En supercharger ( eng. Supercharger ) är en mekanisk enhet som komprimerar gas (mer än 15 kPa) utan att kyla den. Kompressorer, till skillnad från kompressorer, kyler gasen. Fläktar, som kompressorer, kyler inte gasen, utan skapar ett tryck på mindre än 15 kPa. [ett]
Används som tillval på kolvmotorer och förbränningsmotorer med roterande kolv (nedan kallade förbränningsmotorer). Den fungerar på grund av den energi som tas emot under driften av själva förbränningsmotorn och utför trycksättning, det vill säga forcerad luftinsprutning i förbränningsmotorn i syfte att forcera den i alla lägen eller (i vissa fall) spolning.
Överladdaren kan användas på förbränningsmotorer med fram- och återgående kolv och förbränningsmotorer som arbetar med vilken termodynamisk cykel som helst och med valfritt antal cykler. För de flesta typer av sådana förbränningsmotorer är överladdaren ett valfritt designelement som inte påverkar den grundläggande möjligheten för själva förbränningsmotorn. Kompressorns huvuduppgift här är trycksättning för att öka effekten. Med överladdning menas först och främst den påtvingade insprutningen av luft i förbränningsmotorn med ett tryck över den nuvarande atmosfäriska nivån, vilket leder till en ökning av densiteten och massan av luft i förbränningskammaren före kraftslaget, vilket, i sin tur, enligt regeln för den stökiometriska brännbara blandningen för en viss typ av motor, tillåter förbränning av mer bränsle, vilket innebär mer vridmoment (och effekt, respektive) vid vilken vevaxel-/rotorhastighet som helst som är jämförbar med en naturligt sugmotor. Inom ramen för denna uppgift är överladdning med en överladdare bara en av de möjliga metoderna för att öka och / eller öka effektiviteten, och närvaron eller frånvaron av en överladdare bestäms endast av målen och budgeten för utvecklarna av en viss motor. Ett undantag från denna regel är endast vissa typer av tvåtakts kolvförbränningsmotorer, där överladdaren i första hand utför uppgiften att tvångsrengöra cylindrarna vid korsningen av två arbetsslag och är nästan alltid närvarande i insugningssystemet för en sådan förbränningsmotor.
Frånvaron av en kompressor i GTEI gasturbinförbränningsmotorer saknas kompressorn formellt. Kompressorn, som är en del av alla gasturbiners förbränningsmotorer, är ett absolut integrerat strukturelement som ger den grundläggande möjligheten att driva en sådan förbränningsmotor, och en sådan kompressor kallas inte en kompressor i det ryskspråkiga ingenjörslexikonet, även om den utför funktionen som forcerad luftinjektion.
Typer av överladdare enligt deras energidriftÖverladdaren fungerar på grund av en eller annan typ av energi som tas emot från själva förbränningsmotorn, antingen direkt eller indirekt. Det är möjligt att använda energin från avgaser, den mekaniska rotationsenergin för förbränningsmotorns axlar och elektrisk energi. Beroende på dess energidrift har kompressordesignen sina egna tekniska egenskaper och ett eget namn. Kompressorer som drivs av energin från avgaserna kallas turboladdare, från en mekanisk drivning - drivna kompressorer. Det finns även kompressorer som drivs av elektrisk energi, men det finns fortfarande ingen etablerad rysk term för deras beskrivning och de kan kallas både elektriska kompressorer och kompressorer med elektrisk drivning.
Innebörden av termerna "supercharger" och "kompressor"En viktig del av kompressorn är luftkompressorn , som finns i designen av absolut alla kompressorer, oavsett dess energidrift. I detta sammanhang av aggregerad boost används båda termerna - både kompressor och kompressor - på lika villkor, inklusive som en del av sammansatta ord, som turboladdare / turboladdare, vilket kan ställa frågor för dem som inte är insatta i ämnet om de semantiska nyanserna av villkor. Det bör förstås att ur semantikens synvinkel innebär termen "överladdare" funktionen för hela enheten som helhet, och "kompressor" är namnet på kraftmaskinen och huvudmanöverenheten för absolut alla överladdare. I rysk talanvändning är likvärdig användning av båda termerna i förhållande till överladdning faktiskt tillåten, och båda orden, både i enkel och i sammansatt form, kan i detta fall betraktas som synonymer.
I teorin om bladmaskiner är termerna "supercharger" och "kompressor" inte identiska. Vanligtvis kallas bladmaskiner som ökar flödestrycket med högst 10 % som fläktar; med 20...25% - till överladdare; höga tryck motsvarar kompressorer. I vardagen kallas kompressoraggregatet ofta för en "turbin", även om det i en drivkompressor inte finns någon turbin alls, och i en gasturbin är det bara en kompressor/kompressordrift.
Sådan är överladdaren, vars design inkluderar en miniatyrturbin , och driftprincipen är baserad på användningen av energin från avgasflödet från själva motorn, som är överladdad. Avgaser, som verkar på turbinen, som ligger i avgassystemet omedelbart bakom avgasgrenröret, snurrar det och det överför rotationsenergi till kompressorn. Den grundläggande utformningen av var och en av de två turboladdarmanöverdonen är i allmänhet identisk för varje utveckling som förs till stadiet av en arbetsenhet, och involverar en radiell enkelkretsturbin och en centrifugalkompressor . Samtidigt kan den faktiska utformningen av turbinen, kompressorn, axeln och huset vara mycket olika: till exempel, förutom de kanoniska enkla turboladdaren med kombinerad fast geometri på glidlager, är det möjligt att använda turbiner med variabel geometri , användningen av dubbla spiralkanaler för tillförsel av gaser till turbinen (den så kallade Twin-scroll ), användningen av dubbla kanaler för luftutloppet från kompressorn, separeringen av turbinen och kompressorn på ett betydande avstånd från varandra, användningen av keramiska rotorer, installation av en axel på rullager. Viktiga (även om de inte är särskilt deklarerade) kriterier för kraften och effektiviteten hos en turboladdare är ytterdiametrarna på dess turbin- och pumphjul (som grovt kan uppskattas visuellt av husets storlek), rotorhastigheten och mängden inneboende turbolag i alla turbiner utan undantag.
Turboladdaren arbetar alltid vid höga avgastemperaturer, och turboladdarens axellager är den mest termiskt belastade delen av motorn som kommer i kontakt med motorolja, vilket ställer särskilda krav både på produktionstekniken av delarna som utgör turboladdaren, och på kvaliteten på oljan och dess tillgång. Båda har länge varit en av de tekniska avskräckarna för varje massintroduktion av turboladdare på bensinmotorer.
Alla bensinmotorer med turboladdare är från början designade för överladdning. Användningen av en turboladdare på en bensinmotor, ursprungligen utformad som en atmosfärisk , är i princip möjlig utan förändringar, men kommer att leda till en snabb (om inte omedelbar) förstörelse av en sådan motor under drift. Behovet av konstant knackningskontroll kräver någon form av styrelektronik, vilket vanligtvis innebär ett motorkraftsystem baserat på elektronisk (eller åtminstone elektronisk-mekanisk) insprutning . Masstillverkade förgasade motorer med turboladdare var extremt sällsynta på grund av den överdrivna mekaniska komplexiteten i deras kraftsystem. Turboladdare används i stor utsträckning på dieselmotorer i kommersiella fordon - på motorer på lastbilar, traktorer, lok och fartyg. Här var de avgörande faktorerna den ökade knackningsmotståndet hos dieselmotorer och deras högre verkningsgrad, vilket innebär en lägre nivå av termisk strålning, relativt lite krävande för nyttofordonsmotorns effektivitet under transienta förhållanden och tillräckligt med utrymme i motorrummet.
Ett särdrag för driften av en turboladdare i jämförelse med andra trycksättningsenheter är att, när det gäller dess användning, överstiger trycksättningseffekten alltid energikostnaderna för trycksättning. Det vill säga, för alla motorer utrustade med turboladdare är det alltid möjligt att få en boostregim som boostar motorn så mycket att den förstör den. Kraften hos alla motorer med turboladdare begränsas till 100 % av själva motorns styrka, dess livslängd och inte av turboladdarens effektivitet. Behovet av att begränsa boosteffekten är anledningen till att turboladdaren aldrig används på motorer i sig själv, utan bara som en komplex del av turboladdningssystemet , där det är dess huvudelement, men inte det enda.
Sådan är överladdaren, vars design består av en kompressor och någon form av mekanisk drivning, genom vilken i sin tur driften av överladdaren säkerställs genom att använda kraften som tas emot från motorn, som är trycksatt. Det finns ingen enskild översikt över drivkompressorn. Baserat på principerna för driften av deras kompressor kan drivkompressorer vara volymetriska , det vill säga de utför trycksättning i impulsdelar av en viss fast volym, och dynamiska , det vill säga de utför trycksättning med ett kontinuerligt flöde. Gruppen av volymetriska kompressorer inkluderar sådana konstruktioner som: kam (amerikanska firmor Roots ( engelska ), Eaton ), skruv (amerikanska Lisholm , tyska Mercedes på 2000-talet), spiral (tysk G-Lader , använd på Volkswagen på 1990-talet), skovel (Brittisk PowerPlus- kompressor för förkrigstidens MG och Rolls-Royce Merlin ). Dynamiska drivkompressorer är bara kända av centrifugaltyp , de har vanligtvis inte sina egna namn, och deras design är mer eller mindre universell och liknar i allmänhet konstruktionen av någon kanonisk centrifugalkompressor. I båda fallen, oavsett typ av kompressor, är utformningen av dess mekaniska drivning inte av grundläggande betydelse för driften av kompressorn som helhet, med de enda egenskaperna att kompressordriften har ett ökande utväxlingsförhållande (i storleksordningen 0,15-0,08), och andra drivkonstruktioner låter dig slå på/stänga av kompressorn (inklusive den analoga principen) på kommando av föraren eller kontrollenheten. Drivningarna i sig är möjliga med mellanaxlar, kugghjul, kuggremmar, kedjor, en uppsättning trapetsformade remmar, såväl som direkta drivningar från vevaxelns eller kamaxelns ändar. Vid omkopplingsbar drivning används kopplingar av olika utföranden.
En egenskap hos driften av en drivkompressor i jämförelse med andra trycksättningsenheter är att motorn tvingas spendera en betydande del av sin så kallade indikatoreffekt på sin drivenhet . Detta leder till att alla motorer med drivna kompressorer har en hög specifik bränsleförbrukning , som kan vara flera gånger högre än den specifika bränsleförbrukningen för en naturligt sugmotor med jämförbar nettoeffekt . Vid höga motorvarvtal växer kraftförbrukningen för kompressordriften icke-linjärt i förhållande till ökningen av avkastningen från dess användning, vilket ytterligare ökar den specifika bränsleförbrukningen, och skillnaden mellan den indikerade effekten och nettoeffekten vid maximala lägen kan nå 50 % av nettot.
På grund av den relativt låga nivån av termisk stress under drift, är drivkompressorer relativt föga krävande vad gäller metallteknik och smörjmedelskvalitet, och en fungerande tillförlitlig överladdningsenhet baserad på en drivkompressor var tillgänglig för produktion nästan samtidigt med tillkomsten av masstillverkade bilar. Men på grund av kraven på precision i tillverkningen av delar var drivna kompressorer i alla fall dyra, och deras användning under första hälften av 1900-talet begränsades till exklusiva, pseudosport- eller racerbilar. Det andra användningsområdet för drivna överladdare var kolvflygplansmotorer, i vilka överladdning utformades för att kompensera för minskningen av atmosfärstrycket på höjden och den resulterande sällsyntheten av luften. Efter andra världskriget bytte flyget till turbojetmotorer, och konstruktörerna av bilmotorer tog vägen för naturligt aspirerad forcering, vilket resulterade i att drivkompressorer nästan glömdes bort, och bara amerikansk trimning eller några amerikanska och sällsynta europeiska modeller av vägbilar återstod. I början av 2000-talet började drivna kompressorer dyka upp på relativt dyra vägbilar som en del av kombinerade kompressoraggregat parade med en turboladdare. Sådana trycksättningssystem används än i dag, även om det på senare år har funnits en tendens att ersätta kombinerad överladdning med effektiv turboladdning i alla lägen baserad på turbiner med dubbelscroll eller variabel geometri, samt kombinerad överladdning från en turboladdare och en elektrisk kompressor. .
Specifik tillämpning på bilmotorerPå bensinmotorer av masstillverkade personbilar, i de fall där en överladdad motor utvecklas baserad på en drivkompressor, kommer en sådan kompressor alltid endast att vara en volymetrisk typ. Skälet till detta är den viktiga kvaliteten hos alla deplacementkompressorer , att deras prestanda alltid är linjärt beroende av rotorhastigheten. Det är därför motorer med deplacement överladdare är bekväma för föraren: de fungerar under övergående förhållanden inte värre än naturligt aspirerade (de har ingen fördröjning i att snurra upp motorn när gaspedalen trycks ned) och ökar vridmomentet över hela varvtalet räckvidd, vilket är fallet på en motor med deplacement överladdare särskilt märkbar på "botten". Deplacement superchargers har också den konstruktiva fördelen att deras användning inte kräver några extra kontrollelement (tryckavlastningsventiler, elektroniska styrenheter, extra sensorer), vilket, i avsaknad av elektroniska insprutningssystem, gjorde det enkelt att installera positiv deplacement superchargers på förgasaren motorer eller motorer med mekanisk insprutning. I moderna kombinerade överladdningssystem, vid användning av volymetriska överladdare, ansvarar de för överladdning vid låga motorvarvtal och deaktiveras av styrsystem när tillräckligt laddtryck uppnås av den parallella turboladdaren.
Centrifugalkompressorer kan också användas på bensinmotorer i personbilar. Men med tanke på det faktum att i alla centrifugalkompressorer beroendet av volymen pumpad luft på hastigheten inte är linjärt, görs drivkompressorer baserade på dem antingen för en kort tid anslutna (som amerikanska trimmaskiner) eller installerade på motorer för vilka effektiviteten i arbetet under övergående förhållanden och effektivitetsarbetet på botten inte är särskilt viktigt (till exempel bilar för racing på en kvarts mil). Samtidigt kan installationen av en plug-in-driven centrifugalöverladdare på en initialt naturligt sugmotor inte kräva modifieringar för överladdning, om motorns drifttid i överladdningsläge är begränsad. Och installationen av en ständigt arbetande driven centrifugalöverladdare, förutom modifieringar för överladdning, kan kräva närvaron av tryckavlastningsventiler (vilket inte är nödvändigt i fallet med överladdare med positiv deplacement). I alla fall är konventionella masstillverkade landsvägsbilar inte utrustade med drivna centrifugalkompressorer.
Både volymetriska och centrifugaldrivna överladdare kan användas inte bara på bensinmotorer i personbilar, utan också på bensin- och dieselmotorer av tung utrustning. Valet av en kompressor snarare än en mer lämplig turboladdare här beror förmodligen på applikationens särdrag. Ett exempel på det första fallet är den amerikanska Teledyne Continental AVSI-1790 tankbensinmotorn ; ett exempel på den andra är den sovjetiska/ryska tankdieselmotorn V-46 .
I modern massbyggande av fordonsmotorer försvinner användningen av drivkompressorer. Den främsta orsaken till detta är mekaniska drivförluster som resulterar i ökad bränsleförbrukning och ökade koldioxidutsläpp. En adekvat ersättning för volymdrivna kompressorer idag är turboladdare med turbiner med dubbelscroll och variabel geometri , samt användningen av elektriska kompressorer i kombinerade boostsystem, vilket i alla fall på något sätt hjälper till att lösa problemet med turbolag i transienta förhållanden och problemet låg verkningsgrad för konventionell turboladdning vid låga motorvarvtal.
Specifik tillämpning på tvåtaktsmotorerPå vissa typer av bensin- och diesel-tvåtaktsmotorer (med spaltventilspolning , med mötande kolvrörelse ), vars drift involverar relativt låga hastigheter, används lågtrycksdrivna överladdare som en integrerad del av hela strukturen för ändamålet av tömningscylindrar vid förbindelsen mellan två arbetscykler. I det sovjetiska ingenjörslexikonet hänvisades till sådana drivna kompressorer med termerna " blåsare " eller " avskiljningspump ". Laddtrycket de ger är vanligtvis i storleksordningen 0,1-0,2 bar. På höghastighetsmotorer med slitsrening (till exempel motorcyklar) används inte sådana fläktar / pumpar, och där rensas cylindrarna på andra sätt.
Fläktar/pumpar är kända för att utvecklas både på basis av volumetriska kompressorer och på basis av centrifugalkompressorer. Ett exempel på det första alternativet är de sovjetiska bildieselmotorerna YaAZ-204 och YaAZ-206 . Ett exempel på det andra alternativet är den sovjetiska / ukrainska tanken flerbränslemotor 5TDF . Samtidigt kan egenskapen hos centrifugalkompressorer att öka laddtrycket med en hastighetsökning också användas för att boosta motorn i höghastighetsläge. Närvaron av en fläkt / pump förnekar inte möjligheten att komplettera en sådan tvåtaktsmotor med en turboladdare, vars uppgift är att förstärka motorn i sin renaste form. Ett exempel på sådana motorer med och utan turboladdning kommer att vara strukturellt identiska lokdieselmotorer 10D100 och 2D100 hos diesellokomotiven TE10 och TE3 .
Funktionsprincipen för en elektrisk överladdare (elektriskt driven överladdare) är baserad på användningen av el från fordonets elnät ombord för att driva kompressorn. Den grundläggande designen är i allmänhet densamma - en höghastighets elektrisk motor och en centrifugalkompressor som är ansluten till den med en gemensam axel.
Sådana överladdare har blivit utbredda i bensinmotorer i bilar under de senaste åren, på grund av det omfattande införandet av elektriska nätverk ombord med en relativt hög spänning (~ 50V) och införandet av kraftfulla generatorer, batterier med stor kapacitet och kondensatorer i kraften enhet. I det här fallet är de elektriska kompressorerna bara en del av den övergripande boostenheten och kombineras med en turboladdare (en eller två) för att fungera tillsammans som en del av boostfunktionen. Införandet av en elektrisk överladdare här är vanligtvis begränsat till transienta driftlägen för själva motorn, och först och främst de där turboladdarens effektivitet är låg, till exempel motorns spin-up från tomgång. Elektriska överladdare används inte som en konstant boostkälla, på grund av betydande förluster för omvandlingen av den mekaniska energin från förbränningsmotorn till elektrisk energi för att driva elmotorn och igen till mekanisk energi för driften av kompressorn.