Турбина или компрессор: две стороны одной медали
Потребность в увеличении мощности двигателя была всегда: еще в XIX-веке изобретатели ломали голову над этим вопросом. На сегодняшний день наиболее простой способ усиления мотора — увеличить давление воздуха на впуске. Турбонаддув и компрессор как раз предназначены для решения этой задачи, тем самым повысив КПД двигателя. Но в чем же разница?
Устройство
Главное отличие двух способов нагнетания — принцип их работы. Компрессор или нагнетатель — устройство, как правило, работающее от уже имеющейся тяги двигателя, тем самым происходит синхронизация скорости вращения между ними. Принцип действия компрессора заключается в механическом нагнетании воздуха во впускной коллектор. Он остается внешней деталью и не требует серьезного вмешательства в конструкцию ДВС для установки, но значительно увеличивает расход топлива. Из-за этого механические нагнетатели устанавливали только в премиальные авто.
Турбонаддув решает ту же задачу по-другому. Существует две крыльчатки, связанных между собой валом. Первая, горячая часть, приводится в действие выхлопными газами, выходящими под давлением через выпускной коллектор. Вторая, холодная часть, всасывает воздух из атмосферы и нагнетает его во впуск. Чем выше обороты двигателя, тем сильнее поток выхлопных газов, а значит, увеличится и давление нагнетаемого турбонаддувом воздуха. Расход топлива при этом не увеличивается, а иногда даже уменьшается, так как двигатель не растрачивает часть мощности на раскручивание нагнетателя.
Кроме прочего, турбонаддув становится частью смазочной системы двигателя, выхлопной системы и системы впуска. Также из-за отсутствия прямой связи между скоростью вращения двигателя и турбин может возникать два противоположных эффекта — турбояма и помпаж. В первом случае, это чревато падением мощности на низких оборотах из-за низкого давления, во втором — наоборот, с избыточным нагнетанием на впуске. Чтобы избежать обратного давления на холодную часть, устанавливается клапан, который стравливает избыточное давление, так называемый блоу-офф.
Частично эту проблему решили изобретением технологии TwinScroll и изменяемой геометрией крыльчаток. Первый вариант открывает резервный канал, который открывается или закрывается, в зависимости от оборотов коленчатого вала. Второй — регулирует размер лопастей, благодаря чему одна турбина может работать как на большом, так и на маленьком давлении выхлопных газов.
Единственное, что нужно сделать для корректной настройки работы компрессора — определить количество топлива, которое будет поступать в камеру сгорания для образования корректной смеси. В случае с турбиной, нужно не только настроить давление топлива, но и организовать защитные механизмы, чтобы турбина сама себя не разрушила. Также необходимо правильно выбрать расположение турбины, всех защитных клапанов и системы подачи нагнетенного воздуха в двигатель.
Отдельная каста энтузиастов экспериментировала с одновременной установкой компрессора и турбины. Такая схема позволяла нивелировать провалы в тяге на низких оборотах турбонаддува и недостатка мощности на высоких оборотах у механических компрессоров. Массово связка применялась крайне редко, наиболее известный из примеров — мотор VAG — EA111, надутый турбиной KKK K03 и механическим нагнетателем Eaton TVS. Негативную славу из-за плохой надежности связка получила, как двигатель 1.4 TSI для Volkswagen Golf, Jetta, Scirocco и других.
Историческая справка
Первые компрессоры появились ещё в конце 19 века, инженеры Г. Даймлер и Р. Дизель запатентовали собственные варианты нагнетателя. Реализация наработок оказалась слишком дорогой, сложной и громоздкой, поэтому серийной реализации не было. Турбонаддув в 1905 году запатентовал Альфред Буши. Конструкция его изобретения была близка к современным изделиям, однако, надежность оставляла желать лучшего.
Эти наработки пригодились производителям авиационных двигателей. Последним не хватало мощности при полетах, на высоте более 5 километров воздух разреженный, стандартных механизмов забора воздуха не хватало. Решение оказалось относительно простым — усилить давление на впуске с помощью компрессора.
Так как двигатели для самолетов изготавливали преимущественно автопроизводители, вскоре технология появилась и в автомобилях. Первым серийным автомобилем с компрессором стал Mercedes-Benz 28/95 PS. Без нагнетателя мощность его двигателя составляла 99 сил, а при его включении — 140.
Что лучше?
Большую часть прошлого века на рынке доминировали компрессоры. Качество масла было низким, технологии сильно отставали от современных, а значит, выбор в пользу турбонаддува автопроизводители сделать не могли. Начиная с 70-х, когда мир впервые ощутил топливный кризис, автовладельцы и производители были вынуждены обратить внимание на прожорливость моторов. И, так как турбина позволяет экономнее расходовать топливо, увеличивая отдачу с литра объема, фокус вновь стал смещаться в её сторону.
Плюсы механического компрессора
- Не зависит от качества расходных материалов. Ему нет дела до качества масла и исправности системы охлаждения двигателя.
- Для установки не требуется вмешательство в конструкцию двигателя. Устанавливается полностью как самостоятельное вспомогательное устройство, вроде гидроусилителя.
- Надежность. За счет отсутствия сложных технических решений в его архитектуре, как правило, служит столько же, сколько и двигатель.
- Работает на одних оборотах с двигателем. За счет этого, система не подвержена избыточному давлению на впуске и провалам мощности.
Минусы компрессора
- Прирост мощности значительно ниже, чем у турбонаддува.
- Значительное увеличение расхода топлива.
Плюсы турбонаддува
- Высокая эффективность работы. На максимальных оборотах, прирост мощности может достигать 50%.
- Нагнетает воздух за счет потока выхлопных газов. Благодаря этому двигатель может расходовать меньше топлива для развития большей мощности.
Минусы турбонаддува
- Максимальная эффективность достигается на предельных скоростях вращения.
- Вмешательство в устройство двигателя для корректной работы: необходимо видоизменять выпускной коллектор и включать турбину в масляный контур.
- Расход масла. Как ни крути, часть масла будет вылетать в атмосферу через турбину. Нормой считается расход масла до 1л на 10 000 км пробега.
- Ресурс турбонагнетателя, как правило, ограничивается 200 000 км пробега из-за сложности конструкции и износа деталей.
- Сложность настройки при установке.
Выводы
По итогу, каждому свое: турбонаддув сейчас активно используют многие автопроизводители для повышения экологического класса автомобилей, а компрессоры — для бескомпромиссного увеличения мощности. Энтузиасты пробовали совместить две системы, но качественно реализовать задачу было сложно, поэтому, например, Volkswagen довольно быстро оказались от такой связки.
