Un supraalimentator ( eng. Supercharger ) este o unitate mecanică care comprimă gazul (mai mult de 15 kPa) fără să-l răcească. Compresoarele, spre deosebire de supraalimentare, răcesc gazul. Ventilatoarele, ca și supraalimentatoarele, nu răcesc gazul, ci creează o presiune mai mică de 15 kPa. [unu]
Folosit opțional la motoarele cu combustie internă și cu piston rotativ (denumite în continuare motoare cu ardere internă). Funcționează datorită energiei primite în timpul funcționării motorului cu ardere internă în sine și efectuează presurizarea, adică injectarea forțată a aerului în motorul cu ardere internă în scopul forțării sau (în unele cazuri) purjării în toate modurile.
Supraalimentatorul poate fi utilizat pe motoarele cu piston și cu piston rotativ care funcționează pe orice ciclu termodinamic și cu orice număr de cicluri . Pentru majoritatea tipurilor de astfel de motoare cu ardere internă, compresorul este un element de proiectare opțional care nu afectează posibilitatea fundamentală de funcționare a motorului cu ardere internă în sine. Sarcina principală a supraalimentatorului aici este presurizarea pentru a crește puterea. Prin supraalimentare se înțelege, în primul rând, injectarea forțată a aerului în motorul cu ardere internă cu o presiune peste nivelul atmosferic actual, conducând la o creștere a densității și a masei aerului în camera de ardere înainte de cursa de putere, ceea ce, la rândul său, conform regulii amestecului combustibil stoechiometric pentru un anumit tip de motor, permite arderea mai multă combustibil, ceea ce înseamnă mai mult cuplu (și, respectiv, putere) la orice turație a arborelui cotit/rotor comparabilă cu un motor aspirat natural. În cadrul acestei sarcini, supraalimentarea cu un supraalimentare este doar una dintre metodele posibile pentru creșterea și/sau creșterea eficienței, iar prezența sau absența unui compresor este determinată numai de obiectivele și bugetul dezvoltatorilor unui anumit motor. O excepție de la această regulă este doar unele tipuri de motoare cu ardere internă cu piston în doi timpi, în care compresorul îndeplinește în primul rând sarcina de purjare forțată a cilindrilor la joncțiunea a două timpi de lucru și este aproape întotdeauna prezent în sistemul de admisie al unui astfel de motor cu combustie interna.
Absența unui compresor în GTEÎn motoarele cu combustie internă cu turbine cu gaz , supraalimentatorul este în mod oficial absent. Compresorul, care face parte din orice motor cu ardere internă cu turbină cu gaz, este un element structural absolut integral care oferă posibilitatea fundamentală de a funcționa un astfel de motor cu ardere internă, iar un astfel de compresor nu este numit supraalimentare în lexicul de inginerie în limba rusă, deşi îndeplineşte funcţia de injectare forţată a aerului.
Tipuri de supraalimentatoare în funcție de puterea lorSupraalimentatorul funcționează datorită unuia sau altui tip de energie primită de la motorul cu ardere internă însuși, fie direct, fie indirect. Este posibil să se utilizeze energia gazelor de eșapament, energia mecanică de rotație a arborilor motorului cu ardere internă și energia electrică. În funcție de energia sa, designul supraalimentatorului are propriile caracteristici tehnice și propriul nume. Supracompresoarele alimentate de energia gazelor de eșapament se numesc turbocompresoare, de la o acționare mecanică - supraalimentatoare. Există, de asemenea, supraîncărcătoare alimentate cu energie electrică, dar încă nu există un termen rusesc stabilit pentru descrierea lor și pot fi numite atât supraîncărcătoare electrice, cât și supraîncărcătoare cu acționare electrică.
Sensul termenilor „supercharger” și „compresor”Un element important al supraalimentatorului este compresorul de aer , care este prezent în designul absolut al oricărui compresor, indiferent de puterea sa. În acest context de amplificare agregată , ambii termeni - atât supercharger, cât și compresor - sunt folosiți pe picior de egalitate, inclusiv ca parte a cuvintelor compuse, cum ar fi turbocharger / turbocharger, care pot pune întrebări celor neinițiați în subiectul despre nuanțele semantice ale termeni. Trebuie înțeles că din punct de vedere al semanticii , termenul „supercharger” implică funcția întregii unități în ansamblu, iar „compresor” este denumirea mașinii de putere și unitatea principală de acționare a absolut orice compresor. În limba rusă, utilizarea egală a ambilor termeni în legătură cu supraalimentarea este de fapt permisă, iar ambele cuvinte, atât în formă simplă, cât și în formă compusă, în acest caz pot fi considerate sinonime.
În teoria mașinilor cu lame, termenii „supercharger” și „compresor” nu sunt identici. De obicei, mașinile cu lame care măresc presiunea debitului cu cel mult 10% sunt denumite ventilatoare; cu 20...25% - la supraalimentare; presiuni mari corespund compresoarelor. În viața de zi cu zi, ansamblul compresorului este adesea denumit „turbină”, deși într-un compresor de antrenare nu există deloc turbină, iar într-o turbină cu gaz este doar o unitate de supraalimentare / compresor.
Acesta este supraalimentatorul, al cărui design include o turbină în miniatură , iar principiul de funcționare se bazează pe utilizarea energiei fluxului de gaz de eșapament al motorului însuși, care este supraalimentat. Gazele de eșapament, care acționează asupra turbinei, situate în sistemul de evacuare imediat în spatele galeriei de evacuare, o rotesc și transferă energie de rotație către compresor. Designul fundamental al fiecăruia dintre cele două actuatoare de turbocompresor este în general identic pentru orice dezvoltare adusă în stadiul unei unități de lucru și implică o turbină radială cu un singur circuit și un compresor centrifugal . În același timp, designul real al turbinei, compresorului, arborelui și carcasei poate fi foarte diferit: de exemplu, pe lângă turbocompresoarele canonice simple combinate cu geometrie fixă pe lagăre albe, este posibil să se utilizeze turbine cu geometrie variabilă , utilizarea de canale spiralate duble pentru alimentarea cu gaze a turbinei (așa-numitele Twin-scroll ), utilizarea de canale duble pentru evacuarea aerului din compresor, separarea turbinei și compresorului la o distanță semnificativă unul de celălalt, utilizarea a rotoarelor ceramice, montarea unui arbore pe rulmenți. Criteriile importante (deși nu sunt declarate în mod deosebit) pentru puterea și eficiența unui turbocompresor sunt diametrele exterioare ale turbinei și roților pompei sale (care pot fi estimate vizual aproximativ după dimensiunea carcasei), viteza rotorului și cantitatea de turbolag inerent. în toate turbinele fără excepţie.
Turbocompresorul funcționează întotdeauna la temperaturi ridicate ale gazelor de eșapament, iar lagărele arborelui turbocompresorului sunt partea cea mai solicitată termic a motorului care vine în contact cu uleiul de motor, ceea ce impune cerințe speciale atât asupra tehnologiei de producție a pieselor care compun turbocompresorul, cât și asupra calității uleiului și a resursei sale. Ambele au fost de mult timp unul dintre factorii de descurajare tehnologic pentru orice introducere în masă a turbocompresoarelor pe motoarele pe benzină.
Orice motor pe benzină cu turbocompresor este proiectat inițial pentru supraalimentare. Utilizarea unui turbocompresor pe un motor pe benzină, conceput inițial ca unul atmosferic , este în principiu posibilă fără modificări, dar va duce la o distrugere rapidă (dacă nu instantanee) a unui astfel de motor în timpul funcționării. Necesitatea unui control constant al detonației necesită un fel de electronică de control, ceea ce înseamnă de obicei un sistem de alimentare a motorului bazat pe injecție electronică (sau cel puțin electronic-mecanică) . Motoarele cu carburator produse în serie cu turbocompresoare erau extrem de rare din cauza complexității mecanice excesive a sistemelor lor de alimentare. Turbocompresoarele sunt utilizate pe scară largă pe motoarele diesel ale vehiculelor comerciale - pe motoarele camioanelor, tractoarelor, locomotivelor și navelor. Aici, factorii decisivi au fost rezistența crescută la detonare a motoarelor diesel și eficiența lor mai mare, ceea ce presupune un nivel mai scăzut de radiație termică, relativ nesolicitant față de eficiența motorului vehiculului comercial în condiții tranzitorii și spațiu suficient în compartimentul motor.
O caracteristică a funcționării unui turbocompresor în comparație cu alte unități de presurizare este că, în cazul utilizării acestuia, efectul presurizării depășește întotdeauna costurile energetice ale presurizării. Adică, pentru orice motor echipat cu turbocompresor, este întotdeauna posibil să obțineți un regim de boost care să mărească motorul atât de mult încât să îl distrugă. Puterea oricărui motor cu turbocompresor este limitată 100% de puterea motorului în sine, de durata de viață a acestuia și nu de eficiența turbocompresorului. Necesitatea de a limita efectul de amplificare este motivul pentru care turbocompresorul nu este niciodată utilizat pe motoare de unul singur, ci doar ca o parte complexă a sistemului de turbocompresoare , în care este elementul său principal, dar nu singurul.
Acesta este supraalimentatorul, al cărui design constă dintr-un compresor și un fel de antrenare mecanică, prin care, la rândul său, funcționarea supraalimentatorului este asigurată prin utilizarea puterii primite de la motor, care este presurizat. Nu există o vedere generală unică a supraalimentatorului. Pe baza principiilor de funcționare a compresorului lor, supraalimentatoarele pot fi volumetrice , adică realizează presurizarea în porțiuni de impuls de un anumit volum fix și dinamice , adică realizează presurizarea cu un flux continuu. Grupul de compresoare volumetrice include modele precum: came (firmele americane Roots ( în engleză ), Eaton ), șurub (American Lisholm , Mercedes german din anii 2000), spirală (german G-Lader , folosit la Volkswagen în anii 1990), paletă (Superalimentator britanic PowerPlus pentru MG de dinainte de război și Rolls-Royce Merlin ). Supraalimentatoarele cu antrenare dinamică sunt cunoscute doar de tip centrifugal , de obicei nu au nume proprii, iar designul lor este mai mult sau mai puțin universal și, în general, este similar cu designul unor compresoare centrifugale canonice. În ambele cazuri, indiferent de tipul de compresor, proiectarea antrenării sale mecanice nu are o importanță fundamentală pentru funcționarea supraalimentatorului în ansamblu, singurele caracteristici fiind că antrenarea compresorului are un raport de transmisie crescător (de ordinul a 0,15-0,08), și alte modele de unitate vă permit să porniți / opriți supraalimentatorul (inclusiv principiul analogic) la comanda șoferului sau a unității de control. Acționările în sine sunt posibile prin arbori intermediari, angrenaje, curele dințate, lanțuri, un set de curele trapezoidale, precum și transmisii directe de la capetele arborelui cotit sau ale arborelui cu came. În cazul unei acționări comutabile, sunt utilizate cuplaje de diferite modele.
O caracteristică a funcționării unui compresor de antrenare în comparație cu alte unități de presurizare este că motorul este forțat să-și petreacă o parte semnificativă din așa-numita putere a indicatorului pe unitatea sa . Aceasta conduce la faptul că toate motoarele cu compresoare acţionate au un consum specific de combustibil ridicat , care poate fi de câteva ori mai mare decât consumul specific de combustibil al unui motor aspirat natural de putere netă comparabilă . La turații mari ale motorului, consumul de putere pentru acționarea compresorului crește neliniar în raport cu creșterea rentabilității din utilizarea acestuia, ceea ce crește și mai mult consumul specific de combustibil, iar diferența dintre puterea indicată și puterea netă la modurile maxime poate ajunge. 50% din net.
Datorită nivelului relativ scăzut de stres termic în timpul funcționării, compresoarele de antrenare sunt relativ nepretențioase în ceea ce privește tehnologia metalelor și calitatea lubrifianților, iar o unitate de supraalimentare fiabilă și funcțională, bazată pe un compresor de antrenare, a fost disponibilă pentru producție aproape simultan cu apariția producției de serie. mașini. Cu toate acestea, din cauza cerințelor de precizie în producția de piese, compresoarele acționate erau în orice caz scumpe, iar utilizarea lor în prima jumătate a secolului al XX-lea era limitată la mașini exclusive, pseudo-sport sau de curse. Al doilea domeniu de aplicare al supraalimentatoarelor acționate au fost motoarele de avioane cu piston, în care supraalimentarea a fost concepută pentru a compensa scăderea presiunii atmosferice la altitudine și rarefierea rezultată a aerului. După cel de-al Doilea Război Mondial, aviația a trecut la motoare cu turboreacție, iar proiectanții motoarelor de automobile au luat calea forței cu aspirație naturală, în urma căreia compresoarele de propulsie au fost aproape uitate și au rămas doar tuning american sau unele modele americane și rare europene de mașini rutiere. La începutul anilor 2000, compresoarele conduse au început să apară pe mașinile rutiere relativ scumpe, ca parte a unităților de supraalimentare combinate asociate cu un turbocompresor. Astfel de sisteme de presurizare sunt folosite până în zilele noastre, deși în ultimii ani a existat o tendință de a înlocui supraalimentarea combinată cu turbocompresor eficient în toate modurile, bazată pe turbine twin-scroll sau cu geometrie variabilă, precum și supraalimentarea combinată de la un turbocompresor și un compresor electric. .
Specificații de aplicare pe motoarele de automobilePe motoarele pe benzină ale autoturismelor produse în serie, în cazurile în care un motor supraalimentat este dezvoltat pe baza unui compresor de tracțiune, un astfel de supraalimentator va fi întotdeauna doar de tip volumetric. Motivul pentru aceasta este calitatea importantă a oricăror compresoare cu deplasare pozitivă , că performanța lor depinde întotdeauna liniară de viteza rotorului. De aceea, motoarele cu compresoare cu cilindree sunt convenabile pentru șofer: funcționează în condiții tranzitorii nu mai proaste decât cele cu aspirație naturală (nu au nicio întârziere în pornirea motorului atunci când este apăsată pedala de accelerație) și măresc cuplul pe întreaga turație. gamă, ceea ce este cazul unui motor cu supraalimentare cu cilindree care se observă mai ales pe „de jos”. Supraalimentatoarele cu cilindree au, de asemenea, avantajul constructiv că utilizarea lor nu necesită elemente de control suplimentare (supape de limitare a presiunii, unități de control electronice, senzori suplimentari), ceea ce, în absența sistemelor electronice de injecție, a făcut ușoară instalarea compresoarelor cu cilindree pozitivă pe carburator. motoare sau motoare cu injecție mecanică. În sistemele moderne de supraalimentare combinată, în cazul utilizării supraalimentatoarelor cu acționare volumetrică, acestea sunt responsabile de supraalimentarea la turații mici ale motorului și sunt dezactivate de sistemele de control atunci când este atinsă o presiune de supraalimentare suficientă de către turbocompresorul paralel.
Supraalimentatoarele centrifugale pot fi utilizate și pe motoarele pe benzină ale autoturismelor. Dar având în vedere faptul că în orice compresoare centrifuge dependența volumului de aer pompat de turație nu este liniară, supraalimentatoarele de antrenare pe baza acestora sunt realizate fie pentru scurt timp conectate (cum ar fi mașinile de tuning americane), fie instalate pe motoare. pentru care eficiența muncii în condiții tranzitorii și eficiența muncii pe fund nu este foarte importantă (de exemplu, mașini pentru curse la o distanță de un sfert de milă). În același timp, instalarea unui compresor centrifugal cu acționare plug-in pe un motor aspirat inițial poate să nu necesite modificări pentru supraalimentare, dacă timpul de funcționare al motorului în modul de supraalimentare este limitat. Și instalarea unui compresor centrifugal acționat în mod constant, pe lângă modificările pentru supraalimentare, poate necesita prezența supapelor de limitare a presiunii (ceea ce nu este necesar în cazul supraalimentatoarelor cu deplasare pozitivă). În orice caz, mașinile rutiere convenționale produse în serie nu sunt echipate cu compresoare centrifugale.
Atât compresoarele volumetrice, cât și cele centrifuge pot fi utilizate nu numai pe motoarele pe benzină ale autoturismelor, ci și pe motoarele pe benzină și diesel ale echipamentelor grele. Alegerea unui compresor mai degrabă decât a unui turbocompresor mai potrivit aici se datorează probabil specificului aplicației. Un exemplu al primului caz este motorul pe benzină american Teledyne Continental AVSI-1790 ; un exemplu al celui de-al doilea este motorul diesel de tanc sovietic / rus V-46 .
În construcția modernă de motoare de automobile de masă, utilizarea supraalimentatoarelor se estompează. Motivul principal pentru aceasta este pierderile mecanice de transmisie care au ca rezultat un consum crescut de combustibil și emisii de dioxid de carbon crescute. Un înlocuitor adecvat pentru supraalimentatoarele volumetrice de astăzi sunt turbocompresoarele cu turbine twin-scroll și cu geometrie variabilă , precum și utilizarea supraalimentatoarelor electrice în sisteme de supraalimentare combinate, care în toate cazurile ajută într-un fel la rezolvarea problemei turbolag în condiții tranzitorii și a problemei. de eficiență scăzută a turboalimentării convenționale la turații reduse ale motorului.
Specificații de aplicare la motoarele în doi timpiLa anumite tipuri de motoare în doi timpi pe benzină și diesel (cu purjare cu supapă cu fante , cu mișcare a pistonului în sens opus ), a căror funcționare implică turații relativ scăzute, supraalimentatoarele cu antrenare de joasă presiune sunt utilizate ca element integral al întregii structuri în acest scop. a cilindrilor de purjare la joncțiunea a două cicluri de lucru. În lexiconul ingineriei sovietice, astfel de supraalimentatoare acționate erau denumite prin termenii „ suflante ” sau „ pompă de evacuare ”. Presiunea de supraalimentare pe care o oferă este de obicei de ordinul 0,1-0,2 bar. La motoarele de mare viteză cu eliminarea fantelor (de exemplu, motociclete), astfel de suflante / pompe nu sunt utilizate, iar acolo cilindrii sunt purjați în alte moduri.
Se știe că suflantele/pompele sunt dezvoltate atât pe baza compresoarelor volumetrice, cât și pe baza celor centrifuge. Un exemplu de prima opțiune este motoarele diesel de automobile sovietice YaAZ-204 și YaAZ-206 . Un exemplu de a doua opțiune este motorul multicombustibil al rezervorului sovietic / ucrainean 5TDF . În același timp, proprietatea compresoarelor centrifuge de a crește presiunea de supraalimentare cu o creștere a vitezei poate fi folosită și pentru a spori motorul în modul de turație mare. Prezența unei suflante / pompe nu anulează posibilitatea de a completa un astfel de motor în doi timpi cu un turbocompresor, a cărui sarcină este de a spori motorul în forma sa cea mai pură. Un exemplu de astfel de motoare cu și fără turbocompresor vor fi motoarele diesel de locomotivă 10D100 și 2D100, identice din punct de vedere structural, ale locomotivelor diesel TE10 și TE3 .
Principiul de funcționare al unui supraîncărcător electric (supraîncărcător acționat electric) se bazează pe utilizarea energiei electrice din rețeaua electrică de bord a vehiculului pentru a antrena compresorul. Designul fundamental este în general același - un motor electric de mare viteză și un compresor centrifugal conectat la acesta printr-un arbore comun.
Astfel de supraalimentatoare au devenit larg răspândite în motoarele pe benzină ale mașinilor în ultimii ani, datorită introducerii pe scară largă a rețelelor electrice de bord cu o tensiune relativ ridicată (~ 50V) și includerii în putere a generatoarelor puternice, a bateriilor de mare capacitate și a condensatorilor. unitate. În acest caz, supraalimentatoarele electrice sunt doar o parte a unității generale de supraalimentare și sunt combinate cu un turbocompresor (unul sau două) pentru a lucra împreună ca parte a funcției de supraalimentare. Includerea unui supraalimentator electric aici este de obicei limitată la modurile de funcționare tranzitorii ale motorului în sine și, în primul rând, la acelea în care eficiența turbocompresorului este scăzută, de exemplu, depasirea motorului de la ralanti. Supraalimentatoarele electrice nu sunt folosite ca sursă constantă de amplificare, din cauza pierderilor semnificative pentru conversia energiei mecanice a motorului cu ardere internă în energie electrică pentru a alimenta motorul electric și din nou în energie mecanică pentru funcționarea compresorului.