Нагнетатель () — механический агрегат, осуществляющий сжатие газа (более 15 кПа) без его охлаждения. Компрессоры, в отличие от нагнетателей, охлаждают газ. Вентиляторы, аналогично нагнетателям, не охлаждают газ, но создают давление менее 15 кПа.Компримирование//Химический энциклопедический словарь —М.: Советская энциклопедия, 1983

Может применяться, например, на поршневых и роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания (далее — ДВС) и в газотурбинных двигателях. Работает за счёт энергии, получаемой от самого ДВС, и осуществляет наддув, то есть принудительное нагнетание воздуха в ДВС с целью его всережимной форсировки или (в отдельных случаях) продувки.

Нагнетатель как часть агрегатного наддува

Применение нагнетателя и его назначение

Нагнетатель может применяться на поршневых и роторно-поршневых ДВС, работающих по любому термодинамическому циклу и с любым числом тактов. Для большинства типов подобных ДВС нагнетатель является дополнительной частью конструкции, не влияющей на принципиальную возможность работы самого ДВС. Основная задача нагнетателя здесь — наддув с целью повышения мощности и коэффициента полезного действия. Под наддувом подразумевается в первую очередь принудительное нагнетание воздуха в ДВС с давлением выше текущего уровня атмосферного, приводящее к увеличению плотности и массы воздуха в камере сгорания перед тактом рабочего хода, что, в свою очередь, согласно правилу стехиометрической горючей смеси для конкретного типа двигателя, позволяет сжечь больше топлива, а значит увеличить крутящий момент (и мощность, соответственно) на любой сравнимой с безнаддувным двигателем частоте вращения коленвала/ротора. В рамках этой задачи наддув с помощью нагнетателя есть лишь один из возможных методов форсировки и/или повышения КПД, и наличие или отсутствие нагнетателя определяется лишь целями и бюджетом разработчиков конкретного двигателя. Исключением из этого правила является только некоторые типы двухтактных поршневых ДВС, где нагнетатель в первую очередь выполняет задачу по принудительной продувке цилиндров на стыке двух рабочих тактов и присутствует во впускной системе такого ДВС практически всегда.

Типы нагнетателей по их энергетическому приводу Нагнетатель работает за счёт того или иного вида энергии, получаемой с самого ДВС либо напрямую, либо опосредованно. Возможно использование энергии выхлопных газов (турбонагнетатель), механической энергии вращения валов ДВС (центробежный нагнетатель или винтовой суперчарджер), электрической энергии, или же - использование и электрической энергии, и энергии выхлопных газов (турбонагнетатель с мотором-генератором на болидах Формулы-1). В зависимости от своего энергетического привода конструкция нагнетателя имеет свои технические особенности и своё собственное название. Нагнетатели, работающие от энергии выхлопных газов, называются турбонагнетателями, от механического привода — приводными нагнетателями. Также есть нагнетатели, работающие от электрической энергии, но для их описания устоявшийся русскоязычный термин пока отсутствует и их можно называть как электронагнетателями, так и нагнетателями с электроприводом.

В теории лопастных машин термины «нагнетатель» и «компрессор» не тождественны. Обычно лопастные машины, повышающие давление потока не более, чем на 10%, относят к вентиляторам; на 20...25% — к нагнетателям; большие давления соответствуют компрессорам. В обиходе нагнетатель в сборе часто называют «турбиной», хотя в приводном нагнетателе турбина вообще отсутствует, а в газотурбинном является лишь приводом нагнетателя.

Турбонагнетатель

Таковым является нагнетатель, конструкция которого включает в себя миниатюрную турбину, а принцип работы основан на использовании энергии потока выхлопных газов самого двигателя, на который осуществляется наддув. Выхлопные газы, воздействуя на турбину, располагающуюся в выпускной системе сразу за выпускным коллектором, раскручивают её, совершая работу в адиабатическом процессе, а она передаёт энергию вращения на нагнетатель, который адиабатически совершает работу над воздухом, повышая его давление и температуру. Принципиальная конструкция каждого из двух исполнительных узлов турбонагнетателя в общем и целом идентична для любой разработки, доведённой до стадии работающего агрегата, и предполагает одну одноконтурную турбину и один центробежный нагнетатель. При этом фактическая конструкция турбины, нагнетателя, вала и корпуса может быть весьма различной: так, помимо канонических простых совмещённых турбонагнетателей фиксированой геометрии на подшипниках скольжения, возможно применение турбин изменяемой геометрии, применение двойных спиральных каналов подвода газов к турбине, применение двойных каналов выхода воздуха с нагнетателя, разнесение турбины и нагнетателя на существенное расстояние друг от друга, применение керамических роторов, установка вала на подшипниках качения. Важными (хотя и не особо декларируемыми) критериями мощности и эффективности турбонагнетателя являются наружные диаметры его турбинного и насосного колёс (что можно примерно оценить визуально по размеру корпуса), частота вращения ротора и величина турболага, присущего всем без исключения турбинам.

Турбонагнетатель всегда работает в режиме высоких температур выхлопных газов, а подшипники вала турбонагнетателя являются самой теплонапряжённой деталью двигателя, которая контактирует с моторным маслом, что накладывает особые требования как к технологии производства деталей, составляющих турбонагнетатель, так и к качеству масла и его ресурсу. И то и другое долгое время было одним из сдерживающих технологических факторов для какого-либо массового внедрения турбонагнетателей на бензиновых двигателях .

Любой бензиновый двигатель с турбонагнетателем изначально проектируется под наддув. Применение турбонагнетателя на бензиновом двигателе, изначально спроектированном как , без переделок в принципе возможно, но приведёт к быстрому (если не мгновенному) разрушению такого двигателя при работе. Необходимость постоянного контроля детонации требует наличия некоей управляющей электроники, что обычно подразумевает систему питания двигателя на основе электронного (или как минимум электронно-механического) впрыска. Массовые карбюраторные двигатели с турбонагнетателями были крайне редки ввиду чрезмерной механической сложности своих систем питания. Широкое применение турбонагнетатели получили на дизельных двигателях коммерческого транспорта — на двигателях грузовиков, тракторов, локомотивов, судов. Здесь разрешающими факторами стали повышенная детонационная стойкость дизельных двигателей и их более высокий КПД, предполагающий меньший уровень теплового излучения, относительная нетребовательность к эффективности работы двигателя коммерческого транспорта в переходных режимах, достаточное пространство моторного отсека.

Особенностью работы турбонагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что в случае его применения эффект от наддува всегда превышает энергетические затраты на наддув. То есть, для любого двигателя, оснащённого турбонагнетателем, всегда возможно получить такой режим наддува, который форсирует двигатель настолько, что разрушит его. Мощность любого двигателя с турбонагнетателем в 100 % случаев ограничивается прочностью самого двигателя, его моторесурсом, а не эффективностью турбонагнетателя. Необходимость ограничения эффекта наддува есть причина того, что турбонагнетатель никогда не применяется в двигателях сам по себе, а только в составе системы турбонаддува, в которой он является основной её часть, но не единственной.

Приводной нагнетатель

Таковым является нагнетатель, конструкция которого состоит из нагнетателя и некоего механического привода, посредством которого, в свою очередь, и обеспечивается работа нагнетателя за счёт использования мощности, получаемой с двигателя, на который осуществляется наддув. Единого общего вида у приводного нагнетателя нет. Исходя из принципов работы, приводные нагнетатели могут быть объёмные, то есть осуществляющие наддув за счёт уменьшения объема образующейся рабочей камеры, и динамические (лопастные), то есть осуществляющие наддув за счёт взаимодействия воздуха с лопастями вращающегося рабочего колеса. В группу объёмных нагнетателей попадают такие конструкции как: кулачковые (американских фирм , Eaton), винтовые (американский Lisholm, немецкий Mercedes 2000-х годов), спиральные (немецкий G-Lader, применявшийся на Volkswagen в 1990-х), шиберные (британский нагнетатель PowerPlus для довоенных MG и Rolls-Royce Merlin). Динамические приводные нагнетатели известны только центробежного типа, известных собственных названий они обычно не имеют, а их конструкция более-менее универсальна. Независимо от типа нагнетателя, конструкция его механического привода не имеет принципиального значения для работы нагнетателя в целом, с теми лишь особенностями, что привод нагнетателя имеет повышающее передаточное отношение (порядка 0,15—0,08), а иные конструкции привода позволяют включать/отключать нагнетатель (в том числе по аналоговому принципу) по команде водителя или блока управления. Сами приводы возможны промежуточными валами, шестернями, зубчатыми ремнями, цепями, набором трапецеидальных ремней, а также прямые приводы с торцов коленчатого или распределительного валов. В случаях отключаемого привода используются муфты различной конструкции.

Особенностью работы приводного нагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что на его привод двигатель вынужден расходовать существенную часть своей так называемой индикаторной мощности. Это приводит к тому, что все двигатели с приводными нагнетателями имеют высокий удельный расход топлива, который может в несколько раз превышать удельный расход топлива безнаддувного двигателя сравнимой нетто-мощности. На высоких оборотах двигателя затраты мощности на привод нагнетателя растут нелинейно относительно роста отдачи от его применения, что ещё более увеличивает значения удельного расхода топлива, а сама разница между индикаторной мощностью и нетто-мощностью на максимальных режимах может достигать значения в 50% от нетто.

Ввиду относительно низкого уровня термонапряжённости при работе, приводные нагнетатели относительно нетребовательны к технологии металлов и качеству смазки, и работоспособный надёжный агрегат наддува на основе приводного нагнетателя был доступен к производству практически одновременно с появлением массовых автомобилей. Однако ввиду требований к точности производства деталей приводные нагнетатели были в любом случае дороги, и их применение в первой половине XX-го века ограничивалось эксклюзивными, псевдоспортивными или гоночными автомобилями. Второй областью применения приводных нагнетателей были поршневые авиадвигатели, в которых наддув был призван компенсировать понижение атмосферного давления на высоте и связанное с этим разрежение воздуха. После Второй мировой войны авиация перешла на турбореактивные двигатели, а конструкторы автомобильных двигателей пошли по пути безнаддувной форсировки, в результате чего приводные нагнетатели оказались почти забыты, и их уделом остался лишь американский тюнинг или некоторые американские и редкие европейские модели дорожных машин. В начале 2000-х приводные нагнетатели стали появляться на относительно недешёвых дорожных машинах в составе комбинированных агрегатов наддува в паре с турбонагнетателем. Подобные системы наддува применяются до сегодняшнего момента, хотя в последние годы существует тенденция вытеснения комбинированного наддува эффективным всережимным турбонаддувом на основе турбин типа Twin-Scroll или турбин изменяемой геометрии, а также комбинированным наддувом из турбонагнетателя и электронагнетателя.

Особенности применения на автомобильных двигателях