Механические нагнетатели. Roots.

Механический нагнетатель, он же компрессор, он же Supercharger — так же как и турбонагнетатель, в разрезе применения к ДВС, служит для увеличения массового заряда топливной смеси, поступаемой в цилиндры двигателя.
Больше смеси — больше мощность.
В отличии от турбонагнетателей, которые для своей работы используют уже ненужную энергию выхлопных газов, механические нагнетатели, приводятся в действие от коленчатого вала двигателя, при этом забирая часть мощности, которую сами же добавляют.

Механические нагнетатели делятся на 2 основных типа

Центробежные нагнетатели
Рабочее колесо центробежного компрессора представляет собой диск или же сложное тело вращения, на котором установлены лопатки, расходящиеся от центра к краям диска. По типу используемых лопаток рабочие колеса квалифицируются на радиальные (профиль лопатки ровный) и реактивные (профиль лопатки изогнутый). Реактивные рабочие колеса обладают более высокими КПД и степенью сжатия, но сложнее в изготовлении. Поток газа попадает в рабочее колесо центробежного компрессора, где частицам газа передается кинетическая энергия вращающегося колеса, диффузорный межлопаточный канал производит торможение движения частиц газа относительно вращающегося колеса, центробежная сила придает дополнительную кинетическую энергию частицам рабочего тела и направляет их в радиальном направлении. После выхода из рабочего колеса частицы рабочего тела попадают в диффузор, где происходит их последующее торможение, с преобразованием их кинетической энергии в внутреннюю.

Центробежные компрессоры работают при относительно высоких скоростях, так как давление наддува обычно пропорциональна квадрату скорости вращения нагнетателя. В случае применения с ДВС такие нагнетатели не подходят для использования при непосредственной связи с коленчатым валом. Необходим редуктор, желательно с переменным коэффициентом передачи.
Центробежные устройства являются стандартным типом компрессоров, которые приводятся в движение выхлопными газами в турбокомпрессоре двигателя.

Механические нагнетатели объемного типа:
Механические нагнетатели объемного типа нагнетают воздух порциями определенного объема за свой один оборот. Поскольку объемный КПД таких устройств почти постоянен, то и поток воздуха, как правило, пропорционален оборотам нагнетателя ну или оборотам двигателя.
Поэтому нагнетатели объемного типа, могут обеспечить сравнительно большой наддув на малых скоростях вращения роторов. Из за этого такие нагнетатели хорошо подходят для использования в двигателях с приводом через редуктор или ремень.

— Роторно-пластинчатый компрессор
— Поршневой компрессор
— Поршневой компрессор с переменным рабочим объёмом
— Винтовой компрессор
— Спиральный компрессор
— Объемные нагнетатели типа Roots

В корне лежит компрессор системы Roots. Названный так в честь его изобретателей, братьев Рутс (Roots Brothers). Эти нагнетатели были изобретены в 1859 году. Первоначальное его применение — вентилирование промышленных помещений.
Компрессор относится к объемным роторным нагнетателям со внешним сжатием.
Устройство у этого нагнетателя достаточно простое.
Два ротора, с противоположным направлением вращения перекачивают воздух из одного объема в другой (объемный нагнетатель), при этом вращении, в камере не происходит сжатия воздуха.

Классически нагнетатель Roots, имеет простую форму роторов в виде лопаток
таким образом можно заявить, что любимый "тюнингаторами" Toyota'ский SC-14 и SC-12 — это классический представитель нагнетателей Roots.

Но в 1949 году компания Eaton усовершенствовала нагнетатель Roots, применив косозубые роторы. Изначально лопаток было так же 2, затем 3

на данный момент 4. Эта конструкция нагнетателя называется Eaton TVS. В чем же преимущество от классического Roots ?
Если рассмотреть SC-14, можно увидеть, что входной порт воздуха расположен прямо перед лопастями, и входящий воздух "ударяется" в лопатки, вращающиеся с большой скоростью, при этом он теряет свою кинетическую энергию, расходуя ее на бессмысленный нагрев. Между роторами и корпусом, достаточно большие зазоры, и с ростом давления в выпускном коллекторе нагнетателя, увеличиваются протечки воздуха обратно в камеру. Частично решить эту проблему можно увеличив обороты вращения роторов, но увеличивая обороты, нагнетатель начинает потребляет очень большое количество энергии от привода, в данном случае от двигателя.
5ое поколение нагнетателей Eaton TVS имеет ряд преимуществ, перед классическим и даже усовершенствованным нагнетателем Roots.
Из за конфигурации лопастей, Eaton TVS, может обеспечивать двигатель на 20% большим количеством воздуха, чем Roots. Он потребляет меньше энергии на высоких оборотах, выделяет меньше тепла, и производит более тихий звук.
Конструкционно Eaton TVS имеет 2 видимых различия перед классическим Roots
1. 4 лопасти вместо 2 (или 3)
2. закручивание лопастей на 160 градусов

тогда как у классического Roots лопасти прямые, а у ранних Eaton'ов, всего 60 градусов

Из-за 4ех лопастного ротора, TVS обеспечивает больший поток воздуха, чем ранний Eaton, и тем более чем классический Roots.

Различают 3 основных цикла работы объемного нагнетателя.
1. Расширение, она же фаза впуска
2. Перемещение
3. Выдавливание/сжатие

После начала фазы расширения, между роторами создается небольшая область (светло-голубая зона на рисунке). Переходя на этап расширения, эта область быстро расширяется и всасывает воздух из впускного окна. Ну а так как роторы вращаются очень быстро, то и эта область увеличивается очень быстро. Соответственно и разряжение достаточно велико, поэтому воздух движется с огромной скоростью. Ударяется о лопасти, сжимается, отскакивает обратно и сталкивается с новым зарядом воздуха, тем самым вызывая турбулентность. Такие изменения скорости и давления потока, преобразуют кинетическую энергию в тепло. А в данном случае тепло — это трата энергии впустую
Так как углы между лопатками ротора 90 градусов, TVS может может использовать более широкое окно для ввода воздуха (синия линия на рисунке), сохраняя при этом фазу перемещения.
Более широкое окно позволяет воздуху входить в камеру с меньшей скоростью. Меньшая скорость означает меньшую кинетическую энергию, следовательно меньшие потери на тепло.
Заворот лопастей на 160 градусов, в свою очередь, позволяет TVS, захватить полную камеру. Обеспечивая при этом меньшую скорость при этапе расширения, тем самым еще больше уменьшая входную скорость воздушного потока… Меньшая скорость — меньшая кинетическая энергия — меньшие потери на тепло.

В 1936 году Альф Лисхольм, на основе нагнетателя Roots, изобрел новый тип объемного нагнетателя — винтовой. Сейчас его принято называть объемный нагнетатель Линсхольма. Все те же 2 ротора, вращающиеся во встречном направлении друг к другу. Но форма роторов напоминает винты, отсюда и название

"Захватывая" порцию воздуха, между роторами создается некая "камера", которая "протаскивает" сквозь тело компрессора воздушный заряд, при этом сжимая ее. А так как таких "камер" несколько, то воздушный поток на выходе из компрессора получается достаточно равномерным.

Нет внешнего сжатия, как у компрессоров типа Roots, соответственно нет дополнительных потерь на турбулентность. Это обеспечивает эффективность наддува сравнительную с турбокомпрессорами, практически во всем диапазоне оборотов двигателя.

Черные линии — адиабатическая эффективность.
Красные линии — температура выпуска
Синие линии — скорость вращения роторов
Зеленные линии — отнимаемая мощность
Сиреневые линии — объемная эффективность
Но есть и обратная сторона "медали" — это очень маленькие зазоры между лопастями и корпусом. При этом, очень сложная форма лопастей и необходимость четкой синхронизации движения, делает производство компрессоров типа Линсхольм чрезвычайно дорогим.

Карты компрессоров Ogura TX-15, изображены в сравнении с Roots 1420cc — это и есть SC-14.