Нагнетатель

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Поиск источников:  «Supercharger»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( октябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Нагнетатель типа Рутса на двигателе AMC V8 для дрэг-рейсинга .

	Mercedes-Benz W25 1934 года 1934 Mercedes-Benz W25 с наддувом Straight-8 на фестивале скорости в Гудвуде 2009
Проблемы с воспроизведением этого файла? См. Справку по СМИ .

Нагнетатель представляет собой воздушный компрессор , который увеличивает давление или плотность воздуха , подаваемого к двигателю внутреннего сгорания . Это дает в каждый цикл впуска двигателя больше кислорода , позволяя ему сжигать больше топлива и выполнять больше работы , тем самым увеличивая выходную мощность.

Мощность для нагнетателя может подаваться механически с помощью ремня, шестерни, вала или цепи, соединенной с коленчатым валом двигателя .

Обычное использование ограничивает термин нагнетатель агрегатами с механическим приводом; когда мощность вместо этого обеспечивается турбиной, приводимой в действие выхлопными газами , нагнетатель известен как турбокомпрессор или просто турбо - или в прошлом турбокомпрессор . ^[1]

История [ править ]

В 1848 или 1849 году Дж. Джонс из Бирмингема, Англия, представил компрессор в стиле Рутса. ^[2]

В 1860 году братья Филандер и Фрэнсис Марион Рутс , основатели компании Roots Blower Company из Коннерсвилля, штат Индиана , запатентовали конструкцию пневмодвигателя для использования в доменных печах и других промышленных применениях.

Первый в мире функционального, на самом деле испытание ^[3] нагнетатель двигателя был сделан Даголдом Клерком , который использовал его в первом ^[4] двухтактном двигателе в 1878. Gottlieb Daimler получил немецкий патент на наддув двигателя внутреннего сгорания в 1885. ^{[ 5]} Луи Рено запатентовал центробежный нагнетатель во Франции в 1902 году. Ранний гоночный автомобиль с наддувом был построен Ли Чедвиком из Поттстауна, штат Пенсильвания, в 1908 году, который, как сообщается, достиг скорости 100 миль в час (160 км / ч).

Первыми в мире серийно выпускаемыми автомобилями ^[6] с нагнетателем были Mercedes 6/25/40 л.с. и Mercedes 10/40/65 л.с. Обе модели были представлены в 1921 году и имели нагнетатели Roots. Они были обозначены как модели « Kompressor » - происхождение значка Mercedes-Benz, которое продолжается и сегодня.

24 марта 1878 года Генрих Кригар из Германии получил патент № 4121, запатентовав первый в истории компрессор винтового типа. ^[7] Позже в том же году, 16 августа, он получил патент № 7116 после модификации и улучшения своих оригинальных конструкций. Его конструкции показывают сборку двухлепесткового ротора, каждый из которых имеет ту же форму, что и другой. Хотя конструкция напоминала компрессор в стиле Рутса, «винты» были четко показаны с поворотом на 180 градусов по длине. К сожалению, технологии того времени было недостаточно для производства такого агрегата, и Генрих не добился дальнейшего прогресса в создании винтового компрессора. Почти полвека спустя, в 1935 году, Альф Лисхольм, который работал на Ljungströms Ångturbin AB (позже известную как Svenska Rotor Maskiner AB или SRM в 1951 году), запатентовал конструкцию с пятью охватывающими и четырьмя охватывающими роторами. Он также запатентовал метод обработки роторов компрессора.

Типы нагнетателя [ править ]

Существует два основных типа нагнетателей, определяемых в зависимости от способа перекачки газа: объемные и динамические компрессоры. Воздуходувки и компрессоры прямого вытеснения обеспечивают почти постоянный уровень повышения давления на всех оборотах двигателя (об / мин). Динамические компрессоры не создают давление на низких скоростях; выше порогового значения скорость давления увеличивается экспоненциально. ^[8]

Положительное смещение [ править ]

Насосы прямого вытеснения доставляют почти фиксированный объем воздуха за один оборот на всех скоростях (за вычетом утечки, которая почти постоянна на всех скоростях при заданном давлении, поэтому ее важность уменьшается на более высоких скоростях).

Основные типы поршневых насосов:

• Корни
• Двухшнековый Lysholm
• Скользящая лопасть
• нагнетатель спирального типа , также известный как G-Lader

Тип сжатия [ править ]

Насосы прямого вытеснения подразделяются на типы внутреннего и внешнего сжатия.

Нагнетатели Рутса, включая нагнетатели Рутса с большой спиралью, производят внешнее сжатие.

• Внешнее сжатие относится к насосам, перекачивающим воздух при атмосферном давлении. Если двигатель, оборудованный нагнетателем, который производит внешнее сжатие, работает в условиях наддува, давление внутри нагнетателя остается на уровне давления окружающей среды; воздух находится под давлением только после нагнетателя. Нагнетатели Рутса, как правило, очень механически эффективны при перемещении воздуха при низких перепадах давления, тогда как при высоких соотношениях давления нагнетатели с внутренним сжатием имеют тенденцию быть более механически эффективными.

Все остальные типы имеют некоторую степень внутреннего сжатия.

• Внутреннее сжатие относится к сжатию воздуха внутри самого нагнетателя, которое уже на уровне наддува или близко к нему, может плавно доставляться к двигателю с небольшим обратным потоком или без него. В устройствах внутреннего сжатия обычно используется фиксированная степень внутреннего сжатия. Когда давление наддува равно давлению сжатия нагнетателя, обратный поток равен нулю. Если давление наддува превышает это давление сжатия, обратный поток все еще может происходить, как в воздуходувке Рутса. Степень внутреннего сжатия этого типа нагнетателя может быть согласована с ожидаемым давлением наддува, чтобы оптимизировать механический КПД.

Рейтинг емкости [ править ]

Нагнетатели прямого вытеснения обычно оцениваются по их мощности на оборот. В случае воздуходувки Рутса типовой рейтинг GMC . Типы GMC оцениваются в зависимости от того, сколько двухтактных цилиндров и размер этих цилиндров предназначены для продувки. GMC произвела 2–71, 3–71, 4–71 и знаменитые 6–71 воздуходувки. Например, воздуходувка 6–71 разработана для очистки шести цилиндров объемом 71 кубический дюйм (1163 куб. См) каждый и будет использоваться на двухтактном дизельном двигателе объемом 426 кубических дюймов (6 981 куб. См), который обозначается как 6–71; воздуходувка носит такое же обозначение. Однако, поскольку 6–71 на самом деле двигательобозначение, фактическое смещение меньше, чем предполагает простое умножение. 6–71 на самом деле перекачивает 339 кубических дюймов (5 555 куб. См) за оборот (но поскольку он вращается быстрее, чем двигатель, он может легко выдавать такой же рабочий объем, как и двигатель за один оборот двигателя).

Производные вторичного рынка продолжают тенденцию с 8–71 до нынешних 16–71 воздуходувок, используемых в различных автоспорте. Из этого видно, что 6–71 примерно в два раза больше, чем 3–71. GMC также произвела серию объемом 53 куб. См (869 куб. См) в размерах 2–, 3–, 4–, 6– и 8–53, а также серию «V71» для двигателей с V-образной конфигурацией.

Динамический [ править ]

Динамические компрессоры полагаются на ускорение воздуха до высокой скорости, а затем на обмен этой скорости на давление, рассеивая или замедляя его.

Основные типы динамического компрессора:

• Центробежный
• Многоступенчатый осевой поток

Волновой ротор [ править ]

• Нагнетатель волны давления

Типы приводов нагнетателя [ править ]

Далее нагнетатели определяются в соответствии с их методом привода.

• Ремень (клиновой ремень, синхронный ремень, плоский ремень)
• Прямой привод
• Зубчатая передача
• Цепной привод
• Регулируемое передаточное число, центробежное переменное передаточное число

Температурные эффекты и интеркулеры [ править ]

Одним из недостатков наддува является то, что сжатие воздуха увеличивает его температуру. Когда в двигателе внутреннего сгорания используется нагнетатель, температура топливно-воздушного заряда становится основным ограничивающим фактором в работе двигателя. Экстремальные температуры вызовут детонацию топливно-воздушной смеси (двигатели с искровым зажиганием) и повреждение двигателя. В автомобилях это может вызвать проблемы, когда на улице жаркий день или когда достигается чрезмерный уровень наддува.

Повышение температуры в нагнетателе можно оценить, смоделировав его как изоэнтропический процесс .

${\ displaystyle {\ frac {T_ {2}} {T_ {1}}}}$

${\ Displaystyle = \, \!}$

${\ displaystyle \ left ({\ frac {p_ {2}} {p_ {1}}} \ right) ^ {\ frac {\ gamma -1} {\ gamma}}}$

Где:

${\ Displaystyle T_ {1} \, \!}$ = температура окружающего воздуха (абсолютная)

${\ Displaystyle T_ {2} \, \!}$ = температура после компрессора (абсолютная)

${\ Displaystyle p_ {1} \, \!}$ = окружающее атмосферное давление (абсолютное)

${\displaystyle p_{2}\,\!}$ = давление после компрессора (абсолютное)

${\displaystyle \gamma \,\!}$= Коэффициент удельной теплоемкости = 1,4 для воздуха${\displaystyle C_{p}/C_{v}\,\!}$

${\displaystyle C_{p}\,\!}$ = Удельная теплоемкость при постоянном давлении

${\displaystyle C_{v}\,\!}$ = Удельная теплоемкость при постоянном объеме

Например, если двигатель с наддувом нагнетает давление наддува 10 фунтов на квадратный дюйм (0,69 бар) на уровне моря (давление окружающей среды 14,7 фунтов на квадратный дюйм (1,01 бар), температура окружающей среды 75 ° F (24 ° C)), температура воздуха после нагнетатель будет 160,5 ° F (71,4 ° C). Эта температура известна как температура нагнетания компрессора (CDT) и подчеркивает, почему метод охлаждения воздуха после компрессора так важен.

Примечание: в приведенном выше примере давление окружающего воздуха (1,01 бар) добавляется к наддува (0,69 бар), чтобы получить общее давление (1,70 бар), которое является значением, используемым в уравнении. Температуры должны быть в абсолютных значениях с использованием шкалы Кельвина, которая начинается с абсолютного нуля (0 Кельвина) и где 0 ° C составляет 273,15 К. Единица измерения Кельвина имеет тот же размер, что и градус Цельсия (поэтому 24 ° C добавляется к абсолютному значению. ноль просто 273,15 К + 24 К).${\displaystyle p_{2}\,\!}$

Значит,

${\displaystyle p_{2}\,\!}$ = 1,70 бар (24,7 фунтов на кв. Дюйм = [14,7 фунтов на кв. Дюйм + 10 фунтов на кв. Дюйм]; или 1,70 бар = [1,01 бар + 0,69 бар])

${\displaystyle p_{1}\,\!}$ = 1,01 бар

${\displaystyle T_{1}\,\!}$ = 297,15 К (24 К + 273,15 К; используйте шкалу Кельвина, где 0 ° C равняется 273,15 Кельвина)

показатель степени становится 0,286 (или 1,4-1 / [ 1,4]),

В результате чего:

${\displaystyle T_{2}\,\!}$ = 344,81 К, что составляет примерно 71,7 ° C [344,81 K - 273,15 (поскольку 273,15 K составляет 0 ° C)]

Где 71,7 ° C превышает 160 ° F.

Хотя верно то, что более высокие температуры всасывания для двигателей внутреннего сгорания будут поглощать воздух меньшей плотности, это справедливо только для статического, неизменного давления воздуха. то есть в жаркий день двигатель потребляет меньше кислорода за цикл двигателя, чем в холодный день. Однако нагрев воздуха в компрессоре нагнетателя не снижает плотность воздуха из-за повышения его температуры. Повышение температуры происходит из-за повышения давления. Энергия добавляется к воздуху, и это видно как по его внутренней энергии, внутренней по отношению к молекулам (температуре), так и по статическому давлению воздуха, а также по скорости газа.

Переохлаждение не влияет на плотность воздуха после его сжатия. Это только удаление тепловой энергии воздуха из процесса сжатия. то есть промежуточный охладитель только удаляет энергию, вложенную в процесс сжатия, и не изменяет плотность воздуха, так что смесь воздух / топливо не настолько горячая, чтобы вызвать ее воспламенение до того, как искра воспламенит ее, иначе известная как предварительное зажигание.

Двухтактные двигатели [ править ]

В двухтактных двигателях , поглощающий требуются для продувки выхлопных газов, а также заряжать баллоны для следующего рабочего хода. В небольших двигателях это требование обычно достигается за счет использования картера в качестве нагнетателя; опускающийся поршень во время рабочего такта сжимает воздух в картере, используемый для продувки цилиндра. Не следует путать продувку продувкой с наддувом, поскольку сжатия заряда не происходит. Поскольку изменение объема, производимое нижней стороной поршня, такое же, как и на верхней поверхности, это ограничивается продувкой и не может обеспечить какой-либо наддув.

В более крупных двигателях обычно используется отдельный нагнетатель для продувки, и именно для этого типа работы использовался нагнетатель Рутса. Исторически использовалось множество конструкций нагнетателей, от отдельных насосных цилиндров, поршней с цилиндрической головкой, объединяющих два поршня разного диаметра, больший из которых использовался для продувки, различных роторных нагнетателей и центробежных турбокомпрессоров, включая турбокомпрессоры. Турбонаддув двухтактных двигателей затруднен, но не невозможен, поскольку турбонагнетатель не обеспечивает никакого наддува, пока не успеет набрать обороты. Таким образом, двухтактные двигатели с чисто турбонаддувом могут испытывать трудности при запуске из-за плохого сгорания и грязных выхлопных газов, возможно, даже четырехтактных . Некоторые двухтактные турбокомпрессоры, особенно те, которые используются на электромоторных дизельных двигателях.Двигатели локомотивов механически приводятся в действие на более низких оборотах двигателя через обгонную муфту для обеспечения достаточного количества продувочного воздуха. По мере увеличения числа оборотов двигателя и объема выхлопных газов турбокомпрессор больше не зависит от механического привода и выключения обгонной муфты.

Двухтактные двигатели требуют продувки на всех оборотах двигателя, поэтому двухтактные двигатели с турбонаддувом должны по-прежнему использовать нагнетатель, обычно типа Рутса. Этот нагнетатель может иметь механический или электрический привод, в любом случае нагнетатель может отключаться после того, как турбонагнетатель начинает подавать воздух.

Автомобили [ править ]

В 1900 году Готлиб Даймлер из Daimler-Benz ( Daimler AG ) первым запатентовал систему принудительной индукции для двигателей внутреннего сгорания, нагнетатели, основанные на конструкции двухроторного воздушного насоса, впервые запатентованной американцем Фрэнсисом Марион Рутсом. в 1860 г. - базовая конструкция современного нагнетателя типа Рутса .

Первые автомобили с наддувом были введены в 1921 Берлин автосалоне : 6/20 л.с. и 10/35 л.с. Mercedes . Эти автомобили были запущены в производство в 1923 году как модели мощностью 6/25/40 л.с. (считались первым дорожным автомобилем с наддувом ^[9] ) и 10/40/65 л.с. ^[10] Это были нормальные дорожные автомобили и другие автомобили с наддувом в то же время были почти все гоночные автомобили, в том числе 1923 Fiat 805-405, 1923 Миллер 122 ^[11] 1924 Alfa Romeo P2 , 1924 Sunbeam , ^[12] 1925 Delage , ^{[ 13]} и Bugatti Type 35C 1926 года выпуска . В конце 1920-х гг.Bentley сделал версию дорожного автомобиля Bentley объемом 4½ литра с наддувом . С тех пор нагнетатели (и турбокомпрессоры) широко применяются в гоночных и серийных автомобилях, хотя технологическая сложность и стоимость нагнетателя в значительной степени ограничивают его доступностью для дорогих высокопроизводительных автомобилей.

Наддув против турбонаддува [ править ]

Охлаждение поступающего в двигатель воздуха является важной частью конструкции как нагнетателей, так и турбонагнетателей. Сжатие воздуха увеличивает его температуру, поэтому обычно используется небольшой радиатор, называемый промежуточным охладителем, между насосом и двигателем, чтобы снизить температуру воздуха.

Существует три основных категории нагнетателей для автомобильного использования:

• Центробежные турбокомпрессоры - с приводом от выхлопных газов.
• Центробежные нагнетатели - приводятся в действие напрямую от двигателя через ременную передачу.
• Насосы прямого вытеснения, такие как нагнетатели Рутса , двухвинтовые (Lysholm) и TVS ( Eaton ).

Воздуходувки Рутса обычно имеют КПД только 40–50% при высоких уровнях наддува; Напротив, центробежные (динамические) нагнетатели имеют КПД 70–85% при высоком наддуве. Воздуходувки типа Lysholm могут быть почти такими же эффективными, как и их центробежные аналоги, в узком диапазоне нагрузки / скорости / наддува, для которого система должна быть специально разработана.

Нагнетатели с механическим приводом могут поглощать до трети всей мощности коленчатого вала двигателя и менее эффективны, чем турбокомпрессоры. Однако в приложениях, для которых реакция двигателя и мощность более важны, чем другие соображения, например, в драгстерах с верхним топливом и транспортных средствах, используемых в соревнованиях по тяге тракторов , нагнетатели с механическим приводом очень распространены.

Тепловой коэффициент полезного действия , или часть энергии топлива / воздуха , который преобразуется в выходной мощности, меньше с механическим приводом нагнетателя , чем с турбокомпрессором, потому что турбокомпрессоров использовать энергию из отходящего газа , которые обычно впустую. По этой причине и экономичность, и мощность двигателя с турбонаддувом обычно лучше, чем с нагнетателем.

Турбокомпрессоры страдают (в большей или меньшей степени) от так называемого турбо-золотника (турбо-задержка; точнее, задержка наддува), при котором начальное ускорение с низких оборотов ограничивается отсутствием достаточного массового расхода (давления) выхлопных газов . Как только число оборотов двигателя становится достаточным для увеличения числа оборотов турбины до расчетного рабочего диапазона, происходит быстрое увеличение мощности, поскольку более высокий турбонаддув вызывает большее производство выхлопных газов, что приводит к более быстрому вращению турбонагнетателя, что приводит к запоздалому "всплеску" ускорение. Это значительно усложняет поддержание плавного увеличения числа оборотов с турбокомпрессорами, чем с нагнетателями с приводом от двигателя, которые применяют наддув прямо пропорционально числу оборотов двигателя. Главное преимущество двигателя с механическим нагнетателем - лучшая дроссельная заслонка.отклик, а также возможность мгновенно достичь полного давления наддува. Благодаря новейшей технологии турбонаддува и непосредственному впрыску бензина, реакция дроссельной заслонки на автомобилях с турбонаддувом почти такая же хорошая, как и у нагнетателей с механическим приводом, но существующее время задержки по-прежнему считается серьезным недостатком, особенно с учетом того, что подавляющее большинство нагнетателей с механическим приводом теперь приводятся в движение. от сцепленных шкивов, очень похоже на воздушный компрессор.

Турбонаддув был более популярен среди автопроизводителей, чем нагнетатели, благодаря большей мощности и эффективности. Например, Mercedes-Benz и Mercedes-AMG ранее предлагали "Kompressor" в начале 2000-х годов, такие как C230K, C32 AMG и S55 AMG, но они отказались от этой технологии в пользу двигателей с турбонаддувом, выпущенных примерно в 2010 году, таких как C250. и S65 AMG Biturbo. Тем не менее, Audi представила свой 3.0 TFSI V6 с наддувом в 2009 году для своих A6, S4 и Q7, в то время как Jaguar имеет свой двигатель V8 с наддувом, доступный в качестве опции производительности для XJ, XF, XKR и F-Type, а также собственность Tata motors, а также Range Rover.

Twincharging [ править ]

На чемпионатах мира по ралли 1985 и 1986 годов Lancia использовала модель Delta S4 , которая включала в себя как нагнетатель с ременным приводом, так и турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов. В конструкции использовалась сложная серия перепускных клапанов в впускной и выпускной системах, а также электромагнитная муфта, так что на низких оборотах двигателя наддув производился от нагнетателя. В середине диапазона оборотов наддув производился обеими системами, в то время как на самых высоких оборотах система отключала привод от нагнетателя и изолировала соответствующий воздуховод. ^[14]Это было сделано в попытке использовать преимущества каждой из систем зарядки при устранении недостатков. В свою очередь, такой подход усложнил и повлиял на надежность автомобиля в соревнованиях WRC, а также увеличил вес вспомогательных агрегатов двигателя в готовой конструкции.

Двигатель Volkswagen TSI (или Twincharger ) представляет собой 1,4-литровый двигатель с прямым впрыском, который также использует как нагнетатель, так и турбонагнетатель. Volvo предлагает 2,0-литровый двигатель с нагнетателем и турбонагнетателем для гибридных моделей, таких как S60 , XC60 и XC90 .

Самолет [ править ]

Эффекты высоты [ править ]

Нагнетатели - естественное дополнение к поршневым двигателям самолетов , предназначенным для работы на больших высотах. По мере того как самолет набирает большую высоту, давление и плотность воздуха снижаются. Мощность поршневого двигателя падает из-за уменьшения массы воздуха, который может быть втянут в двигатель. Так , например, плотность воздуха при 30000 футов (9100 м) составляет ¹ / ₃ того , что на уровне моря , таким образом , только ¹ / ₃ от количества воздуха , может быть обращена в цилиндр, с достаточным количеством кислорода , чтобы обеспечить эффективное сгорание для только треть топлива. Так, при 30000 футов (9100 м), только ¹ / ₃топлива, сгоревшего на уровне моря, можно сжечь. ^[15] (Преимущество пониженной плотности воздуха состоит в том, что на планер приходится только около 1/3 аэродинамического сопротивления . Кроме того, снижается противодавление выхлопных газов. ^[16] С другой стороны, требуется больше энергии. расходуется на удержание самолета с меньшим количеством воздуха для создания подъемной силы.)

Нагнетатель можно рассматривать как искусственное увеличение плотности воздуха путем его сжатия или как нагнетание большего количества воздуха, чем обычно, в цилиндр каждый раз, когда поршень движется вниз на такте впуска. ^[15]

Нагнетатель сжимает воздух обратно до давления, эквивалентного уровню моря, или даже намного выше, чтобы двигатель вырабатывал такую ​​же мощность на крейсерской высоте, как и на уровне моря. Благодаря уменьшенному аэродинамическому сопротивлению на большой высоте и номинальной мощности двигателя, самолет с наддувом может летать на высоте намного быстрее, чем безнаддувный. Пилот управляет мощностью нагнетателя с помощью дроссельной заслонки и косвенно через регулятор гребного винта. Поскольку размер нагнетателя выбран для создания заданного давления на большой высоте, размер нагнетателя слишком велик для малых высот. Пилот должен быть осторожен с дроссельной заслонкой и следить за манометром в коллекторе, чтобы избежать избыточного наддува на малой высоте. Когда самолет набирает высоту и плотность воздуха падает,пилот должен постоянно открывать дроссельную заслонку небольшими приращениями, чтобы поддерживать полную мощность. Высота, на которой дроссельная заслонка полностью открывается, а двигатель все еще вырабатывает полную номинальную мощность, известна каккритическая высота. Выше критической высоты выходная мощность двигателя начнет падать по мере того, как самолет продолжает набирать высоту.

Влияние температуры [ править ]

Как обсуждалось выше, наддув может вызвать скачок температуры, а экстремальные температуры вызовут детонацию топливно-воздушной смеси и повреждение двигателя. В случае с самолетом это вызывает проблемы на малых высотах, где воздух и плотнее, и теплее, чем на больших высотах. При высокой температуре окружающего воздуха может начаться детонация, когда манометр в коллекторе показывает намного ниже красной линии.

Нагнетатель, оптимизированный для работы на больших высотах, вызывает противоположную проблему на стороне впуска системы. Когда дроссельная заслонка установлена ​​с задержкой, чтобы избежать избыточного наддува, температура воздуха в карбюраторе может упасть настолько низко, что на дроссельной заслонке может образоваться лед. Таким образом, может накопиться достаточно льда, чтобы вызвать отказ двигателя, даже если двигатель работает на полную номинальную мощность. По этой причине многие самолеты с наддувом оснащены датчиком температуры воздуха в карбюраторе или сигнальной лампой, предупреждающей пилота о возможных условиях обледенения.

Было разработано несколько решений этих проблем: промежуточные охладители и промежуточные охладители, впрыск антидетонатора , двухскоростные нагнетатели и двухступенчатые нагнетатели.

Двухскоростной и двухступенчатый нагнетатели [ править ]

В 1930-х годах были разработаны двухскоростные приводы для нагнетателей авиационных двигателей, обеспечивающие более гибкую эксплуатацию самолетов. Такое расположение также повлекло за собой большую сложность изготовления и обслуживания. Шестерни соединяли нагнетатель с двигателем с помощью системы гидравлических муфт, которые первоначально включались или выключались вручную пилотом с управлением в кабине. На малых высотах будет использоваться тихоходная передача, чтобы поддерживать низкие температуры коллектора. На высоте около 12 000 футов (3700 м), когда дроссель был полностью выдвинут вперед и давление в коллекторе начинало падать, пилот задерживал дроссель и переключался на более высокую передачу, а затем повторно настраивал дроссель до желаемого давления в коллекторе. Более поздние установки автоматизировали переключение передач по атмосферному давлению.

В битве за Британию самолеты Spitfire и Hurricane с двигателем Rolls-Royce Merlin были оснащены в основном одноступенчатыми и односкоростными нагнетателями. ^[17] Стэнли Хукер из Rolls Royce , чтобы улучшить характеристики двигателя Merlin, разработал двухступенчатый двухступенчатый наддув с промежуточным охлаждением с успешным применением на авиадвигателе Rolls Royce Merlin 61 в 1942 году. Мощность и производительность были увеличены. на всех высотах. Разработки Хукера позволили самолету, на котором они были установлены, сохранить решающее преимущество перед немецкими самолетами, против которых они выступали на протяжении Второй мировой войны, несмотря на то, что немецкие двигатели были значительно больше по водоизмещению. ^[18][17] Двухступенчатые нагнетатели всегда были двухскоростными. После сжатия воздуха на ступени низкого давления воздух проходил черезрадиатор промежуточного охладителя, где он охлаждался перед повторным сжатием ступенью высокого давления, а затем, возможно, также охладился в другом теплообменнике . Двухступенчатые компрессоры обеспечивали значительно улучшенные характеристики на большой высоте, примером чему служат Rolls-Royce Merlin 61 с двигателем Supermarine Spitfire Mk IX и North American Mustang .

В некоторых двухступенчатых системах заслонки заслонки открываются или закрываются пилотом, чтобы при необходимости обойти одну ступень. В некоторых системах было управление из кабины для открытия или закрытия заслонки промежуточного / промежуточного охладителя, что давало еще один способ управления температурой. Двигатели Rolls-Royce Merlin имели полностью автоматизированное управление наддувом, и все, что нужно было сделать пилоту, - это увеличить дроссельную заслонку с помощью системы управления, ограничивая наддув по мере необходимости, пока не будет достигнута максимальная высота.

Турбонаддув [ править ]

Нагнетатель с механическим приводом должен получать мощность привода от двигателя. Взяв, например, одноступенчатый односкоростной двигатель с наддувом, такой как ранний Rolls-Royce Merlin , нагнетатель потребляет около 150  л.с. (110  кВт ). Без нагнетателя двигатель мог бы производить около 750 лошадиных сил (560 киловатт ), но с нагнетателем он вырабатывал около 1000 л.с. (750 кВт), то есть примерно на 400 л.с. (750-150 + 400 = 1000 л.с.), или чистый прирост 250 л.с. (190 кВт). Именно здесь становится очевидным главный недостаток нагнетателя. Двигатель должен сжигать дополнительное топливо, чтобы обеспечить мощность для привода нагнетателя. Повышенная плотность воздуха во время входного цикла увеличиваетудельная мощность двигателя и его отношение мощности к массе , но за счет увеличения потребления конкретного вида топлива двигателя. Помимо увеличения стоимости эксплуатации самолета, нагнетатель может уменьшить общий запас хода при определенной топливной нагрузке.

В отличие от нагнетателя, приводимого в действие самим двигателем, турбонагнетатель приводится в действие с использованием отработанных выхлопных газов двигателя. Количество мощности в газе пропорционально разнице между давлением выхлопных газов и давлением воздуха, и эта разница увеличивается с высотой, помогая двигателю с турбонаддувом компенсировать изменение высоты. Это увеличивает высоту, на которой достигается максимальная выходная мощность двигателя по сравнению с наддувом наддува, и позволяет снизить расход топлива на большой высоте по сравнению с эквивалентным двигателем с наддувом. Это способствует увеличению истинной воздушной скорости на большой высоте и дает больший рабочий диапазон, чем эквивалентный форсированный двигатель с нагнетателем.

В большинстве авиадвигателей, использовавшихся во время Второй мировой войны, использовались нагнетатели с механическим приводом, поскольку они имели значительные производственные преимущества перед турбокомпрессорами. Однако преимущество дальности действия было уделено гораздо более высокому приоритету американским самолетам из-за менее предсказуемых требований к дальности действия и необходимости лететь 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 трубопроводов из дорогих жаропрочных металлических сплавов в газовой турбине.и предтурбинную секцию выхлопной системы. Один только размер воздуховода был серьезным соображением 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 каналов к турбонагнетателю и от него в задней части. самолет. В F4U использовался двухступенчатый нагнетатель с промежуточным охлаждением с более компактной компоновкой. Тем не менее, турбокомпрессоры были полезны в высотных бомбардировщиках и некоторых истребителях из-за повышенных высотных характеристик и дальности полета.

Поршневые двигатели с турбонаддувом также подлежат многим из тех же эксплуатационных ограничений, что и газотурбинные двигатели. Двигатели с турбонаддувом также требуют частых проверок их турбонагнетателей и выхлопных систем на предмет возможных повреждений, вызванных чрезмерным нагревом и давлением турбокомпрессоров. Такие повреждения были серьезной проблемой в ранних моделях американских высотных бомбардировщиков Boeing B-29 Superfortress, которые использовались на Тихоокеанском театре военных действий в 1944–45.

Поршневые двигатели с турбонаддувом продолжали использоваться на большом количестве послевоенных самолетов, таких как B-50 Superfortress , KC-97 Stratofreighter , Boeing Stratoliner , Lockheed Constellation и C-124 Globemaster II .

В последнее время большинство авиационных двигателей для авиации общего назначения (легкие самолеты) являются безнаддувными , но меньшее количество современных авиационных поршневых двигателей, предназначенных для работы на больших высотах, используют системы турбонаддува или турбонормализатора вместо нагнетателя, приводимого в действие коленчатыми валами. Изменение мышления во многом связано с экономикой. Когда-то авиационный бензин был в изобилии и дешев, в пользу простого, но прожорливого нагнетателя. По мере роста стоимости топлива обычный нагнетатель вышел из моды. Кроме того, в зависимости от того, какой фактор денежной инфляции используется, затраты на топливо не уменьшаются так быстро, как затраты на производство и техническое обслуживание.

Влияние октанового числа топлива [ править ]

До конца 1920-х годов все автомобильное и авиационное топливо обычно имело октановое число 87 или меньше. Это рейтинг, который был достигнут простой перегонкой «легкой сырой» нефти. Двигатели со всего мира были разработаны для работы с этим сортом топлива, что устанавливало ограничение на величину наддува, которую мог обеспечить нагнетатель при сохранении разумной степени сжатия.

Повышение октанового числа с помощью добавок, таких как тетраэтилсвинец , было направлением исследований в то время. Используя эти методы, из менее ценной сырой нефти можно было бы по-прежнему поставлять большие количества полезного бензина, что делало это ценным экономическим процессом. Однако добавки не ограничивались превращением некачественного масла в 87-октановый бензин; те же добавки можно было бы использовать для повышения октанового числа бензина до гораздо более высокого октанового числа.

Топливо с более высоким октановым числом противостоит самовоспламенению и детонации лучше, чем топливо с низким октановым числом. В результате количество наддува, обеспечиваемое нагнетателями, может быть увеличено, что приведет к увеличению мощности двигателя. Разработка 100-октанового авиационного топлива, впервые начатая в США перед войной, позволила использовать более высокие давления наддува в высокоэффективных авиационных двигателях и использовалась для получения чрезвычайно высокой выходной мощности - на короткие периоды - в нескольких самолетов довоенного рекорда скорости. Эксплуатационное использование нового топлива во время Второй мировой войны началось в начале 1940 года, когда 100-октановое топливо было доставлено британским Королевским военно-воздушным силам с нефтеперерабатывающих заводов в Америке и Ост-Индии. ^[19] Немецкие Люфтваффетакже были запасы аналогичного топлива. ^{[20] [21]}

Повышение предела детонации существующих авиационных топлив стало основным направлением развития авиационных двигателей во время Второй мировой войны. К концу войны топливо доставлялось с номинальным октановым числом 150, что соответствовало развитию авиационных двигателей последних лет, таких как Rolls-Royce Merlin 66 ^{[22] [23]} или Daimler-Benz DB 605 DC. как 2000 л.с. (1500 кВт). ^{[24] [25]}

См. Также [ править ]

• Турбонагнетатель с изменяемой геометрией
• Турбо-дизель
• Датчик наддува
• История двигателя внутреннего сгорания
• Реактивный двигатель
• Безнаддувный двигатель
• Рам-воздухозаборник
• Турбовентиляторный
• Турбореактивный
• Twincharger

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

• Белый, Грэм. Поршневые двигатели самолетов союзников Второй мировой войны: история и развитие фронтовых поршневых двигателей самолетов, произведенных Великобританией и США во время Второй мировой войны . Уоррендейл, Пенсильвания: Общество автомобильных инженеров, Инк .; Шрусбери, Англия: Эйрлайф Паблишинг Лтд .; 1995. ISBN 1-56091-655-9 , ISBN 1-85310-734-4 .  

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме нагнетателей .

• Как работают нагнетатели , Билл Харрис, HowStuffWorks.com.
• Винтажные нагнетатели (через archive.org)
• Он запрягал торнадо и разработал современный нагнетатель для самолета , большая статья из журнала Popular Science , июнь 1941 года.
• История винтовых компрессоров Whipple Supercharger.
• Статья о полете 1943 года "Разработка авиационного нагнетателя".