Турбина или компрессор - что лучше? В чем разница?

Содержание:
Одной из основных задач, стоявших перед разработчиками с момента рождения ДВС, являлось повышение его мощности. Решение проблемы в лоб – увеличение количества цилиндров – приводит к росту массы и габаритов двигателя, а также вызывает другие сложности. Тем не менее, ещё на самых первых моторах был определен достаточно простой вариант увеличения мощности до пятидесяти процентов, при сохранении всех прочих характеристик силового агрегата. Добиться этого позволяет нагнетатель, обеспечивающий подачу дополнительного количества воздуха в двигатель авто. 







Вот здесь и скрыта тонкость, позволяющая повысить мощность двигателя. Если в него подавать ТВС под давлением, то в тот же самый объем ее поместится гораздо больше, и значит, в процессе сгорания смеси выделится больше энергии и увеличится мощность, которую способен развивать силовой агрегат. Для увеличения объема воздуха, идущего в цилиндры двигателя авто, используется нагнетатель (компрессор). Так называется механизм для сжатия и подачи газа под давлением.

Дополнительным преимуществом может стать экономия топлива, т. к. необходимой мощности можно добиться от мотора меньшего объема. 

НАГНЕТАТЕЛЬ ВОЗДУХА НА АВТО – НЕ ВСЕ ТАК ПРОСТО

Однако использовать нагнетатель воздуха прямо в лоб оказалось достаточно затруднительно. Дело в том, что хотя мощность двигателя при этом увеличилась, но это создало ряд новых проблем, которые требовали своего решения для успешного внедрения наддува на авто. Одной из них явилось выделение значительно большего количества тепла при сгорании ТВС, из-за чего прогорали клапана, поршни, выходила из строя система охлаждения.
 
Другой особенностью стала повышенная вероятность возникновения детонации бензинового двигателя. Когда нагнетатель осуществляет дополнительную подачу воздуха в мотор, то возникающие в них при сжатии повышенные температура и давление могут вызвать детонацию, вследствие чего возможно разрушение двигателя, или как минимум, его преждевременный значительный износ. Избежать этого поможет использование высокооктановых видов топлива или декомпрессия, так по-другому называется уменьшение степени сжатия.





Новые виды горючего дороги, что увеличивает стоимость эксплуатации авто, а декомпрессия приводит к снижению выдаваемой мощности, т.е. теряется эффект от использования наддува воздуха. 



НАГНЕТАТЕЛЬ НА АВТО – КАКИМ ОН БЫВАЕТ

Подачу воздуха в мотор можно осуществить разными вариантами, при которых используется внешний нагнетатель или складывающиеся условия в процессе движения. Исходя из этого, можно определить такие способы наддува:

➤ механический, когда на авто устанавливается механический нагнетатель, приводимый в действие от коленвала мотора;

➤ турбонаддув, когда предусмотрено использование турбо нагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами;

➤ электрический, в этом случае в авто применяется электрический нагнетатель воздуха;

➤ «Comprex», при этом способе отсутствует приводной нагнетатель, а в цилиндры подача воздуха осуществляется с помощью выхлопных газов;

➤ комбинированный, при котором используются несколько различных схем, как правило, совмещают механический нагнетатель и турбонаддув.



Существуют и другие способы, обеспечивающие подачу воздуха в двигатель авто, но выше отмечены наиболее часто применяемые на машинах. На отечественных, кстати, в том числе семейства ВАЗ, подобные устройства серийно не устанавливались. 

МЕХАНИЧЕСКИЙ НАГНЕТАТЕЛЬ НА КАРБЮРАТОРНЫЙ АВТО – ВАРИАНТЫ ПОСТРОЕНИЯ 

Механический нагнетатель был создан одним из первых, почти после появления ДВС. Он связан непосредственно с коленвалом двигателя авто и начинает работать сразу же после его запуска, обеспечивая подачу воздуха пропорционально оборотам мотора. Это является несомненным достоинством, но такой нагнетатель для своей работы отбирает часть мощности двигателя. 

Нагнетатель ROOTS

Существует несколько самых распространенных вариантов построения подобных устройств, наиболее известные из них показаны на фото. Их конструктивные особенности рассмотрены ниже:

➤ Нагнетатель ROOTS. Первоначально это были две обычные шестеренки, вращающиеся в разные стороны, помещенные в замкнутый корпус. С течением времени они видоизменились до того, что представлено на фото. Работает такой нагнетатель достаточно просто – вращающиеся лопатки ротора создают воздушный поток от входа к выходу. Основной недостаток подобных устройств – подача воздуха осуществляется неравномерно, что приводит к пульсации давления. Кроме того, после прохождения устройства возникающая турбулентность воздуха вызывает его нагрев. К достоинствам надо отнести простоту, компактность, и надежность, низкий уровень шума.

➤ Нагнетатель LYSHOLM. Относится к аппаратам винтового типа. Работает подобное устройство аналогичным образом – воздушный поток создается вращающимися роторами. Благодаря малому зазору между ними, обеспечивается требуемое качество наддува. Главным отличием подобного устройства будет сжатие воздуха внутри корпуса. Однако сложности проектирования и изготовления таких изделий вызывают их высокую стоимость, что ограничивает их применение в массовом производстве авто.

➤ Центробежный нагнетатель. Является наиболее распространенным типом и применяется как самостоятельно, в виде компрессора, так и в составе турбо устройств. Вращающиеся лопатки захватывают воздух и отбрасывают его на периферию корпуса. Двигаясь вдоль корпуса, имеющего улиткообразную форму, воздушный поток на выходе приобретает необходимое давление. 

Нагнетатель LYSHOLM

Для того чтобы центробежный нагнетатель работал эффективно, его крыльчатка должна вращаться с высокой скоростью. Обеспечение такого режима работы связано с трудностями смазки подшипников и создания подобных условий. Однако простота и относительно низкая стоимость самих устройств, сделала их наиболее популярными среди других типов нагнетателей. Особенно часто они используются для тюнинга авто, в том числе и семейства ВАЗ. 



ТУРБОКОМПРЕССОР

Такой подход к обеспечению мотора дополнительным количеством воздуха является наиболее популярным. Применяется он и для дизелей, и для бензиновых моторов. Принцип, на котором работает подобный нагнетатель, понятен из приведенного рисунка: 



По сути дела, это комбинация двух устройств – турбины, использующей энергию выхлопных газов, и компрессора. Здесь надо сразу отметить, что режим турбо, применяемый для повышения мощности дизелей, применяется гораздо чаще, чем нагнетание воздуха в бензиновых двигателях. В них повышение давления ограничено появлением детонации, и введение режима турбо требует принятия специальных защитных мер.

Использование энергии отработанных газов связано с целым комплексом проблем, в первую очередь с применяемыми материалами. Лопатки турбины должны выдерживать температуру до тысячи градусов, и при этом скорость их вращения зачастую превышает десять тысяч оборотов в минуту. Однако режим турбо, при котором в дизель поступает дополнительный воздух, облегчает его работу.

Исходя из изложенных особенностей, наилучшим образом наддув турбо будет выполняться при высоких оборотах двигателя, когда турбина сильно раскручена. Другой особенностью такого режима является так называемое запаздывание. В момент резкого нажатия педали, пока сработает наддув в режиме турбо, проходит некоторое время, что и вызывает провал в характеристике или турбо ямой.



Чтобы его обойти, применяются специальные технические решения. Одним из возможных вариантов будет применение двух нагнетателей турбо, один из которых работает на малых оборотах, а другой на высоких. Каждый из автопроизводителей по-своему решает эту задачу – кто-то использует мощный нагнетатель, обеспечивающий излишний приток воздуха на всех режимах, и при необходимости сбрасывает его излишки, кто-то применяет несколько маленьких нагнетателей вместо одного большого, кто-то реализует различные комбинации двух первых вариантов.

Если говорить о режиме турбо для бензиновых двигателей, то стоит отметить, что он максимально эффективен на впрысковых двигателях. Карбюраторный мотор может работать в режиме турбо, но ему необходима определенная доработка – установка жиклеров большего сечения, изменение уровня поплавковой камеры и ряд других мер. Тогда как для инжекторного двигателя все сведется к использованию новой прошивки.
 
Тем не менее, режим турбо зачастую реализуют и на старых машинах, в том числе и семейства ВАЗ, правда, в этом случае чаще всего применяют электрический наддув.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГНЕТАТЕЛЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ

Подобные системы, реализующие режим турбо, относятся к комбинированным. В них чаще всего используется электрический мотор, работающий совместно с центробежным нагнетателем. Достоинством такого подхода, когда привод выполнен как электро, является его универсальность. Он не связан напрямую с работой двигателя, как механический наддув, и электрический мотор можно использовать при любых условиях.

Благодаря такому приводу как электро, можно избежать провала в характеристике нагнетателя. На средних и малых оборотах мотора работает электрический нагнетатель, на высоких включается турбина и реализуется обычный режим турбо. Подобные возможности построения наддува с использованием такого привода как электро, привлекают внимание все более широкого круга автопроизводителей.



Стоит отметить, что нагнетатель электро является привлекательным для выполнения тюнинга авто, в том числе и семейства ВАЗ. На этом рынке есть (отличный от уже описанных) осевой электрический нагнетатель. По оси воздуховода ставится вентилятор (электро). Когда он работает, то усиленный поток воздуха направляется во впускной коллектор. Фактически, таким образом вентилятор (электро) обеспечивает наддув.

К достоинствам, которыми обладает подобный электрический нагнетатель, следует отнести простоту его реализации. Для создания такой системы наддува не требуется никаких технически сложных систем и устройств, обычный бытовой вентилятор (электро) зачастую справится с обеспечением подачи нужного дополнительного количества воздуха в цилиндры мотора.

Использование такой техники позволяет без особых затруднений провести тюнинг старых машин, например таких, как ВАЗ ранних годов выпуска.

НАГНЕТАТЕЛЬ НА ВАЗ

В данном случае проблему надо рассматривать несколько шире – речь зачастую идет не конкретно о каком-то автомобиле семейства ВАЗ 2114, а вообще об улучшении атмосферного двигателя. Это достаточно сложная проблема, и она не имеет однозначного решения. Конечно, решаясь улучшить характеристики старого автомобиля, например какой-то модели ВАЗ или Москвича, при использовании штатного двигателя его мощность можно увеличить только с помощью наддува.

Однако это далеко не так просто сделать, как кажется с первого взгляда. Повышение мощности мотора ВАЗ Приора 16 клапанов, как и любого другого, должно сопровождаться дополнительными изменениями, обеспечивающими правильное использование подобного усовершенствования. В противном случае измененный двигатель очень быстро выйдет из строя. 



В то же время благодаря тюнингу двигателя, старый ВАЗ или любой другой подобный автомобиль, может получить новую жизнь, тем более что сделать подобные улучшения достаточно просто и не слишком дорого. Гораздо проще грамотно и правильно поставить на ВАЗ нагнетатель воздуха, что обеспечит прирост порядка тридцати процентов мощности двигателя, чем заниматься полной переделкой мотора в поисках тех же самых тридцати процентов мощности.



Но это уже совсем другая тема, в том числе и в отношении старых автомобилей ВАЗ, и хотя она не менее интересна, ее рассмотрение надо проводить самостоятельно. 

Использование дополнительного объема воздуха для обеспечения прироста мощности двигателей, в том числе и семейства ВАЗ, довольно известный и давно освоенный автостроителями прием. Он позволяет решить многие вопросы, связанные с получением большей мощности от сравнительно небольших моторов, правда, при соблюдении ряда правил. Но, тем не менее, этот подход достаточно широко применяется разработчиками различных марок авто.

ВАЗ 2105 компрессор - видео



История турбонагнетателя

Сложно это представить, но еще в 1909 году автомобиль с двигателем внутреннего сгорания установил рекорд скорости в 200 км/ч – достижение для тех времен невероятное. Еще сложнее представить объем двигателя, благодаря которому удалось разогнать авто до такой скорости – 28 литров! Даже речи быть не могло, чтобы запустить такие агрегаты в массовое производство, ведь их обслуживание своими руками было практически невозможным, ввиду огромных габаритов двигателя.

К счастью, дальнейшие разработки автомобильных инженеров велись в сторону уменьшения объема при сохранении мощностей, а также упрощения конструкции. Чтобы автомобиль стал массовым, следует дать возможность ремонтировать его своими руками – так размышляли первые автомобилестроители и были совершенно правы.

Благодаря появлению нагнетателя, удалось при сохранении всех параметров сходу увеличить мощность на целых 50 %! Сегодня опытному автомобилисту не составит труда своими руками установить одну из популярных систем турборежима. 

Нагнетатель воздуха – как влить силы в двигатель?

С развитием автомобилестроения возникали и различные способы компрессии воздуха. Многие разработки уверенно дошли и до наших дней. Итак, разберемся, какие способы наддува существуют:

Механический нагнетатель - устройство и принцип работы



Механизм, о котором пойдет речь в этой статье, известен нам как Механический нагнетатель, Supercharger, Kompressor. За этими названиями скрывается устройство, повышающее мощность двигателя за счет нагнетания в цилиндры воздуха под давлением, превышающем атмосферное.

Основным отличием данной системы от турбонаддува является то, что для привода компрессора используется не бесплатная энергия выхлопных газов, а часть энергии, производимой двигателем.

Отсюда все плюсы и минусы механических нагнетателей, к которым с одной стороны можно отнести мгновенный отклик на нажатие педали газа (компрессор всегда готов к своей работе, нет необходимости ждать пока он раскрутится и выйдет на свои рабочие обороты), отличную тягу на низах, а с другой стороны — повышенный расход топлива и меньшая итоговая мощность при том-же давлении наддува, нежели у систем с турбонаддувом. 

Виды механических нагнетателей

В отличие от турбокомпрессора, в простонародье прозванного "улиткой" и имеющего лишь такой форм-фактор, механические нагнетатели бывают нескольких типов.

Роторный нагнетатель Roots

Роторный нагнетатель Roots

Этот самый древний и самый простой тип нагнетателей, обязан своим появлением американцам — братьям Филандер и Фрэнсис Рутс, еще в 1860 (!) году запатентовавшим этот роторный вид нагнетателя. Примечательно, что первоначально этот механизм использовался исключительно для вентиляции промышленных помещений и шахт, и лишь в 1885 году всем известный Готтлиб Даймлер получил свой патент на нагнетатель, работающий по принципу нагнетателя братьев Рутс. В 1900 году увидел свет первый серийный автомобиль марки Daimler-Benz, оснащенный первым механическим нагнетателем типа Рутс. 

В 1949 году другой американский изобретатель, Итон, улучшил конструкцию нагнетателя — прямозубые шестерни уступили место косозубым роторам и воздух начал перемещаться не поперек их осей вращения а вдоль. Но как и до модернизации, основным принципом работы нагнетателей типа Roots стала простая перекачка воздуха в другой объем, без сжатия воздуха внутри механизма, так что роторный нагнетатель Roots это объемный нагнетатель, а не компрессор.



У этого вида нагнетателей есть ощутимые недостатки. С ростом оборотов двигателя и соответственно, скорости вращения роторов, нагнетатель начинает накачивать воздух слишком интенсивно и воздух начинает проникать обратно в нагнетатель. Таким образом, с определенного уровня оборотов, нагнетатель Рутс начинает потреблять мощности двигателя больше чем способен дать в ответ. В добавок, из-за несовершенной формы роторов, воздух подается неравномерно, прерывистыми качками, тем самым понижая КПД нагнетателя.

Однако есть и неоспоримые достоинства. Нагнетатели данного типа, в отличие от центробежных, начинают свою работу уже при низких оборотах и продолжают, без потери эффективности, нагнетать воздух в цилиндры. Этим качеством обусловлена любовь спортсменов — дрэгстеров и роддеров по всему миру к этим, самым простым нагнетателям.

Винтовой (спиральный) компрессор Lysholm

Винтовой (спиральный) компрессор Lysholm

Автором идеи винтового компрессора является немецкий конструктор Кригар, еще в конце XIX века предложивший использовать подобные устройства в промышленных целях. Первый в мире винтовой нагнетатель был изготовлен и запатентован шведским инженером Альфом Лисхольмом в 1936 году и на данный момент компрессоры Лисхольм — наиболее совершенный и эффективный тип нагнетателей.

Внешне компрессор типа Lysholm очень похож на нагнетатель Roots, однако существенно отличается от него конструктивно. Внутри те же два ротора, однако их формы заострены елочкой, а сами они похожи на сверла. Поэтому компрессор и называется винтовой (спиральный). При вращении роторов воздух проникающий в нагнетатель не просто перекачивается в другой объем, а сжимается, следовательно, в отличие от нагнетателей Roots, воздух с ростом оборотов вытесняться обратно в нагнетатель не будет. Отсюда — отличный стабильный КПД в широчайшем диапазоне оборотов.

Однако и у этого совершенного агрегата есть минусы. Самый главный из них — очень высокая себестоимость и цена, делающая этот агрегат труднодоступным. Ну и конечно чуда не произошло — компрессор типа Lysholm все так-же потребляет мощность двигателя, ведь он приводится так-же — ремнем от шкива коленвала.

Для более наглядного представления о компрессоре Лисхольм, давайте разберем один =)

Компрессор Lysholm в сравнении с нагнетателем Eaton типа Roots

Внешний вид. На фото — один из самых больших производимых сейчас Лисхольмов

А вот что находится внутри — те самые сверла спиральных роторов

Центробежный нагнетатель



Один из старейших видов нагнетателей. Был запатентован в 1902 году Луи Рено.

По своей конструкции очень близки к турбокомпрессорам, основное отличие от которых — отсутствие т.н. "горячей части" (турбины). Вместо нее расположен приводной шкив с редуктором. Достоинства те-же что и у турбокомпрессора, плюс малый вес. Недостатки также аналогичны турбокомпрессорам. Центробежный нагнетатель вступает в работу не сразу, а лишь по достижении рабочих оборотов. В плюс к недостаткам турбины у этого вида нагнетателей — отбирание мощности у двигателя.



Суперчарджер. Приводной компрессор - видео



Турбина или компрессор - видео