Виды систем охлаждения наддувочного воздуха

Имеются три вида систем охлаждения наддувочного воздуха: система «воздух/воздух», система «воздух/вода» и комбинированная система. Наиболее распространенной системой для легковых автомобилей является «воздух/воздух». Здесь охладитель наддувочного воздуха охлаждается проходящим атмосферным воздухом. Во втором варианте, системе «воздух/вода», в качестве охлаждающей среды используется жидкость. Такая система раньше использовалась только в отдельных случаях в двигателях легковых автомобилей (например, Тоуота Сеlica Тurbo 4 WD, дебют в 1988) или в тюнинг-секторе. В 90-е годы такие системы устанавливались в шести- и восьмицилиндровых двигателях Ягуар с механическим наддувом, турбодвигателях Пежо 405 Т 16. И третьим вариантом, который используется сегодня только в гоночном спорте, является комбинированная система охлаждения наддувочного воздуха. Она не применяется в серийных двигателях, поскольку занимает много места и слишком дорогостояща.

В системе охлаждения «воздух/вода-воздух», которое также называется «охлаждение хладагентом», происходит непосредственное охлаждение водой охладителя наддувочного воздуха. Таким образом, здесь охлаждение выполняется не в два этапа, как в смешанной системе. Этот тип охлаждения, вновь используемый Ягуар, имеет то преимущество, что охладитель наддувочного воздуха, в противоположность системе «воздух/воздух», меньше по размеру и теоретически может быть размещен в любой точке моторного пространства.

Специально для двигателей с механическим наддувом можно к тому же добавить, что такая среда, как вода, функционирует в охладителе наддувочного воздуха как дополнительный глушитель колебаний при появлении пульсаций давления поступающего и сжатого воздуха. Недостатком таких видов охладителей является тот факт, что воздух может быть охлажден в лучшем случае до уровня температуры хладагента радиатора автомобиля, поскольку система охлаждения наддувочного воздуха не имеет собственного радиатора жидкостного охлаждения (шести и восьмицилиндровые двигатели Ягуар), что опять бы привело к необходимости найти для него место под капотом. Недостаток системы «вода/воздух» заключается в том, что она слишком дорога, конструктивно затратна и прежде всего не столь эффективна по сравнению с системой «воздух/воздух». Причина: в охладителях наддувочного воздуха с водяным охлаждением происходит двукратный спад тепла, один раз от наддувочного воздуха к воде, и второй раз от воды вновь к атмосферному воздуху, который должен быть холоднее воды. Если установить внешний водяной радиатор для охладителя наддувочного воздуха, то это - в зависимости от ситуации использования - может привести к неприятностям в отношении веса и компоновки. Акцент здесь делается однозначно на слово «может». Поскольку, как всегда показывает практика, все зависит часто от соответствующего автомобиля. Наглядным примером может служить Ягуар со своими механически наддуваемыми шести- и восьмицилиндровыми двигателями. И особенно новый \/8 Supercharger в отношении компоновки разрешил эту трудную задачку. Ягуар сознательно разместил в царивших в моторном пространстве ХJS стесненных условиях систему водяного охлаждения, причем в сотрудничестве с производителем охладителей наддувочного воздуха Вehr из Штутгарта возник особенно удачный дизайн, который объединил оба охлаждаемых водой охладителя наддувочного воздуха и воздушный коллектор обеих головок цилиндров. Это позволило минимизировать пути, по которым охлажденный воздух должен подаваться в камеру сгорания, и к тому же повысило эффективность охлаждения. Охлаждение «воздух/воздух» в этой ситуации было бы совершенно немыслимо. Охлаждение «вода/воздух» имело здесь и преимущества в компоновке, так как водяные трубопроводы от жидкостного охладителя до охладителя наддувочного воздуха могли быть тонкими шлангами (примерно 30 мм), в противоположность напорным трубопроводам, по которым при охлаждении «воздух/воздух» должен перемещаться сжатый и охлажденный воздух через моторное пространство (около 80 мм).

В настоящее время наибольшее распространение получили нагнетатели типа «ROOT» и «LYSHOLM». Поэтому наиболее подробному анализу были подвергнуты именно эти два нагнетателя.

ROOT Supercharger

Наиболее простым и относительно дешёвым является нагнетатель типа «Рутс», имеющий 2 ротора. В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор. При вращении роторов, воздух захватывается лопастями компрессора, перемещается к стороне нагнетания, и сжимается уже в нагнетательном трубопроводе.

Основное отличие этого метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе. Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием. Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.

При выбрасывании сжатого воздуха из полости нагнетателя наблюдается сильное вихреобразование, на которое тратится значительная часть работы. Кроме того, значительные потери работы связаны с утечками сжатого воздуха через зазоры обратно во всасывающую полость. Всё это приводит к сильному падению КПД нагнетателя (особенно при увеличении давления наддува свыше 0,14-0,15 МПа)

Нагнетатели типа ROOT имеют рабочую частоту вращения обычно 6–9 тыс. оборотов в минуту, но она может доходить до 16 тыс. об./мин.

LYSHOLM Supercharger

Нагнетатель типа «Лисхольм» имеет 2 винтовых (спиральных) ротора, которые выполнены таким образом, что при их вращении возникают замкнутые объёмы, которые уменьшаются от периферии к центру, что позволяет осуществлять внутренне сжатие (в отличии от «Рутс»), благодаря чему можно увеличить степень повышения давления до 7 при наличии охлаждения корпуса.

Роторы имеют вид зубчатых колёс, причём ведущий ротор имеет 4 зуба, а ведомый 6 выемок, профиль которых соответствует профилю зубьев ведущего ротора. Окружные скорости роторов на наружном диаметре достигают 50-100м/с. Порция воздуха проталкивается вперед (как мясо вдоль шнека мясорубки). Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя.

Высокая быстроходность компрессора (до 12000 об/мин) делает его компактным. Кроме того, он имеет больший КПД (около 80%, в то время как у «Рутс» не более 50%), высокую надёжность и уравновешенность.

Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в рутс-компрессора.

LYSHOLM имеет рабочую частоту вращения обычно 12–14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин.