетатель имеет цилиндрический корпус с двумя отверстиями, как правило, растянутыми во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопасти). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сначала всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию. Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетают довольно большое давление.

В сравнении с компрессорами типа «Roots» они обладают более высоким КПД, меньше пропускают воздуха, практически не нагревают его и являются менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимают меньше. Более того, при правильной конструкции шиберный нагнетатель может быть практически на 50% более производительным, нежели компрессор типа «Roots». В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин являются высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падает из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делают низкооборотистыми, но довольно габаритными.

Спиральный нагнетатель (G-Lader)

Спиральный компрессор работает по принципу перемещения обегающего вытеснителя (плунжера). Компрессор состоит из 2 половин корпуса с рабочими полостями, вытеснителя (плунжера), приводного вала с противовесом, а также промежуточного вала с эксцентрической цапфой, на которой устанавливается вытеснитель (плунжер). Привод вала осуществляется зубчатым ремнем. В обеих половинах корпуса и на плунжере имеются спирали (рис.7).

Рисунок 7

Корпус и плунжер изготавливаются из алюминиевого сплава, кроме того, учитывая высокую частоту вращения плунжера, в материал для его изготовления добавляют магний.

Работает такой компрессор следующим образом: в отлитой в корпусе компрессора спирали в форме буквы «G» вторая (плунжер) вращается эксцентрически. При этом между перегородками обеих спиралей образуются полости (или даже можно сказать отсеки), которые уменьшаются в объеме внутри (выпуск воздуха) за счет эксцентрического движения вытеснителя (плунжера) и увеличиваются в объеме снаружи (впуск воздуха) и таким образом ускоряют находящийся там воздух и повышают его давление (рис.9).

Рисунок 9 - Рабочий цикл компрессора

В нижнем диапазоне частоты вращения коленчатого вала возникает необходимость перепуска части воздуха обратно на впуск в компрессор. Управляет этим процессом перепускной клапан, установленный на впускном трубопроводе двигателя, который открывает путь воздуху к впускному патрубку компрессора.

Существенным недостатком данного типа нагнетателей является наличие высокого трения между корпусом и плунжером. Кроме того, в данном случае спирали корпуса и плунжера кроме функции уплотнения выполняют еще и роль рабочего органа, что не может не сказаться на низкой долговечности данного компрессора.

Устройство турбокомпрессора

Турбокомпрессор состоит из сердцевины, корпуса турбины, корпуса компрессора, механизма регулирования расхода отработавших газов через турбину и, как правило, охладителя (интеркулера).

По сути турбокомпрессор представляет собой центробежный воздушный насос („холодная крыльчатка”), расположенный на одном валу с газовой турбиной, которую раскручивает поток отработавших газов („горячая крыльчатка”). Сам вал установлен на подшипниках скольжения или качения. Первые применяют чаще, поскольку масло, подаваемое к подшипникам, обеспечивает дополнительное охлаждение турбонагнетателя. Отработавшие газы раскручивают турбинное колесо до 50-200 тыс. об/мин (в зависимости от конструкции и режима работы).

Вместе с турбинным, естественно, вращается и насосное колесо, загоняя в цилиндры необходимое количество воздуха. Нагнетаемый воздух после сжатия лопатками „холодной крыльчатки” нагревается. Да так, что в некоторых случаях может возникнуть калильное зажигание, не говоря уже об элементарной детонации. Вдобавок у горячего воздуха плотность и количество кислорода в нем меньше, чем у холодного. Следовательно, и попадает его в цилиндры гораздо меньше, чем рассчитывали. Потому максимально использовать эффект наддува можно, если выходящий из компрессора горячий воздух охладить в интеркулере, а затем уже направить в двигатель.

Применение интеркулера в наддувочных системах позволяет не только увеличить мощность мотора и снизить расход топлива, но также понизить температурные нагрузки на двигатель и понизить температуру выхлопных газов, тем самым снизить их токсичность. Применение интеркулера позволяет избежать появления детонации в двигателях с искровым зажиганием. Для охлаждения наддувочного воздуха может применяться охлаждающая жидкость или окружающий воздух. Интеркулер, использующий для охлаждения жидкость, может располагаться в любом месте. Недостаток охлаждающего радиатора, использующего атмосферный воздух - увеличенные габариты. Важной характеристикой промежуточного охладителя является коэффициент рассеивания теплоты. Данный коэффициент определяет зависимость между эффективностью охлаждения наддувочного воздуха и разностью между температурами наддувочного и охлаждающего воздуха:

Ф=(t1E-t1A)/(t1E-t2E)

где Ф - коэффициент рассеивания теплоты (безразмерная величина)

t1E - температура наддувочного воздуха на входе

t1A - температура наддувочного воздуха на входе

t2E - температура охлаждающего воздуха на входе

Примерное значение коэффициента рассеивания теплоты для легковых автомобилей равно 0,4 - 0,7. На некоторых моделях машин применяется двойное охлаждение воздуха (устанавливают 2 интеркулера), что позволяет „снимать” с их двигателей еще большую мощность. В некоторых случаях интеркулер снабжается дополнительным вентилятором, способным еще более снизить температуру сжимаемого в турбокомпрессоре воздуха.

Хотя принцип действия турбонаддува достаточно прост, сам турбокомпрессор является чрезвычайно сложным устройством. Требуется не только полнейшая слаженность работы его отдельных компонентов, но и идеальное его соответствие двигателю, на котором он установлен. Выходная мощность двигателя должна быть согласована с давлением, необходимым для подачи турбокомпрессором нужного объема воздуха в двигатель. В противном случае двигатель будет работать неэффективно или даже выйдет из строя.

Выбор турбокомпрессора и схема его установки определяются типом двигателя, количеством цилиндров в нем, спецификой использования и т. п. В рядных двигателях с наддувом низкого давления обычно устанавливается одна турбина. При необходимости использования наддува высокого давления оптимальным является установка последовательно, друг за другом, двух турбокомпрессоров меньших размеров и мощности. Чтобы получить хорошую производительность такой системы, необходимо расположить интеркулер для охлаждения воздуха после каждого компрессора. В V-образных двухрядных двигателях устанавливают два турбокомпрессора, каждый из которых подает воздух в свой ряд цилиндров. Установка двух турбин меньшего размера позволяет уменьшить время их раскрутки за счет снижения инерционности более легких роторов и обеспечивает ускоренную реакцию мотора на нажатие педали акселератора. В двигателях спортивных автомобилей отработавшие газы подводятся к турбокомпрессору по отдельным патрубкам, идущим от каждого цилиндра, что позволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и добиться максимальной производительности турбокомпрессора во всем диапазоне оборотов мотора.

Размещено на Allbest.ru