Как работают нагнетатели

Фотогалерея: Двигатели Фото предоставлено Superchargers Online Ford Ranger с нагнетателем под капотом. Смотрите больше фотографий двигателя автомобиля .

С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания автомобильные инженеры, любители скорости и конструкторы гоночных автомобилей искали способы увеличить его мощность. Один из способов увеличить мощность — построить двигатель большего размера. Но большие двигатели, которые больше весят и стоят дороже в производстве и обслуживании, не всегда лучше.

Еще один способ увеличить мощность — сделать двигатель нормального размера более эффективным. Вы можете добиться этого, нагнетая больше воздуха в камеру сгорания. Больше воздуха означает, что можно добавить больше топлива, а больше топлива означает больший взрыв и большую мощность . Добавление нагнетателя - отличный способ добиться принудительной подачи воздуха. В этой статье мы объясним, что такое нагнетатели, как они работают и чем отличаются от турбокомпрессоров .

Нагнетатель — это любое устройство, которое повышает давление воздуха на впуске выше атмосферного. Это делают как нагнетатели, так и турбокомпрессоры. На самом деле термин «турбокомпрессор» является сокращенной версией его официального названия «турбокомпрессор».

Разница между двумя устройствами заключается в их источнике энергии. Турбокомпрессоры приводятся в действие массовым потоком выхлопных газов, приводящих в движение турбину. Нагнетатели приводятся в действие механически ременным или цепным приводом от коленчатого вала двигателя.

В следующем разделе мы рассмотрим, как нагнетатель выполняет свою работу.

1. Основы нагнетателя
2. Нагнетатели корней
3. Двухвинтовые нагнетатели
4. Центробежные нагнетатели
5. Преимущества нагнетателя
6. Недостатки нагнетателя

Обычный четырехтактный двигатель посвящает один такт процессу впуска воздуха. В этом процессе есть три шага:

1. Поршень движется вниз.
2. Это создает вакуум.
3. В камеру сгорания всасывается воздух под атмосферным давлением.

Как только воздух всасывается в двигатель, он должен соединиться с топливом для формирования заряда – пакета потенциальной энергии, который можно превратить в полезную кинетическую энергию посредством химической реакции, известной как сгорание . Свеча зажигания инициирует эту химическую реакцию, воспламеняя заряд. При окислении топлива высвобождается большое количество энергии. Сила этого взрыва, сосредоточенная над головкой блока цилиндров, толкает поршень вниз и создает возвратно-поступательное движение, которое в конечном итоге передается на колеса.

Добавление большего количества топлива в заряд приведет к более мощному взрыву. Но вы не можете просто закачать в двигатель больше топлива, потому что для сжигания заданного количества топлива требуется точное количество кислорода. Эта химически правильная смесь — 14 частей воздуха на одну часть топлива — необходима для эффективной работы двигателя. Вывод: чтобы добавить больше топлива, нужно добавить больше воздуха.

Это работа нагнетателя. Нагнетатели увеличивают всасывание за счет сжатия воздуха выше атмосферного давления без создания вакуума. Это нагнетает больше воздуха в двигатель, обеспечивая «ускорение». С дополнительным воздухом в наддуве можно добавить больше топлива в заряд, и мощность двигателя увеличивается. Наддув добавляет в среднем на 46 процентов больше лошадиных сил и на 31 процент больше крутящего момента . В высокогорных условиях, когда характеристики двигателя ухудшаются из-за низкой плотности и давления воздуха, нагнетатель подает в двигатель воздух с более высоким давлением, чтобы он мог работать оптимально.

В отличие от турбонагнетателей, которые используют выхлопные газы, образующиеся при сгорании, для питания компрессора, нагнетатели получают мощность непосредственно от коленчатого вала. Большинство из них приводятся в действие вспомогательным ремнем, который наматывается на шкив, соединенный с ведущей шестерней. Ведущая шестерня, в свою очередь, вращает шестерню компрессора. Ротор компрессора может иметь различную конструкцию, но его работа заключается в том, чтобы всасывать воздух, сжимать воздух в меньшее пространство и выпускать его во впускной коллектор.

Фото предоставлено центробежным нагнетателем Muscle Mustang
ProCharger D1SC.

Чтобы сжать воздух, нагнетатель должен вращаться быстрее — быстрее, чем сам двигатель. Если ведущая шестерня больше шестерни компрессора, компрессор будет вращаться быстрее. Нагнетатели могут вращаться со скоростью от 50 000 до 65 000 оборотов в минуту (об/мин).

Компрессор, вращающийся со скоростью 50 000 об/мин, обеспечивает наддув примерно от шести до девяти фунтов на квадратный дюйм (psi). Это на шесть-девять дополнительных фунтов на квадратный дюйм превышает атмосферное давление на определенной высоте. Атмосферное давление на уровне моря составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм, поэтому типичный наддув от нагнетателя подает в двигатель примерно на 50 процентов больше воздуха.

As the air is compressed, it gets hotter, which means that it loses its density and can not expand as much during the explosion. This means that it can't create as much power when it's ignited by the spark plug. For a supercharger to work at peak efficiency, the compressed air exiting the discharge unit must be cooled before it enters the intake manifold. The intercooler is responsible for this cooling process. Intercoolers come in two basic designs: air-to-air intercoolers and air-to-water intercoolers. Both work just like a radiator , with cooler air or water sent through a system of pipes or tubes. As the hot air exiting the supercharger encounters the cooler pipes, it also cools down. The reduction in air temperature increases the density of the air, which makes for a denser charge entering the combustion chamber.

Next, we'll look at the different types of superchargers.

Photo courtesy Shopper The Eaton supercharger, a modified Roots supercharger.

There are three types of superchargers: Roots, twin-screw and centrifugal. The main difference is how they move air to the intake manifold of the engine. Roots and twin-screw superchargers use different types of meshing lobes, and a centrifugal supercharger uses an impeller, which draws air in. Although all of these designs provide a boost, they differ considerably in their efficiency. Each type of supercharger is available in different sizes, depending on whether you just want to give your car a boost or compete in a race.

The Roots supercharger is the oldest design. Philander and Francis Roots patented the design in 1860 as a machine that would help ventilate mine shafts. In 1900, Gottleib Daimler included a Roots supercharger in a car engine.

Roots supercharger

As the meshing lobes spin, air trapped in the pockets between the lobes is carried between the fill side and the discharge side. Large quantities of air move into the intake manifold and "stack up" to create positive pressure. For this reason, Roots superchargers are really nothing more than air blowers, and the term "blower" is still often used to describe all superchargers.

Photo courtesy Sport Truck A 1940s Ford pickup with a Roots supercharger.

Roots superchargers are usually large and sit on top of the engine. They are popular in muscle cars and hot rods because they stick out of the hood of the car. However, they are the least efficient supercharger for two reasons: They add more weight to the vehicle and they move air in discrete bursts instead of in a smooth and continuous flow.

Photo courtesy Superchargers Online Twin-screw supercharger

A twin-screw supercharger operates by pulling air through a pair of meshing lobes that resemble a set of worm gears. Like the Roots supercharger, the air inside a twin-screw supercharger is trapped in pockets created by the rotor lobes. But a twin-screw supercharger compresses the air inside the rotor housing. That's because the rotors have a conical taper, which means the air pockets decrease in size as air moves from the fill side to the discharge side. As the air pockets shrink, the air is squeezed into a smaller space.

Twin-screw supercharger

This makes twin-screw superchargers more efficient, but they cost more because the screw-type rotors require more precision in the manufacturing process. Some types of twin-screw superchargers sit above the engine like the Roots supercharger. They also make a lot of noise. The compressed air exiting the discharge outlet creates a whine or whistle that must be subdued with noise suppression techniques.

Photo courtesy Muscle Mustang ProCharger D1SC centrifugal supercharger

A centrifugal supercharger powers an impeller -- a device similar to a rotor -- at very high speeds to quickly draw air into a small compressor housing. Impeller speeds can reach 50,000 to 60,000 RPM. As the air is drawn in at the hub of the impeller, centrifugal force causes it to radiate outward. The air leaves the impeller at high speed, but low pressure. A diffuser -- a set of stationary vanes that surround the impeller -- converts the high-speed, low-pressure air to low-speed, high-pressure air. Air molecules slow down when they hit the vanes, which reduces the velocity of the airflow and increases pressure.

Centrifugal supercharger

Centrifugal superchargers are the most efficient and the most common of all forced induction systems. They are small, lightweight and attach to the front of the engine instead of the top. They also make a distinctive whine as the engine revs up -- a quality that may turn heads out on the street.

Any of these superchargers can be added to a vehicle as an after-market enhancement. Several companies offer kits that come with all of the parts necessary to install a supercharger as a do-it-yourself project. In the world of funny cars and fuel racers, such customization is an integral part of the sport. Several auto manufacturers also include superchargers in their production models.

Next, we'll learn about the advantages of supercharging your car.

The biggest advantage of having a supercharger is the increased horsepower. Attach a supercharger to an otherwise normal car or truck, and it will behave like a vehicle with a larger, more powerful engine.

But what if someone is trying to decide between a supercharger and a turbocharger? This question is hotly debated by auto engineers and car enthusiasts, but in general, superchargers offer a few advantages over turbochargers.

Superchargers do not suffer lag -- a term used to describe how much time passes between the driver depressing the gas pedal and the engine's response. Turbochargers suffer from lag because it takes a few moments before the exhaust gases reach a velocity that is sufficient to drive the impeller/turbine. Superchargers have no lag time because they are driven directly by the crankshaft. Certain superchargers are more efficient at lower RPM, while others are more efficient at higher RPM. Roots and twin-screw superchargers, for example, provide more power at lower RPM. Centrifugal superchargers, which become more efficient as the impeller spins faster, provide more power at higher RPM.

Installing a turbocharger requires extensive modification of the exhaust system, but superchargers can be bolted to the top or side of the engine. That makes them cheaper to install and easier to service and maintain.

The basic setup for an airplane with a centrifugal supercharger, or compressor.

Finally, no special shutdown procedure is required with superchargers. Because they are not lubricated by engine oil, they can be shut down normally. Turbochargers must idle for about 30 seconds or so prior to shutdown so the lubricating oil has a chance to cool down. With that said, a good warm-up is important for superchargers, as they work most efficiently at normal operating temperatures.

Superchargers are common additions to the internal combustion engines of airplanes . This makes sense when you consider that airplanes spend most of their time at high altitudes, where significantly less oxygen is available for combustion. With the introduction of superchargers, airplanes were able to fly higher without losing engine performance.

Superchargers used with aircraft engines work just like those found in cars. They draw their power directly from the engine and use a compressor to blow pressurized air into the combustion chamber. The illustration above shows the basic setup for a supercharged airplane.

We'll learn about some disadvantages of superchargers next.

The biggest disadvantage of superchargers is also their defining characteristic: Because the crankshaft drives them, they must steal some of the engine's horsepower. A supercharger can consume as much as 20 percent of an engine's total power output. But because a supercharger can generate as much as 46 percent additional horsepower, most think the trade-off is worth it.

Supercharging puts an added strain on the engine, which needs to be strong to handle the extra boost and bigger explosions. Most manufacturers account for this by specifying heavy-duty components when they design an engine intended for supercharged use. This makes the vehicle more expensive. Superchargers also cost more to maintain, and most manufacturers suggest high-octane premium-grade gas.

Despite their disadvantages, superchargers are still the most cost-effective way to increase horsepower. Superchargers can result in power increases of 50 to 100 percent, making them great for racing, towing heavy loads or just adding excitement to the typical driving experience.

To learn more about superchargers and related topics, check out the links on the next page.

How does a supercharger work?

What is the difference between supercharger and turbocharger?

Сколько лошадиных сил добавляет нагнетатель?

Насколько быстрее нагнетатель делает вашу машину?

Стоит ли суперчарджер своих денег?

Статьи по Теме

• Уголок викторины: викторина по двигателю
• Как работают турбокомпрессоры
• Как работают автомобильные двигатели
• Как работают газотурбинные двигатели
• Как работают роторные двигатели
• Как работают шестерни
• Как работают сила, мощность, крутящий момент и энергия
• Как работают цены на газ

Больше отличных ссылок

• Комиссия по столетним полетам США
• Центробежные нагнетатели ProCharger
• Уиппл Индастриз
• Вортех Инжиниринг

Источники

• «Все о воздуходувках: все тонкости сжатия воздуха». Мускульные Мустанги и Быстрые Форды.
  http://www.musclemustangfastfords.com/tech/0411mm_super/
• Барнс, Дэн. «Обзор нагнетателя: все, что вы хотели знать о нагнетателе». Спортивный компактный автомобиль.
  http://www.sportcompactcarweb.com/tech/0107scc_garage/
• Брауэр, Карл. "Заряди его!" Эдмундс.com.
  http://www.edmunds.com/ownership/techcenter/articles/43842/article.html
• Феррари, Брайан. «Обзор: нагнетатель против турбокомпрессора». AutomotiveArticles.com.
  http://www.automotivearticles.com/123/Supercharger_vs_Turbocharger_.shtml
• Феникс, Мэтью. «Автомобиль с турбонаддувом и наддувом». Популярная наука. Октябрь 2005 г.
• Центробежные нагнетатели ProCharger
  http://www.procharger.com/
• SuperchargersOnline
  http://www.superchargersonline.com/index.asp
• Уилсон, Кевин. «Основы нагнетателя». Спортивный грузовик.
  http://www.sporttruck.com/techarticles/1436/
• «Турбо и нагнетатели объяснили», FordvsChevy. 17 октября 1999 г.
  http://www.fordvschevy.com/tech/tbsc/tbsc.html
• Комиссия по полетам в честь столетия США
  http://www.centennialofflight.gov/essay/Dictionary/supercharger/DI115.htm
• Вортех Инжиниринг
  http://www.vortechsuperchargers.com/
• Уиппл Индастриз
  http://www.whipplesuperchargers.com/