Нагнетатель: ременный ветер в цилиндрах

Нагнетателем называют механическое устройство, подающее сжатый воздух в цилиндры двигателя, тем самым повышая удельную мощность агрегата. В отличие от турбокомпрессора, приводимого горячими газами, нагнетатель получает энергию от коленвала через ременную, зубчатую или цепную передачу. В результате наполнение камер сгорания улучшается уже с низких оборотов, а отклик на педаль газа остаётся мгновенным.

Первичным прототипом стал Roots-бловер середины XIX века, служивший для вентиляции шахт. Инженеры быстро заметили потенциал конструкции для двигателей, и уже в двадцатых годах прошлого века нагнетатели украшали капоты автомобилей Mercedes-Benz с индекcом «Kompressor». С тех пор компоновка претерпела многократные улучшения, но базовая идея не изменилась: повышенное давление воздуха приводит к росту кислородной концентрации в камере сгорания и, как следствие, к увеличению крутящего момента.

Принцип работы

В основании конструкции — два или три ротора сложного профиля, вращающихся во взаимной синхронизации внутри алюминиевого корпуса. При вращении лопастей образуются карманы низкого давления, которые захватывают атмосферный воздух через дроссельный патрубок и продавливают его к выпускному коллектору, перекрытому обратным клапаном. Давление растёт линейно с частотой вращения, поэтому кривизна крыльев рассчитывается под конкретные обороты для избегания кавитации и детонации.

Смазка роторов организована отдельным картриджем, а уплотнения выполнены тефлоновыми кольцами, что снижает паразитные утечки. При проектировании я обращаю внимание на тепловое расширение корпуса: коэффициенты линейного удлинения алюминия и стали различаются, вследствие чего возможен перекос. Для компенсации применяются вставки из композитов со стеклянной микросферой.

Типы нагнетателей

Roots-агрегат отличается простотой и предсказуемой характеристикой. В применении требуются относительно крупные габариты, тишина работы далека от эталона, но мгновенный рост давления подчёркивает живой характер мотора. Screw-бловер (Lysholm) использует парные винтовые роторы с асимметричным профилем, обеспечивающим внутреннее сжатие и хороший КПД при компактных размерах. Centrifugal-вариант напоминает нагнетатель авиационного двигателя: импеллер на высоких оборотах создаёт высокоскоростной поток, который через диффузор переходит в давление.

Ременной привод не прощает перекосов шкивов. При сборке я проверяю совмещение лазерной линейкой с точностью десятой миллиметра. Натяжение задаётся динамометрическим ключом через винтовой эксцентрик. При превышении крутящего момента эластомерная муфта срезает штифты, спасая валик агрегата.

Теплообмен неизбежно поднимает температуру всасываемого заряда до 90–120 °C. Воздушно-жидкостный интеркулер снижает данный показатель на 40–60 °C, что дарит мотору плотный характер без риска калильного зажигания. Мой опыт показывает, что превышение 50 °К над температурой окружающей среды грозит отказом поршневых колец под длительной нагрузкой.

Профилактика и ресурс

Срок службы сдвоенных роликовых подшипников достигает 150 000 км при замене масла каждые 50 000 км. Использую синтетическое масло с кинематической вязкостью 46 сСт при 40 °C и индексом VI > 140. Заслушивание паразотного свиста через стетоскоп выдаёт износ лопастей: при зазоре свыше 0,15 мм воздушный поток срывается, а давление падает на 20 %.

Корпус нагнетателя нередко покрывают керамической термоупорной эмалью с коэффициентом излучения 0,78, сокращая тепловой мост к впускному коллектору. Поверхность роторов обрабатывается анодированием с последующим нанесением молибденового сухого смазочного слоя, что снижает коэффициент трения до 0,08.

Придорожной калибровке я пользуюсь датчиком относительного давления с частотой опроса 1 кГц и широкополосным лямбда-зондом. Карта впрыска корректируется с шагом 4 мс, а угол опережения зажигания сдвигается максимум на 15° при увеличении наддува до 0,8 бар. Такой подход обеспечивает устойчивое сгорание без детонации и без потери ресурса.

Инженеры экспериментируют с электроприводом нагнетателя, где керамоподшипники выдерживают 70 000 об/мин, а контроллер напряжения 48 В управляет моментом в замкнутом контуре. Быстрый отклик устраняет провал на низких оборотах, характерный для турбонаддува.

Высотные испытания показывают, что механический нагнетатель сохраняет близкое к номиналу давление вплоть до 3000 м над уровнем моря, тогда как атмосферный двигатель теряет примерно треть мощности. Поэтому спортивные команды раллийных гонок до сих пор уважают компрессорную схему.

В городской эксплуатации ключевым фактором остаётся экономичность. При выключенном нагнетателе посредством электромагнитной муфты сопротивление привода падает, и расход топлива сближается с атмосферным вариантом. При резком ускорении включение муфты и рост давления происходят за 0,3 с, что субъективно ощущается как гибридный подхват.

Существуют мифы о моментальном ресурсе поршней при установке компрессора. На практике грамотное управление смесью, температурой и зажиганием обеспечивает долговечность сравнимую с базовой, если удельное давление не превышает 1 бар и при этом степень сжатия снижена до 9,0:1.

В моей мастерской популярно сочетание компрессора с прямым впрыском воды-метанола. Раствор снижает энтальпию заряда и одновременно моет впускные каналы, устраняя гарь от рециркуляции выхлопных газов. Соотношение воды и спирта 50:50, расход 0,6 л на 100 км, температура впуска падает на 20 °К.