Нагнетатель - Supercharger

эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью от добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Нагнетатель»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Октябрь 2014 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Нагнетатель типа Рутса на Двигатель AMC V8 для дрэг-рейсинг.

	Mercedes-Benz W25 1934 года 1934 Мерседес-Бенц W25 с наддувом Прямой-8 в Гудвудский фестиваль скорости 2009
Проблемы с воспроизведением этого файла? Увидеть помощь СМИ.

А нагнетатель это воздух компрессор это увеличивает давление или плотность воздуха поставлен в двигатель внутреннего сгорания. Это дает каждому впускному циклу двигателя больше кислород, позволяя ему гореть больше топливо и делать больше Работа, таким образом увеличивая выходную мощность.

Мощность для нагнетателя может быть обеспечена механически с помощью ремня, шестерни, вала или цепи, соединенной с двигателем. коленчатый вал.

Обычное использование ограничивает термин нагнетатель к агрегатам с механическим приводом; когда власть вместо этого предоставляется турбина питаться от выхлопной газ нагнетатель известен как турбокомпрессор или просто турбо - или в прошлом турбокомпрессор.^[1]

История

Анимация нагнетателя

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

В 1860 г. братья Филандер и Фрэнсис Мэрион Рутс, основатели Компания Roots Blower из Коннерсвилл, Индиана, запатентовал конструкцию пневмодвигателя для использования в доменные печи и другие промышленные применения.

Первый в мире функционал, фактически протестированный^[3] нагнетатель двигателя был сделан Дугальд Клерк, кто использовал это впервые^[4] двухтактный двигатель в 1878 г. Готлиб Даймлер получил немецкий патент для наддува двигателя внутреннего сгорания в 1885 г.^[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).

Первые в мире серийные автомобили^[6] с нагнетателями были Мерседес 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 отмечены как "Компрессор "модели, 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 ротора с двумя лопастями, причем каждый ротор 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

По способу перекачки газа различают два основных типа нагнетателей: положительное смещение 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

An Eaton Впереди виден нагнетатель типа Рутса M62. Двигатель Ecotec LSJ в 2006 году Красная линия Иона Сатурна.

Винтовые роторы Lysholm со сложной формой каждого ротора, который должен работать с высокой скоростью и с жесткими допусками. Это делает этот тип нагнетателя дорогим. (Этот блок был вороненый чтобы показать области близкого контакта.)

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
• спиральный нагнетатель, также известный как G-Lader

Тип сжатия

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 минимальным 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

Нагнетатели прямого вытеснения обычно оцениваются по их мощности на оборот. В случае воздуходувки Рутса GMC шаблон рейтинга типичен. Типы GMC оцениваются в зависимости от того, сколько двухтактных цилиндров и размер этих цилиндров предназначены для продувки. GMC изготовил 2–71, 3–71, 4–71 и знаменитые 6–71 воздуходувки. Например, воздуходувка 6–71 разработана для продувки 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 двигатель обозначение, фактическое смещение меньше, чем предполагает простое умножение. 6–71 фактически 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, что 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

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

Основные типы динамических компрессоров:

• Центробежный
• Многоступенчатый осевой поток

Волновой ротор

• Нагнетатель волны давления

Типы привода нагнетателя

Далее нагнетатели определяются в соответствии с их методом привода.

• Ремень (клиновой ремень, синхронный ремень, плоский ремень)
• Прямой привод
• Зубчатая передача
• Цепной привод
• Переменное передаточное число, Центробежный с переменным передаточным числом

Температурные эффекты и интеркулеры

Нагнетатель CDT в зависимости от температуры окружающей среды. График показывает, как CDT нагнетателя изменяется в зависимости от температуры воздуха и высоты (абсолютное давление).

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 детонация 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 изэнтропический процесс.

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

${displaystyle = ,!}$

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

Куда:

${displaystyle T_ {1} ,!}$ = 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 удельных теплоемкостей = ${displaystyle C_ {p} / C_ {v} ,!}$ = 1,4 для воздуха

${displaystyle C_ {p} ,!}$ = 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 для ${displaystyle p_ {2} ,!}$ 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 Кельвина имеет тот же размер, что и градус Цельсия (таким образом, 24 ° C добавляется к абсолютному значению. ноль просто 273,15 К + 24 К).

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)

экспонента становится 0,286 (или 1.4-1 /[1.4]),

В результате чего:

${displaystyle T_ {2} ,!}$ = 344,81 K, 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, 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

В двухтактные двигатели, уборка мусора требуется для продувки выхлопных газов, а также для зарядки цилиндров для следующего рабочего такта. 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, так как 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 иметь трудности при запуске из-за плохого сгорания и грязных выхлопных газов, возможно, даже четырехтактный. Некоторые двухтактные турбокомпрессоры, особенно те, которые используются на Электро-Дизель двигатели локомотивов механически приводятся в действие на более низких оборотах двигателя через обгонная муфта для обеспечения достаточного количества продуваемого 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

1929 "Воздуходувка" Bentley. Большой «нагнетатель», расположенный перед радиатором, дал автомобилю название.

В 1900 г. Готлиб Даймлер, из Daimler-Benz (Daimler AG ), был первым, кто запатентовал систему принудительного впуска для двигателей внутреннего сгорания, нагнетатели на основе конструкции двухроторного воздушного насоса, впервые запатентованные американцами. Фрэнсис Мэрион Рутс в 1860 г., то базовый дизайн для современного Нагнетатель типа Рутса.

Первые автомобили с наддувом были представлены в 1921 году. Берлинский автосалон: 6/20 л.с. и 10/35 л.с. Мерседес. Эти автомобили были запущены в производство в 1923 году как 6/25/40 л.с. (считались первым дорожным автомобилем с наддувом).^[9]) и 10/40/65 л.с.^[10] Это были обычные дорожные автомобили, поскольку другие автомобили с наддувом в то же время были почти всеми гоночными автомобилями, включая 1923 г. Fiat 805-405, 1923 Миллер 122^[11] 1924 Альфа Ромео P2, 1924 Солнечный лучик,^[12] 1925 Делаж,^[13] и 1926 г. Bugatti Type 35C. В конце 1920-х гг. Bentley сделал наддувную версию Bentley 4½ литра дорожный автомобиль. 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

А G-Lader спиральный нагнетатель на Volkswagen Golf Mk1.

Охлаждение поступающего в двигатель воздуха является важной частью конструкции как нагнетателей, так и турбонагнетателей. Сжатие воздуха увеличивает его температуру, поэтому обычно используют небольшой радиатор, называемый интеркулер 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 Корни, двухвинтовой (Лисхольм) и TVS (Eaton ) воздуходувки.

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, такие как Топливные драгстеры и автомобили, используемые в тягач трактор соревнования, нагнетатели с механическим приводом очень распространены.

В тепловая эффективность, или доля энергии топлива / воздуха, которая преобразуется в выходную мощность, меньше у нагнетателя с механическим приводом, чем у турбокомпрессора, потому что турбокомпрессоры используют энергию выхлопных газов, которая обычно теряется. По этой причине и экономичность, и мощность двигателя с турбонаддувом обычно лучше, чем с нагнетателем.

Турбокомпрессоры страдают (в большей или меньшей степени) от так называемых турбо-катушка (турбо-задержка; точнее, задержка наддува), при котором начальное ускорение с низких оборотов ограничено отсутствием достаточного количества выхлопных газов массовый поток (давление). Как только число оборотов двигателя становится достаточным для увеличения числа оборотов турбины до его расчетного рабочего диапазона, происходит быстрое увеличение мощности, поскольку более высокий турбонаддув вызывает большее количество 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 - лучше дроссель 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 с механическими нагнетателями, 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 Мерседес Бенц и Мерседес-АМГ ранее был наддувом «Компрессор» предложения в начале 2000-х, 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 предлагает 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

На чемпионатах мира по ралли 1985 и 1986 годов Lancia показывала Дельта S4, который включал как нагнетатель с ременным приводом, так и турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов. В конструкции использовалась сложная серия перепускных клапанов в системах впуска и выпуска, 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 непосредственным впрыском, который также использует как нагнетатель, так и турбокомпрессор. Volvo предлагает 2,0-литровый двигатель с нагнетателем и турбонагнетателем в гибридных моделях, таких как S60, XC60 и XC90.

Самолет

Эффекты высоты

В Роллс-Ройс Мерлин, авиационный двигатель с наддувом времен Второй мировой войны. Нагнетатель находится в задней части двигателя справа

Центробежный нагнетатель Бристоль Центавр радиальный авиационный двигатель.

Нагнетатели - естественное дополнение к поршневые двигатели самолетов которые предназначены для работы на большой высоте. Когда самолет набирает большую высоту, давление воздуха и плотность воздуха уменьшается. Мощность поршневого двигателя падает из-за уменьшения массы воздуха, который может быть втянут в двигатель. Например, плотность воздуха на высоте 30 000 футов (9 100 м) равна¹⁄₃ из этого в уровень моря, поэтому только¹⁄₃ часть воздуха может быть втянута в цилиндр с достаточным количеством кислорода, чтобы обеспечить эффективное сгорание лишь одной трети количества топлива. Таким образом, на высоте 30 000 футов (9 100 м) только¹⁄₃ топлива, сгоревшего на уровне моря, можно сжечь.^[15] (Преимущество пониженной плотности воздуха состоит в том, что на планер приходится только около 1/3 аэродинамическое сопротивление. Кроме того, снижается противодавление выхлопных газов.^[16] С другой стороны, на удержание самолета расходуется больше энергии, и меньше 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.^[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. По мере того, как 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 как критическая высота. Выше критической высоты выходная мощность двигателя начнет падать по мере того, как самолет продолжает набирать высоту.

Влияние температуры

CDT нагнетателя в зависимости от высоты. График показывает различия CDT между нагнетателем с постоянным наддувом и нагнетателем с регулируемым наддувом при использовании на самолете.

Как обсуждалось выше, наддув может вызвать всплеск температуры, а экстремальные температуры вызовут детонация топливовоздушной 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. При задержке дроссельной заслонки во избежание избыточного наддува температура воздуха в карбюратор 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 оснащались датчиком температуры воздуха в карбюраторе или сигнальной лампой, предупреждающей пилота о возможных условиях обледенения.

Было разработано несколько решений этих проблем: интеркулеры и доохладители, впрыск антидетонанта, двухскоростные нагнетатели и двухступенчатые нагнетатели.

Двухскоростной и двухступенчатый нагнетатели

В 30-е годы прошлого века были разработаны двухскоростные приводы нагнетателей для авиационных двигателей, обеспечивающие более гибкую работу самолетов. Компоновка также повлекла 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 Битва за Британию Самолеты Spitfire и Hurricane с приводом от Роллс-Ройс Мерлин Двигатели оснащались в основном одноступенчатыми и односкоростными нагнетателями.^[17] Стэнли Хукер из Rolls-Royce, с целью улучшения характеристик двигателя Merlin, разработан двухступенчатый двухступенчатый наддув с промежуточным охлаждением с успешным применением на Роллс-Ройс Мерлин 61 в 1942 году. На всех высотах были увеличены мощность и характеристики. 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 тоже всегда были двухскоростными. После того, как воздух был сжат в ступень низкого давления, воздух проходил через интеркулер радиатора, где он был охлажден перед повторным сжатием ступень высокого давления а затем, возможно, также с последующим охлаждением в другой теплообменник. Двухступенчатые компрессоры обеспечили значительно улучшенные характеристики на большой высоте, что характерно для Rolls-Royce Merlin 61 с двигателем. Супермарин Спитфайр Mk IX и Североамериканский мустанг.

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 увеличивать дроссельную заслонку с помощью системы управления, ограничивая наддув по мере необходимости, пока не будет достигнута максимальная высота.

Турбонаддув

Нагнетатель с механическим приводом должен получать мощность привода от двигателя. Взяв одноступенчатый односкоростной двигатель с наддувом, такой как ранний Роллс-Ройс Мерлин, например, нагнетатель потребляет около 150л.с. (110 кВт ). Без нагнетателя двигатель мог производить около 750 л. Лошадиные силы (560 киловатты ), но с нагнетателем он выдает около 1000 л.с. (750 кВт) - увеличение 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 увеличивает удельная мощность двигателя и его удельная мощность, но за счет увеличения удельный расход топлива двигателя. Помимо увеличения стоимости эксплуатации самолет у нагнетателя есть возможность уменьшить свой общий диапазон для конкретной топливной нагрузки.

В отличие от нагнетателя, приводимого в движение самим двигателем, турбокомпрессор приводится в движение 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 истинная воздушная скорость на большой высоте и дает больший рабочий диапазон, чем эквивалентный форсированный двигатель с нагнетателем.

Большинство авиационных двигателей, используемых в Вторая Мировая Война использовали нагнетатели с механическим приводом, потому что они обладали некоторыми значительными производственными преимуществами перед турбокомпрессорами. Тем не менее, преимущество в эксплуатационной дальности было уделено гораздо более высокому приоритету американским самолетам из-за менее предсказуемых требований к рабочей дальности и необходимости лететь далеко от своих баз. Следовательно, турбокомпрессоры в основном использовались в американских авиационных двигателях, таких как Эллисон V-1710 и Пратт и Уитни R-2800, которые были сравнительно тяжелее с турбонаддувом и требовали дополнительных каналов дорогих высокотемпературных металлические сплавы в газовая турбина и предтурбинную секцию выхлопной системы. Один только размер воздуховода был серьезным соображением при проектировании. Например, как F4U Corsair и P-47 Тандерболт использовал тот же радиальный двигатель, но большой бочкообразный фюзеляж P-47 с турбонаддувом был необходим из-за количества воздуховодов к турбонагнетателю и от него в задней части самолета. В F4U использовался двухступенчатый нагнетатель с промежуточным охлаждением с более компактной компоновкой. Тем не менее, турбокомпрессоры были полезны на большой высоте. бомбардировщики и некоторые истребители в связи с повышенными высотными характеристиками и дальностью 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 Боинг В-29 Суперфортресс большая высота бомбардировщики используется в Тихоокеанский театр операций в 1944–45 гг.

Поршневые двигатели с турбонаддувом продолжали использоваться на большом количестве послевоенных самолетов, таких как Б-50 Суперфортресс, то KC-97 Stratofreighter, то Боинг Стратолайнер, то Lockheed Constellation, а C-124 Globemaster II.

В последнее время большинство авиационных двигателей для авиация общего назначения (легкие самолеты) без наддува, но меньшее количество современных авиационных поршневых двигателей, предназначенных для работы на больших высотах, используют системы турбонаддува или турбонагнетателя вместо нагнетателя, приводимого в действие коленчатыми валами. Изменение мышления во многом связано с экономикой. Авиационный бензин когда-то был обильным и дешевым, предпочитая простой, но прожорливый нагнетатель. По мере роста стоимости топлива обычный нагнетатель вышел из моды. Также в зависимости от того, что денежная инфляция фактор один, затраты на топливо снизились не так быстро, как затраты на производство и техническое обслуживание.

Влияние октанового числа топлива

До конца 1920-х годов все автомобильное и авиационное топливо обычно оценивалось в 87 баллов. октан или менее. 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.

Октановое число В то время изучалась область исследований, связанных с добавлением добавок. Используя эти методы, менее ценная сырая нефть могла бы по-прежнему поставлять большое количество полезного бензина, что делало ее ценным экономический обработать. 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 устойчиво автоматическое зажигание и детонация лучше, чем низкооктановое топливо. 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. Использование нового топлива во время Второй мировой войны началось в начале 1940 года, когда 100-октановое топливо было доставлено британцам. королевские воздушные силы с нефтеперерабатывающих заводов в Америке и Ост-Индии.^[19] Немец Люфтваффе также 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 поставлялось с номинальным октановым числом 150, на котором использовались авиационные двигатели поздних времен, такие как Роллс-Ройс Мерлин 66^[22][23] или Даймлер-Бенц ДБ 605 DC развивал аж 2000 л.с. (1500 кВт).^[24][25]

Смотрите также

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

Заметки

использованная литература

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

внешние ссылки

• Как работают нагнетатели Билл Харрис с сайта HowStuffWorks.com.
• Винтажные нагнетатели (через archive.org)
• Он запрягал Торнадо - и разработал современный нагнетатель для самолета., большая статья из Популярная наука, Июнь 1941 г.
• История винтовых компрессоров пользователя Whipple Superchargers.
• «Разработка авиационного нагнетателя» 1943 год Рейс статья