Механический нагнетатель воздуха для автомобиля: сделать своими руками

Всем привет! Думаю, вы неоднократно видели машины, на капоте которых красовалась некая конструкция, призванная захватывать воздух и нагнетать давление, увеличивая тем мощность ДВС. Тут речь идет про механический нагнетатель воздуха для автомобиля.

Сегодня хочу рассказать о нем более подробно. А вы уже сами решить, стоит ли его купить, в том числе и в бу на Авито, либо же довериться профильным специалистам. А может это и вовсе лишнее для вас, и будет просто интересно разобраться в особенностях и принципе работы нагнетателя.

Сразу хочется сказать, что из пылесоса такую штуку для машины, пусть даже это будет ВАЗ 2114, сделать не получится. Зато ставить нагнетатель можно на карбюратор и инжектор.

000_MOTO_1110_072

К преимуществам центробежников можно отнести простоту конструкции, компактность и малый вес. А также отсутствие жесткой необходимости применения интеркулеров, ибо греют воздух они намного меньше, чем лопастные нагнетатели и турбокомпрессоры.
К преимуществам центробежников можно отнести простоту конструкции, компактность и малый вес. А также отсутствие жесткой необходимости применения интеркулеров, ибо греют воздух они намного меньше, чем лопастные нагнетатели и турбокомпрессоры.

Идея увеличить мощность мотора, затолкав в него дополнительную порцию воздуха и топлива, стара как мир. И достичь этого можно, если создать на пуске давление больше атмосферного. Именно для этого и применяют нагнетатели. Их множество моделей, но в «Мото» №№ 8 и 9 (Horex и я со своей бешеной «голдой») мы говорили о центробежных. Если кратко, это высокоскоростные вентиляторы, а если образно — «пацанские пылесосы».

Сама идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения самого ДВС. Уже в 1885 году Готтлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетатель. Идея заключалась в том, что некий внешний вентилятор, насос или компрессор нагнетает в двигатель увеличенный заряд воздуха. В 1902 году во Франции Луи Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Но после выпуска нескольких автомобилей, все работы в этом направлении свернули — несовершенство технологий и материалов вываливало на чаши весов больше «против», чем «за». Аббревиатура ПЦН (приводной центробежный нагнетатель) укоренилась в обиходе мотористов в 30-е годы ХХ века — правда, только в авиации. Внедрение ПЦН позволило убить сразу двух зайцев: повысить удельную мощность и снизить падение мощности на больших высотах. (С ростом высоты плотность воздуха падает, соответственно, в движок его попадает меньше, и для сохранения мощности приходится загонять окислитель силком.) Все нагнетатели, устанавливаемые на двигатели внутреннего сгорания, по принципу работы можно разделить на две основные группы: центробежные и объемные. А по типу привода — на приводные (с приводом от коленвала) и газотурбинные (использующие энергию отработавших газов).

Что же такое ПЦН? Давайте окунемся в детство и вспомним юлу. Что будет, если на раскрученную юлу сверху плеснуть воды? Правильно, вода разбрызгается по сторонам под действием сил инерции (центробежной силы), а юла останется почти сухой. Так и в центробежном нагнетателе роль юлы выполняет крыльчатка, а роль воды — молекулы воздуха. Думаю, в детстве каждый заглядывал внутрь пылесоса и видел за решеткой отсека пылесборника странный диск с лопастями и гаечкой посередине. Это и есть простейший центробежный нагнетатель, только работает он на отсос, а не создание избыточного давления. А что будет, если подсоединить шланг к пылесосу, но с той стороны, откуда он выдувает воздух? А если его еще и внедрить во впуск двигателя…

Крыльчатка настоящего ЦН имеет довольно сложную конусообразную форму, а лопатки — сложный профиль и изгиб. От их геометрии зависит производительность и эффективность всего нагнетателя. (Скажем, чем больше диаметр крыльчатки, тем большее давление она может дать на тех же оборотах, но в то же время кушает больше мощности; или при увеличении количества лопастей растет давление, но падает производительность.) Воздух, пройдя по воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти отбрасывают его к периферии кожуха через тонкую щель. Там воздух тормозится в улиткообразном диффузоре, его скорость падает, а давление растет.

Фактически ПЦН — половинка уже привычного в мире авто турбокомпрессора, только вместо «горячей» (турбинной) части — механический привод от коленвала. В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Соответственно, отсюда и основной недостаток центробежников: узкий рабочий диапазон. Но этот теоретический минус на практике оборачивается плюсом. Ведь если нагнетатель будет все время насильно пичкать мотор воздухом, то это приведет к росту тяги во всем диапазоне оборотов, и совладать с таким «фруктом» на низах будет тяжело. Другое дело, если избыток давления во впуске начинает зарождаться на средних оборотах и достигает пика на высоких, когда наполнение цилиндров ухудшается за счет потерь на трение о впускной тракт воздушно-топливной смеси (этим обуславливается заваленный вниз хвостик кривой крутящего момента в области высоких оборотов на многих дино-графиках). Центробежник здорово «наддувает» именно верхи, помогая смеси поступать в цилиндры в должном объеме. Именно поэтому отпадает необходимость отключать нагнетатель на малых оборотах, как это приходится делать с объемными компрессорами.

Виды турбокомпрессоров

Турбина с перепуском отработавших газов WGT.

В горячей улитке турбокомпрессора есть клапан Вестгейт (wastegate) выпускающий выхлопные газы в обход ротора турбины, для того чтобы ограничить рост давления турбокомпрессора выше заданного значения. Вследствие этого поток газов через турбину уменьшается, что снижает как степень сжатия воздуха турбиной, так и излишне высокие обороты вращения вала турбокомпрессора. При низких нагрузках на двигатель клапан закрывается, и весь поток отработавших газов направляется в турбину.

Турбина с изменяемой геометрией турбины VNT.

Турбина с изменяемой геометрией ТИГ (Variable-Nozzle Turbine – VNT, Variable-Turbine Geometry – VTG, Variable-Geometry Turbo – VGT) отличается от классических турбокомпрессоров наличием кольца из специальных лопастей (лопаток). Это дает возможность управлять потоком отработанных газов через турбину. На малых оборотах двигателя лопатки находятся в полузакрытом состоянии. Выхлопным газам приходится “протискиваться” в узкие проходы между лопаток. Скорость газа возрастает (закон Бернулли) и он быстрее раскручивает турбину. На повышенных оборотах двигателя лопатки открываются. Сечение для прохода газов увеличивается, скорость падает, турбина крутится медленнее.

Турбина с дросселированием VST.

В двигателях легковых автомобилей небольшой мощности нашли применение турбины с золотниковым регулированием (VST Variable Sliding Turbine). Турбина VST работает аналогично турбине с неизменной геометрией, с той разницей, что первоначально открывается один из двух каналов золотника. При достижении максимально допустимого давления наддува золотник, непрерывно перемещаясь в осевом направлении, открывает второй канал. Каналы выполнены так, чтобы наибольшая часть потока отработавших газов направлялась к турбине. Оставшаяся часть отработавших газов, за счет дальнейшего перемещения регулирующего золотника, направляется в обход крыльчатки компрессора внутри турбонагнетателя.

Турбина с Twin-scroll (Твинскролл ) – двойная улитка. Турбина типа “twin-scroll” отличается от обычной наличием двух каналов, разделяющих надвое рабочую камеру турбины. Таким образом, отработавшие газы подаются на турбину раздельно, за счет чего эффективнее используется импульсный наддув.

За счет чего достигается преимущество? На четырехтактном двигателе порядок работы цилиндров (например у ЗМЗ-409) 1-3-4-2. Представим, что цилиндр 1 заканчивает свой цикл и достигает нижней точки, открывается выхлопной клапан. В то же время, цилиндр 2 заканчивает выхлопной цикл, закрывая выхлопной клапан и открывая впускной клапан. При наличии обычной одиночной турбины, давление выхлопа от цилиндра 1 будет препятствовать забору воздуха цилиндра 2, поскольку оба выхлопных клапана открыты. Так вот, если камеры разделить, проблема разрешится. Вдобавок, в последнее время появились турбины с изменяемым Twin-scroll: на входе улитки турбины установлен распределительный клапан (Quick Spool Valve), который перенаправляет поток выхлопных газов в разные каналы. А если учесть, что у разных каналов разная геометрия то мы фактически получаем универсальную, управляемую турбину, которая хорошо работает и на низких и на высоких оборотах двигателя.

Твинскролл турбокомпрессор Borg Warner EFR-7163-J (VTV) с интегрированным QSV клапаном (с изменяемой геометрией)

004_MOTO_1110_072

Величина зазора между лопастями крыльчатки и корпуса — основной параметр, влияющий на эффективность компессора.
Величина зазора между лопастями крыльчатки и корпуса — основной параметр, влияющий на эффективность компессора.

Все здорово, но неоспоримые недостатки есть и у центробежников. Главный — нужно раскрутить крыльчатку до бешеных оборотов, поэтому приходится применять повышающий редуктор, у которого на выходном валу 50–150 тыс. об/мин (у некоторых ПЦН этот показатель доходит до 250 тысяч!). Редкие подшипники и сальники могут выдержать такое, а потому вопрос ресурса и КПД зачастую оказывается актуальнее прибавки мощности. Да и общая эффективность двигателя снижается за счет того, что нагнетатель отжирает мощность прямо с коленвала. Но из каждой ямы проблем можно выбраться по тонкой веревке технологических решений. Например, BRP на своих спортивных гидроциклах приводит нагнетатель прямо от шестерни маховика коленвала, а от губительных для шестеренок рывков спасается применением фрикционного демпфера на валу нагнетателя. Yamaha приводит «улитку» через промежуточный вал. Если обратить взор на тюнинговые узлы, то видим, что например, в Rotrex (который обожают европейские мототюнингеры, и ваш покорный слуга в их числе) применяют фрикционный роликовый редуктор, в котором вал крыльчатки зажат между сателлитами планетарной передачи и не нуждается в подшипниках. Американцы из ProCharger, выведя на рынок кит для Harley-Davidson, делают упор на точность изготовления редуктора, их коллеги из Powerdyne любят «наддувать» снегоходы и используют в качестве мультипликатора дополнительную ременную передачу.

И снова вспоминаем детство, а также, кто помнит, физику. Когда мы накачивали свои велосипеды, мопеды и мотоциклы насосами типа «качок», помните, как нагревался шланг, идущий к колесу? Правильно, больше давление — выше температура, выше температура — меньше плотность воздуха, а значит, количество молекул кислорода на единицу объема. Чтобы скомпенсировать это уменьшение плотности, сжатый воздух необходимо охладить. Как? Так же, как и антифриз или масло — в радиаторе, а точнее, в интеркулере (по-научному, охладителе наддувочного воздуха). Интеркулеры в основном бывают типа воздух-воздух (на вид простой радиатор с более толстыми каналами) и воздух-жидкость, когда между компрессором и впускным коллектором стоит компактный «радиатор наоборот», который отбирает тепло от сжатого воздуха в жидкость, а потом сбрасывает его в атмосферу через дополнительный радиатор.

Но все-таки почему не турбо? Ведь в мире автомобилей все больше и больше производителей оснащают свои машины турбонаддувом. Увы, «турба» не только поднимает мощность, но и создает сопротивление на выпуске, здорово греет воздух на впуске не только за счет его сжатия, но и за счет близости раскаленного выпускного коллектора; кроме того, у двигателя появляется «турболаг» или «турбояма» (когда крыльчатка, не имея механической связи с коленвалом, не успевает раскручиваться вслед за открытием дросселя, что обуславливает кратковременный провал в тяге — полную антитезу выражения «идти за ручкой»). Из-за всего перечисленного появившиеся было в начале 80-х турбомотоциклы (скажем, Yamaha XJ650 Turbo) дружно потерпели фиаско на рынке, и сейчас ни конструкторы серийных аппаратов, ни тюнингеры не спешат «втыкать улитку» в мотоциклетные моторы. Исключение — драгрейсинговые снаряды и прочие болиды для рекордных заездов по прямой; там «турболаг» обычно компенсируется «антилагом» (системой, позволяющей резко повысить температуру газов перед турбиной — диким варварством, оправданным только полнейшим наплевательством на ресурс). Впрочем, не будем говорить «никогда» — вон, французы из Yam74, наэкспериментировавшись с ПЦН на Tmax, в конце концов все же перешли на «турбу», и небезуспешно. А потому подождем развития событий.

ТУРБО НЕ ТУРБО

Если разобрать конструкцию таких узлов, то можно выявить определенное сходство строения

А именно такие компрессоры работают от привода, который не требует вмешательства в штатные системы двигателя, а именно в смазку и систему отработанных газов, что очень важно! Такая конструкция действительно очень проста – устанавливается прямая связь с «коленвалом», что позволяет отлично взаимодействовать двигателю и нагнетателю, при разгонах. То есть чем выше обороты, тем быстрее вращается «коленвал», а соответственно раскручивает нагнетатель! Благодаря такому взаимодействию практически нет такого явления как «турбояма»

Также дополнительным плюсом можно отметить отсутствие работы при больших температурах, как у ТУРБО вариантов, а это значит, что ресурс намного увеличивается – ведь здесь не нужно остывать «турбине», то есть не обязательны « » или «бустконтроллеры», просто глушим машину и работа прекращается. Сайт autoflit.ru рекомендует действовать точно также. Кому интересно заходите.

008_MOTO_1110_072

Rotrex в разборе (сверху) и его масляная система (снизу). Планетарный редуктор с гладкими роликами работает главным образом благодаря специальному маслу, циркулирующему по системе. Поэтому, в отличие от шестеренчатых собратьев, которые смазываются от общей системы смазки мотора, у Rotrex’a свой масляный контур с радиатором и фильтром.
Rotrex в разборе (сверху) и его масляная система (снизу). Планетарный редуктор с гладкими роликами работает главным образом благодаря специальному маслу, циркулирующему по системе. Поэтому, в отличие от шестеренчатых собратьев, которые смазываются от общей системы смазки мотора, у Rotrex’a свой масляный контур с радиатором и фильтром.

Конструкция и принцип работы механического наддува

В современном автомобилестроении применяется несколько видов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и принцип нагнетания воздуха.

Устройство механического наддува

Система механического наддува состоит из следующих элементов:

• механический нагнетатель (компрессор);
• интеркулер;
• дроссельная заслонка;
• заслонка перепускного трубопровода;
• воздушный фильтр;
• датчики давления наддува;
• датчики температуры воздуха во впускном коллекторе.

Управление механическим нагнетателем осуществляется при помощи дроссельной заслонки, которая при высоких оборотах открыта. При этом заслонка трубопровода закрыта, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя. Когда двигатель работает на низких оборотах, дроссельная заслонка открыта под небольшим углом, а заслонка трубопровода открыта полностью, что обеспечивает возврат части воздуха на вход компрессора.

Поступающий из нагнетателя воздух проходит через интеркулер, что снижает температуру нагнетаемого воздуха примерно на 10°C, способствуя более высокой степени его сжатия.

Типы привода механического наддува

Передача крутящего момента от коленчатого вала к механическому компрессору может осуществляться различными способами:

• Система прямого привода — предполагает монтаж компрессора непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя.
• Ременный привод. Передача усилий реализуется при помощи ремня. Различные производители используют свои виды ремней (плоские, клиновидные или зубчатые). Системы с использованием ремня характеризуются коротким сроком службы и вероятностью возникновения проскальзывания.
• Цепной привод. Имеет аналогичный ременному приводу принцип.
• Шестеренчатый привод. Недостатком такой системы является повышенный шум и большие габариты.

Виды механических компрессоров

Каждый тип привода наддува имеет свои эксплуатационные особенности. Всего различают три вида механических нагнетателей:

• Центробежный нагнетатель. Самый распространенный вид механических нагнетателей. Основной рабочий элемент системы — колесо (крыльчатка), которое имеет сходную конструкцию с компрессорным колесом турбины. Оно вращается со скоростью порядка 60 000 оборотов в минуту. При этом воздух всасывается в центральную часть компрессорного колеса в режиме высокой скорости и малого давления. Пройдя через лопасти нагнетателя, воздух подается во впускной коллектор, но уже в режиме низкой скорости и высокого давления. Этот вид нагнетателя используется в комплексе с турбокомпрессорами для устранения турбоямы.
• Винтовой нагнетатель. Представляет собой систему из двух вращающихся шнеков (винтов) конической формы. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит по камерам компрессора и, благодаря вращению, сжимается и нагнетается в патрубок впускного коллектора. Такие системы применяются в основном на спортивных и дорогостоящих автомобилях, поскольку достаточно сложны в изготовлении. Их преимущество — высокая эффективность работы.
• Кулачковый нагнетатель (roots). Один из первых видов механических нагнетателей. Конструктивно он представляет собой два ротора со сложным профилем сечения. Оси вращения роторов соединяются двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, в результате чего происходит его нагнетание во впускной трубопровод. Недостатком этой системы является образование избыточного давления, что провоцирует сбои в работе наддува. Для устранения этого явления в конструкции кулачкового нагнетателя предусматриваются либо муфта с электрическим приводом (управление с отключением нагнетателя), либо перепускной клапан (без отключения нагнетателя).

009_MOTO_1110_072

Cамодельный нагнетатель, построенный на базе отечественного турбокомпрессора, у которого «горячую» часть заменил редуктор. Выемка на крыльчатке — следствие балансировки: металл срезали не с лопасти, а оттуда, где выемка не создаст завихрений воздушного потока. Наши «кулибины» применили редуктор «наизнанку» — и компактно и масло само расходится по зубцам за счет центробежной силы. Планшайба соединяет «улитку» и редуктор. В ней же установлен подшипник и сальник вала крыльчатки.
Cамодельный нагнетатель, построенный на базе отечественного турбокомпрессора, у которого «горячую» часть заменил редуктор. Выемка на крыльчатке — следствие балансировки: металл срезали не с лопасти, а оттуда, где выемка не создаст завихрений воздушного потока. Наши «кулибины» применили редуктор «наизнанку» — и компактно и масло само расходится по зубцам за счет центробежной силы. Планшайба соединяет «улитку» и редуктор. В ней же установлен подшипник и сальник вала крыльчатки.

Приводные нагнетатели

Как установить воздушный нагнетатель своими руками

Существует несколько подходов, позволяющих установить механический нагнетатель воздуха на автомобили семейства ВАЗ своими руками. Это изготовление самим такого устройства, обеспечивающего режим турбо или форсирование двигателя, или использование готового КИТ-набора.

При таком подходе определяющим будет механический нагнетатель воздуха. Именно от него зависит вся будущая конструкция. Главное – найти соответствующий требованиям воздушный нагнетатель от импортного автомобиля, или придется использовать самодельный. Возможно и такое, причем в этом случае применяются подходящие детали и узлы от совершенно неожиданных устройств, например, пылесоса.

Нагнетатели, приводимые волновым давлением газа

Нагнетатель, приводимый волновым давлением газа (рис. «Нагнетатель, использующий волновое давление газов» ) представляет собой газодинамиче­скую машину, основным компонентом которой является ротор с открытыми каналами, рас­положенными коаксиально по его окружности («секционное колесо» или «ротор»).

Через отверстия для впуска и выпуска свежего воздуха и отработавших газов и торцевые поверхности ротора осуществляется повышение давления в каналах. Свежий воздух сжимается в каналах ро­тора в ходе газодинамических процессов. В ходе этого процесса свежий газ и отработавшие газы кратковременно вступают в контакт друг с дру­гом. Существенно важным для функционирова­ния является тот физический факт, что процесс газодинамического сжатия происходит в течение значительно более короткого периода времени, чем время смешивания двух газовых потоков.

Принцип действия нагнетателя, приводи­мого в действие волновым давлением газа, основан на том, что волна давления на откры­том конце отражается, как волна разрежения, а на закрытом конце — как волна давления; это также относится к отражению волны раз­режения. Для контроля и поддержания этого

процесса отверстия каналов должны проходить через «открытые концы» и «закрытые концы», т.е. секционный ротор должен вращаться. Мощность привода используется просто для компенсации потерь в подшипниках ротора и потерь на вентиляцию и для ускорения ротора в случае внезапного увеличения нагрузки. Путем соответствующего конфигурирования тракта прохождения газа в корпусе можно обеспе­чить достаточно равномерное распределение температуры в роторе с целью обеспечения достаточно малых зазоров. Акустические ха­рактеристики могут быть улучшены путем со­ответствующего конфигурирования секций.

Диаграммы газовых потоков и состояний (рис. «Схема потоков газов и диаграмма состояний нагнетателя, использующего волновое давление газов» ) иллюстрируют процессы в базовом на­гнетателе, приводимом в действие волновым давлением газа при полностью открытом дрос­селе и умеренной частоте вращения коленча­того вала. Энергообмен в каналах происходит со скоростью звука, и благодаря используе­мым принципам действия нагнетатель очень быстро реагирует на изменение потребности двигателя, причем фактическое время реакции определяется процессами наддува в воздухо­водах и выпускных трубах. Скорость звука, а также физические характеристики являются функцией температуры, что означает, что они в основном зависят от величины крутящего момента двигателя, а не от частоты вращения коленчатого вала.

Нагнетатель Comprex

Если передаточное отношение между двига­телем и секционным ротором постоянно, что и имеет место для приводимого при помощи ременной передачи нагнетателя, волновой процесс оптимален только в определенной ра­бочей точке. Для устранения этого недостатка в передней части кожухов размещают специ­альные «карманы», позволяющие получить высокую производительность нагнетателя и оптимальную кривую наддува в относительно широком диапазоне рабочих режимов.

Ротор нагнетателя Comprex имеет постоян­ную смазку, а подшипник ротора расположен со стороны подвода и отвода воздуха. Воз­душный кожух изготовлен из алюминия, а для газа — кожух из материала NiResist. Ротор с осевыми ячейками изготовлен методом литья по выплавляемой модели. Давление наддува регулируется в соответствии с потребностью двигателя при помощи перепускного клапана.