Приводной нагнетатель типа Roots

Приводной нагнетатель типа Roots — разновидность компрессора с приводом от коленчатого вала для принудительной подачи воздуха в камеру сгорания двигателя.

Двигатель

История создания приводного нагнетателя типа Roots

Компрессор типа Roots относятся к приводным объемным нагнетателям роторного типа.

Свое название они получили по имени изобретателей, братьев Фрэнсис и Филандер Рутс, изготовивших первое подобное устройство в 1859 году. Знаменитый Готтлиб Даймлер усовершенствовал механизм и уже в 1900 году с конвейера Daimler-Benz сошел первый серийный автомобиль с компрессором такого типа.

Изначально объемная роторная шестеренная машина предназначалась для вентиляции промышленных помещений и имела довольно простую конструкцию. В общем корпусе располагались две прямозубые шестерни. Они вращались в противоположных направлениях и перегоняли объемы воздуха, заключенного в пространстве между зубьями и стенками кожуха, от впускного к выпускному коллектору.

Доработал и еще более улучшил конструкцию нагнетателя соотечественник братьев-изобретателей — инженер  Итон в 1949 году. Теперь воздух в нем стал перемещаться вдоль оси вращения косозубых роторов, сменивших шестерни. Но главный принцип работы устройства остался неизменным — воздух в нем не сжимался, а перекачивался. Поэтому данный тип приводных роторных нагнетателей по-прежнему носит имя Roots.

Дальнейшая модификация роторных компрессоров типа Roots шла по пути конструктивных ухищрений. Так, вместо двух лопаток на роторе, стали изготавливать четыре. Это позволило сделать подачу воздуха более равномерной и дало возможность частично сгладить пульсацию его давления – этого основного недостатка приводных нагнетателей подобного типа.  С той же целью впускное и выпускное окна компрессора стали делать треугольной формы. К тому же все эти изменения значительно снизили уровень шума при работе механизма.

                            

Устройство и принцип работы приводного нагнетателя типа Roots

Конструктивно приводные нагнетатели типа Roots выглядят следующим образом: в овальном корпусе установлены два ротора, насаженных на оси и имеющих специальный профиль. Эти оси связаны между собой шестернями. Вращаются роторы в противоположные стороны.

Между корпусом механизма и роторами существует зазор 0,1-0,15 мм. Точно такой же зазор отделяет их и друг от друга.

В результате вращения деталей, в пространство между ними и внутренней поверхностью корпуса нагнетателя захватывается определенный объем воздуха. Затем он перемещается от всасывающего патрубка к нагнетательному трубопроводу. Воздух в трубопровод подается толчками. С каждым оборотом роторов в него поступает четыре (с каждого ротора по две) порции. В этом принцип работы приводного нагнетателя типа Roots аналогичен принципу работы насосов шестеренного типа.

Корпус и роторы механизма изготавливают из алюминиевого сплава.

Располагается компрессор в передней части двигателя: перед карбюратором или между ним и двигателем. В первом случае нагнетатель засасывает чистый воздух и нагнетает его в карбюратор.

Вторая схема расположения более распространена. В этом случае компрессор всасывает горючую смесь и нагнетает ее в трубопровод. При этом она энергично перемешивается роторами, что служит лучшему испарению бензина. Кроме того, при размещении нагнетателя между двигателем и карбюратором, последнему не требуются какие-либо дополнительные устройства.

Давление наддува компрессоров типа Roots обратно качеству наполнения, то есть, при повышении давления в нагнетательном трубопроводе усиливается утечка воздуха (смеси) в зазоры нагнетателя и уменьшается коэффициент наполнения. Из-за этого, с повышением давления в трубопроводе, резко падает КПД нагнетателя. Избежать этой неприятности можно, увеличив скорость вращения роторов, или добавив двух- или трехступенчатую передачу.

Однако в многоступенчатых конструкциях теряется одно из главных достоинств компрессоров Roots – их компактность. А с увеличением скорости вращения роторов, увеличивается и объем отбираемой у силовой установки мощности.

Компрессоры типа Roots обеспечивают достаточное давление в нагнетательном трубопроводе при малых и средних оборотах двигателя. Кроме того, автомобилям, оборудованным такими нагнетателями, обеспечен хороший разгон.

                                                      

Достоинства и недостатки конструкции приводного нагнетателя типа Roots

Компрессоры типа Roots имеют ряд существенных недостатков.

При возникновении турбулентности — выдавливании несжатого воздуха из нагнетателя в сжатый воздух трубопровода — температура воздушного заряда растет дополнительно к обычному повышению от увеличения давления. Поэтому компрессоры подобного типа дополнительно оснащаются интеркулерами.

Кроме того, недостатками нагнетателей Roots остаются сложный процесс установки и относительно высокая цена. 
  

Однако, благодаря долговечности конструкции, низкой шумности, компактности и эффективности на средних и малых оборотах, приводные устройства такого типа снискали популярность у именитых брендов автомобилестроения. General Motors, Ford, Mercedes, Daimler Chrysler оснащают свои модели именно компрессорами Roots.

В настоящее время приводные нагнетатели типа Roots выпускают известные компании: Magna Charger, Eaton Automotive, Jackson Racing, Kenne Bell, Superchargers. Их продукция широко представлена на современном рынке автозапчастей и пользуется успехом а автолюбителей.

Механические нагнетатели авто — виды и особенности

Эффективность действия каждого мотора основана на смешивании топлива с определенным количеством воздушной смеси. При этом достигаются наибольшие показатели мощности. Чтобы получить такие значения в авто применяются механические нагнетатели воздуха.

Центробежные нагнетатели воздуха

Популярность изделий основана на простом принципе работы. Отличаются только способы привода.

Центробежный нагнетатель работает по определенному алгоритму:

• воздушная смесь по специальному каналу транспортируется на крыльчатку;
• лопасти крыльчатки закручивают воздух и направляют его на кожух, используя центробежную силу;
• через установленный диффузор воздух попадает в тоннель, изготовленный в улиткообразной форме.

В результате перечисленных действий формируется воздушный поток с необходимым давлением на выходе устройства. Внутри воздушного кольца скорость воздуха довольно высока, а показатели давления невелики.  В конце конструкции улитка расширяется, что приводит к уменьшению скорости и повышению давления. Таким образом формируется сила для накачки цилиндров мотора.

Особенности работы нагнетателя

Как и каждое устройство механический нагнетатель характеризуется нюансами работы:

1. Эффективная деятельность узла связана с быстрым вращением крыльчатки. По физическим законам центробежное давление равно скоростному значению крыльчатки, возведенному в квадрат. Скорость должна достигать 40 тысяч оборотов в минуту. Привод задействован от коленчатого вала через ременную передачу. Соответственно возникает шумовой эффект.
2. Небольшим недостатком можно считать возникающую задержку срабатывания. Но она существенно меньше по срокам, чем у турбонагнетателя.
3. К особенностям работы относят прибавку силы центробежного нагнетателя в условиях скоростных оборотов. При этом показатели давления растут вверх постепенно, а затем резко увеличиваются. Поэтому применение нагнетателей более оправдано на высокой скорости, чем при осуществлении разгонных действий.

Среди автовладельцев подобные нагнетатели пользуются востребованностью. Этому способствует доступная стоимость и простота монтажа. Подобные узлы заполнили рынок и постепенно вытесняют иные формы повышения давления в моторе.

Roots – современный тип нагнетателя

Roots – изделие из вида объемных нагнетателей. Конструкционные особенности не отличаются сложностью. В овальном корпусе находятся два ротора, вращающихся в противоположных направлениях. При этом оси, на которых расположены роторы, связываются подобными шестернями.

Ключевое отличие данного способа заключается во внешнем сжимании воздуха вместо внутреннего. На этом принципе основано второе название узла – компрессор с внешним сжатием.

​

Особенности Roots:

1. Из-за смены места нагнетания воздуха, эффективность работы достигает определенных значений, а затем идет на спад. Высокие показатели давления направляют поток назад, следовательно, коэффициент полезного действия падает на высоких скоростях.
2. Бывает, что мощность необходимая для создания давления служит базой увеличения показателей добавочной мощности мотора.
3. В компрессорах иногда образовывается турбулентность. В результате растет температура. Дополнительный нагрев приходится нивелировать установкой дополнительного интеркуллера.
4. Шум намного ниже, чем при эксплуатации центробежного нагнетателя. К тому же у Roots более приятная тональность для человеческого уха.
5. Данный тип уместно применять на малых и средних оборотах мотора. То есть разгон с ними наиболее эффективен.
6. Конструкционная простота обладает надежностью и редкой потребностью в ремонте.

Минимум элементов и небольшие скорости вращения характеризуют механические нагнетатели как долговечные. На их популярности негативно сказывается цена изделия.

Преимущества и недостатки

Проанализируем позитивные и негативные стороны устройства:

1. Применение нагнетателя может снизить срок эксплуатации двигателя. За поломку отвечают повышенные обороты. В этом плане нагнетатель с низкой и средней частотой оборотов более выгоден чем устройство для высоких скоростей.
2. Чтобы добиться реального роста мощности элементы двигателя лучше заменить аналогами с прочной структурой. Речь идет о кованых поршнях и шатунах.
3. Повышение температуры при работе некоторых моделей нагнетателей может негативно отразиться на работе двигателя. Требуется дополнительное охлаждение.
4. Показатели высокого давления и резкий скачек давления плюс неудовлетворительная работа поршня может вызвать детонацию.

Чтобы минимизировать возникающие проблемы, необходимо использовать высокооктановые сорта топлива, снижать степень сжатия и грамотно выбирать свечи зажигания.

 

 

 Вернутся к списку «Статьи и новости»

Что такое воздуходувка корневого типа и как она работает?

В этой статье вы узнаете больше о конструкции и работе воздуходувки типа Рутса и ее применении в качестве нагнетателя.

Принцип работы

На анимации ниже показан принцип работы воздуходувки типа Рутса ( нагнетатель типа Рутса ) с парой двухлопастных вращающихся лопастей ( роторы ), названного в честь его изобретателя Фрэнсис Корни . Жидкость перекачивается из со стороны всасывания ( вход ) до стороны нагнетания ( выход ) между отдельными выступами зацепления и корпусом. За счет противодавления на стороне нагнетания газообразная жидкость сжимается.

Рисунок: Структура воздуходувки Рутса (лопастной насос) Анимация: Принцип работы двухлопастной воздуходувки Рутса (лопастной насос)

Роторы обычно приводятся в движение ременным приводом и парой зубчатых колес, установленных сзади . Таким образом, роторы не приводятся в действие за счет контакта зацепляющихся с ними лопастей! Наоборот, между вращающимися лопастями должен оставаться даже небольшой зазор, так как в противном случае высокие скорости приводили бы к недопустимому выделению тепла, и роторы быстро изнашивались бы.

Рисунок: Ведущий шкив и зубчатая передача воздуходувки типа Рутса

Однако вместо двухлопастных роторов обычно используются трехлопастные или даже четырехлопастные роторы. Чтобы добиться более непрерывного сжатия и тем самым избежать скачков давления, роторы также закручиваются вдоль оси вращения. Профиль поперечного сечения роторов состоит из циклоид. Однако из-за бесконтактного зацепления это не циклоидная передача в полном смысле этого слова!

Рисунок: Трехлопастные роторные лопасти нагнетателя Рутса (лопастной насос) Анимация: Принцип работы трехлопастного нагнетателя Рутса (лопастной насос)

Воздуходувки типа Рутса используются, среди прочего, в качестве компрессоров для наддува двигателей внутреннего сгорания. Они также используются для перекачивания жидкостей или пищевых продуктов, таких как рис или крупы.

Рисунок: Компрессор для наддува воздуха в двигателях внутреннего сгорания

Нагнетатель типа Рутса

Анимация ниже показывает структуру и принцип действия нагнетателя типа Рутса, который используется для наддува воздуха для горения в автомобилях.

Анимация: Принцип действия нагнетателя типа РутсаРисунок: Нагнетатель типа Рутса (нагнетатель)

Воздух всасывается через прорезь спереди. Воздух поступает в корпус через это воздухозаборное отверстие, снабженное охлаждающими ребрами.

Рисунок: Воздухозаборник нагнетателя типа Рутса

Внутри нагнетателя типа Рутса находятся трехлопастные поворотные лопатки (роторы), которые нагнетают воздух между роторами и внутренней стенкой корпуса со стороны всасывания (вверху) на стороне нагнетания (внизу). Из-за «скопившегося» воздуха на стороне нагнетания давление там увеличивается и воздух соответственно сжимается.

Рисунок: Трехлопастные лопасти нагнетателя типа Рутса Анимация: Принцип работы нагнетателя типа Рутса

Вращающиеся лопасти приводятся в движение ременной передачей, при этом ведущий шкив приводит в движение только один из двух роторов напрямую. Второй ротор приводится в движение двумя косозубыми шестернями.

Рисунок: Ведущий шкив и косозубые шестерни нагнетателя типа Рутса

После того, как воздух нагнетается на сторону нагнетания, сжатый воздух можно использовать для процесса сгорания. Нежелательному повышению температуры при сжатии противодействуют охлаждающие ребра на корпусе.

Рисунок: Выход воздуха из нагнетателя типа Рутса

Соотношение давлений между стороной нагнетания и стороной всасывания нагнетателя типа Рутса обычно не превышает 2. В зависимости от скорости вращения КПД в этих случаях составляет около 50 %. . При больших перепадах давления КПД быстро снижается! По сути, чем меньше степень сжатия, тем эффективнее нагнетатели типа Рутса.

Конструкция роторов

Форма роторов воздуходувок типа Рутса состоит из циклоид так же, как и циклоидные шестерни . Однако между вращающимися лопастями нет передачи мощности, как в случае с циклоидными передачами!

Лопатка двухлопастная

Для конструкции двухлопастного ротора окружности качения для эпициклоид и гипоциклоиды выбирают на четверть диаметра базовой окружности (см. статью « Геометрия циклоидальные шестерни «).

Рисунок: Конструкция вращающихся лопаток двухлопастного нагнетателя Рутса (нагнетатель типа Рутса) Анимация: Конструкция вращающихся лопаток двухлопастного нагнетателя Рутса (нагнетатель Рутса)

Трехлопастная лопатка

Для конструкции трехлопастного ротора окружностей качения для создания гипоциклоид и эпициклоид должны быть выбраны на шестую часть диаметра базовой окружности .

Рисунок: Конструкция вращающихся лопастей трехлопастного нагнетателя Рутса (нагнетатель типа Рутса) Анимация: Конструкция вращающихся лопастей трехлопастного нагнетателя Рутса (нагнетатель типа Рутса)

Что такое нагнетатель Рутса?

Спасибо за вашу заявку. Ваша персонализированная домашняя страница доступна здесь. Вы можете отредактировать свой выбор в любое время.

Ваша персонализированная домашняя страница доступна здесь. Вы можете отредактировать свой выбор в любое время.

Вы можете персонализировать свой опыт в любое время во время вашего визита.

Гатлин Голд / 27 февраля 2020 г.

Нагнетатель лопастного типа «Roots» представляет собой нагнетатель объемного типа (PD), последний из которых был изобретен в конце 1850-х годов братьями Рутс. Нагнетательные воздуходувки работают с расходом и давлением как с независимыми переменными; это означает, что если давление увеличивается, а скорость остается постоянной, скорость потока практически не изменяется. Имея это в виду, воздуходувки PD идеально подходят для применений, требующих переменного расхода и давления.

Несмотря на то, что воздуходувка Рутса существует уже более 150 лет, основной прогресс в технологии лопастей за это время был направлен не на повышение эффективности, а на снижение уровня шума. Двухлепестковые воздуходувки производят волны очень высокой амплитуды на низкой частоте; для уменьшения амплитуды и увеличения частоты волн был добавлен третий лепесток. Хотя это новшество немного снизило эффективность, оно снизило уровень шума до уровня ниже 85 дБА, как того требует OSHA.

Как работает воздуходувка Roots?

Воздуходувки Рутса, как правило, представляют собой безмасляные технологии с воздушным охлаждением, состоящие из двух роторов, вращающихся в противоположных направлениях. Как только камера сжатия соприкасается с выпускным отверстием, сжатый воздух поступает обратно в корпус со стороны нагнетания. Дальнейшее сжатие происходит по мере дальнейшего уменьшения объема камеры сжатия при продолжающемся вращении.