Нагнетатель и турбина в чем разница
В чем отличия приводного центробежного нагнетателя и турбины?
Вот как работают центробежные приводные нагнетатели
Внешне центробежные нагнетатели выглядят очень схоже со своими ближайшими родственниками – обычными турбинами. Действительно, между двумя системами подачи воздуха в цилиндры много общего, но тем не менее отличий у них не меньше.
Использование принудительной индукции для получения большей мощности с единицы объема двигателя может быть достигнуто несколькими различными способами. Одним из таких способов является применение нагнетателя центробежного типа, использующего механическую мощность двигателя, а не энергию выхлопных газов, для того чтобы загнать больше воздуха в цилиндры, сжечь больше топлива и получить больше мощности. Но как именно работает центробежный нагнетатель? Небольшой ликбез ниже.
Технические отличия центробежного нагнетателя от турбины
Центробежный нагнетатель очень похож на турбокомпрессор, если посмотреть на него со стороны такого технического элемента, как диффузор компрессора. В простонародье его называют «улиткой» за схожий внешний вид, и это не случайно.
Как в турбине, он использует крыльчатку для сжатия воздуха, поступающего извне, и принудительно направляет его в цилиндры двигателя. Главное конструктивное отличие, как вы уже догадались, заключается в отказе от использования выхлопных газов для раскручивания крыльчатки – центробежный нагнетатель вместо этого использует шкив, приводимый в движение двигателем механически. Поэтому он относится к типу приводных нагнетателей.
Зачем нужно было городить такой огород, если уже существует очень схожая конструкция, появившаяся еще на заре автомобилестроения? Конечно же, в этом есть свой важный смысл и определенные преимущества.
Плюс. Поскольку вращение компрессора центробежного типа зависит от оборотов двигателя, центробежная турбина не будет нагнетать такое же количество воздуха на низких оборотах, как и на высоких. Это хорошо при обыденной эксплуатации автомобиля, например, в городе, в пробках или при вялотекущем движении. Пиковая мощность не будет достигаться до тех пор, пока вы не раскрутите мотор до более высоких оборотов. Значит, будет экономиться топливо.
Минус. В то же время моторы с установленными на них центробежными нагнетателями будут выдавать максимальную мощность на самых высоких оборотах, что создаст определенный дефицит энергии при начале разгона.
Таким образом, у двигателя с центробежным наддувом будет больше энергии на высоких оборотах. Это является одним из главных недостатков центробежных нагнетателей – у них достаточно узкий диапазон работы, стремящийся к максимальным оборотам двигателя.
Минус. Также центробежные турбины отличаются более сложной конструкцией и повышенными оборотами вращения крыльчатки. В конструкции появляется такой элемент, как повышающий редуктор (это лишний вес), а скорость вращения выходного шпинделя будет катастрофически огромной, вплоть до 250.000 оборотов в минуту! От таких нагрузок страдают конструктивные элементы, надежность падает.
Минус. Еще одним минусом можно назвать забор мощности турбины от двигателя. Она ведь приводится механически, а значит, мотору приходится трудиться за двоих.
Плюс При этом жесткая сцепка «двигатель – компрессор» дают положительный результат. Отзывчивость становится практически моментальной, «турбоямы» для этой конструкции не известны.
По этой причине такая система принудительного увеличения мощности подойдет не каждому автомобилю. Впрочем, автопроизводители повсеместно все чаще начинают использовать именно нагнетатели, предпочитая устанавливать их на свои новые модели автомобилей вместо классических турбин. Это обусловлено, в первую очередь, возможностью его тонкой настройки, скажем, при помощи бортового компьютера, который сможет включать и отключать турбину при изменениях исходных данных. Хотя практической необходимости с ПЦН в этом нет.
Небольшое видео на тему (для комфортного просмотра включите перевод субтитров)
Главные отличия между двигателем с турбонаддувом и компрессором
Многие автопроизводители постепенно отказываются от обычных атмосферных моторов и переходят на турбированные или компрессорные двигатели. Но вот в чём между ними разница, и какой из них лучше?
Зачем нужны нагнетатели?
Компрессоры или турбины устанавливают на двигатели для увеличения их мощности. При помощи этих агрегатов можно добиться хороших мощностных и динамических показателей при минимальном литраже мотора.
Рост мощности происходит за счёт нагнетания в цилиндры большого объема воздуха. Практически все современные моторы идут по пути установки турбины, а вот компрессорные нагнетатели, наоборот, уходят в прошлое.
Компрессорные моторы
Механические компрессорные нагнетатели начали устанавливать на машины очень давно, ещё в 60-х годах прошлого века. Компрессоры имеют цепной привод от коленвала и начинают работать сразу же, как только запускается двигатель.
Поэтому компрессорные двигатели имеют ровную тягу во всём диапазоне оборотов, таким образом, машина разгоняется без всяких провалов и падений мощности. К недостаткам компрессоров можно отнести их сложность и дороговизну при обслуживании, а также невысокий коэффициент увеличения мощности.
Турбированные моторы
Турбина так же, как и компрессор накачивает воздух в двигатель, но устанавливается на выпускной систем. Лопатки турбины приводятся в движение выхлопными газами. При этом она работает не постоянно, а только после набора 3000 об/мин, что и создаёт так называемую турбояму. Крыльчатка в турбине раскручивается до 10 000 об/мин, что позволяет получить хорошее давление воздуха подаваемого в цилиндры и ощутимый прирост мощности.
Чем отличается турбина от компрессора и что лучше?
Увеличение мощности автомобиля — тема не новая, но всегда актуальная. Чтобы решить эту проблему у автовладельца есть два варианта — установить компрессор или турбину. Оба устройства призваны увеличить продуктивность работы двигателя, но каждое имеет свою нюансы и особенности. Ниже рассмотрим, чем отличается турбина от компрессора и установка какого именно устройства будет нужна в конкретных случаях.
Немного теории
Для начала стоит разобраться, каким именно способом увеличивается мощность силового агрегата. Сперва банальное описание, как функционирует ДВС: работает он на воздушно-топливной смеси, которая воспламеняется и сгорает в цилиндрах, обеспечивая мотор необходимой энергией для работы. Смесь состоит из двух компонентов — воздуха и топлива (дизель или бензин).
Для эффективного сгорания топливо-воздушной смеси в цилиндрах требуется определенное количество топлива и определенное количество воздуха. И если с подачей большего количества топлива особых проблем нет, то загнать в цилиндр больше воздуха уже не так просто.
Для решения этой задачи может использоваться турбина или компрессор, которые мы и рассматриваем в данной статье. И хотя оба этих устройства нагнетают воздух в двигатель, работают они по совершенно разным принципам.
Компрессор
Это устройство нагнетания воздуха механического типа, оно появилось раньше турбин, но до сих пор используется как производителями автомобилей, так и тюнинговыми автосервисами. Компрессор монтируется, можно сказать, «рядом с мотором» и напрямую не вмешивается в его конструкцию.
Существует три типа компрессоров: центробежный, роторный и винтовой. Основное отличие между ними заключается в способе сжатия воздуха и его подаче на впуск двигателя.
Принцип работы центробежного, роторного и винтового компрессора
Центробежный компрессор — это крыльчатка, которая вращается с большой скоростью и нагнетает воздух в корпус компрессора. Скорость вращения может достигать 50-60 тысяч оборотов в минуту. При этом воздух, который попадает в центральную часть крыльчатки, смещается к ее краю под действием центробежной силы. В результате воздух выходит из крыльчатки с высокой скоростью, но под низким давлением. Дальше, для повышения давления воздуха используется диффузор, который состоит из расположенных вокруг крыльчатки лопаток. Эти лопатки преобразуют быстрый поток воздуха с низким давлением в медленный поток воздуха, но большим давлением. Данный тип компрессора является самым распространенным и самым эффективным.
Роторный компрессор состоит из двух кулачковых валов, которые вращаются и нагнетают воздух во впускной коллектор. Роторные компрессоры, отличаются большими размерами и располагаются непосредственно над двигателем.
Винтовой компрессор состоит из двух роторов, похожих на набор червячных передач. В результате их движения воздух оказывается между лопастями, таким образом он сжимается и подается на впуск двигателя. Винтовой ротор требует высокой точности при производстве, поэтому он достаточно дорогой.
Какой бы не была конструкция компрессора, он всегда навешивается на ременную передачу коленчатого вала, а значит для сжатия воздуха он использует энергию самого двигателя.
Плюсы компрессора:
Минусы компрессора:
Читайте также: MPI двигатель — что это такое.
Турбина
Принцип работы турбины
В отличие от компрессора, турбина «встраивается» в двигатель, использует его масло и функционирует от выхлопных газов, то есть происходит «вмешательство» в систему выпуска.
Принцип работы турбины следующий: газы поступают на выпуск двигателя, далее идут на горячее колесо турбины (раскручивая его), энергия вращения передаётся на холодное колесо, которое начинает быстро вращаться и нагнетать воздух на впуск двигателя.
Плюсы турбины:
Минусы турбины:
Фактически, главный и единственный плюс турбины — это внушительное увеличение мощности двигателя, дальше идут одни минусы.
Читайте также: Что такое TSI двигатель.
Что лучше турбина или компрессор?
На самом деле всё зависит от того, какой именно эффект нужен автовладельцу, а это всегда строго индивидуально. Можно подвести следующие итоги.
Турбина. Даёт огромный прирост мощности двигателя, вплоть до 40%. Актуально для ралли-заездов или для поклонников стритрейсинга. Правда, придётся серьёзно потратится, как на покупку самого устройства, так и на его монтаж, настройку и техобслуживание. Плюс нужно мириться с большим расходом масла, туролагом и частыми ремонтами.
Компрессор. Подходит водителям, которым не нужна такое внушительное повышение мощности двигателя. При этом автовладелец не хочет иметь проблем с обслуживанием оборудования, поскольку компрессор используется по принципу «поставил, настроил и забыл» — его срока эксплуатации хватит на весь период пользования машиной. Да и стоимость самого устройства в разы ниже.
Что лучше: турбина или механический компрессор?
Многие автолюбители очень часто задаются вопросом касательно того, какое решение окажется в итоге лучшим-турбина или компрессор? Такой вопрос может возникнуть как при выборе нового автомобиля, так и при покупке машины б/у. Не менее часто с задачей такого выбора сталкиваются и любители тюнинга.
Стоит отметить в самом начале, что оба устройства одновременно имеют как ряд определенных преимуществ, так и недостатков. Все это однозначно влияет на конечный выбор. Отличия указанных систем заключаются не только во внешнем виде, форме, весе, способе крепления на двигателе и габаритах, но и в главных принципах работы. Не всегда однозначно просто выявить все главные критерии при выборе того или иного устройства. Давайте разбираться в этом вопросе более подробно.
Механический нагнетатель и турбокомпрессор
Турбина представляет собой ротационный двигатель, особенностью которого является его постоянная и беспрерывная работа. Ранние попытки создать турбину предпринимались еще на заре развития человечества, но качественная реализация стала возможна только в 19 веке. Эпоха развития машиностроения позволила создать первые турбины, которые были паровыми. Турбина осуществляет преобразование кинетической энергии пара, газов или воды в полезную механическую работу. Турбины нашли свое применение во многих устройствах, а также стали неотъемлемой частью различных видов транспорта. Это касается как наземных средств передвижения, так и морских судов наряду с воздушными летательными аппаратами.
Если говорить о компрессоре, то конструктивно устройство может иметь разные модификации и успешно применяется во многих промышленных областях. Главной его задачей становится сжатие и подача газа под давлением.
Дальнейшее развитие технологий привело к появлению своеобразного симбиоза турбины и компрессора. Разработка турбокомпрессора позволила значительно повысить КПД и мощность двигателей.
Как известно, получить максимальную мощность мотора без увеличения его объема можно при помощи принудительного нагнетания в камеру сгорания большего количества воздуха. Остается только подать больше топлива и мощность силового агрегата существенно возрастет. Как показывают приведенные в различных источниках данные, в среднем компрессор обеспечивает прибавку мощности до 50% и обеспечивает около 30% прироста крутящего момента.
С этой задачей успешно и по отдельности может справиться как полностью механический, так и турбокомпрессор. Но какое из этих решений лучше? Давайте сравним механический компрессор и турбокомпрессор.
Компрессор VS турбина
Разница между турбиной и компрессором наглядно продемонстрирована в тех отличиях, которые имеются у ряда устройств подобного типа.
Что получается в итоге
Как вы уже поняли из всего вышесказанного, установка любого типа компрессора является не самой простой задачей. Перед установкой стоит тщательно взвесить все «за» и «против» относительно каждого из доступных решений по обеспечению наддува, а также просчитать необходимые итоговые показатели мощности в соответствии с поставленной задачей.
Сегодня же оптимальным можно считать систему двойного наддува, когда на одном моторе задействованы механический компрессор и турбонаддув одновременно. При этом устройства работают на разных оборотах, обеспечивая максимум эластичности и комфорта в широком диапазоне оборотов двигателя.
Сравнение механического компрессора и турбины
Мы привыкли, что любой двигатель внутреннего сгорания подвержен действию простого принципа: чем больше габариты мотора, тем выше его мощность. В принципе это предопределено законами физики, но инженерная мысль не стоит на месте в поисках альтернативных способов увеличения тяги силовых агрегатов не в ущерб их размерам.
Одним из них можно назвать установку в двигатель дополнительного агрегата – нагнетателя. Такой компрессор позволяет доставлять в цилиндры гораздо больший объём воздуха, чем при стандартной схеме. А значит, появилась возможность увеличить подачу и топлива при неизменном объёме камеры сгорания.
Несколько позже было разработано ещё одно устройство – турбина, которая выполняет в принципе ту же задачу, но несколько по-иному. О различиях между турбиной и компрессором мы сегодня и поговорим.
Способы повышения мощности двигателей
Прежде чем рассматривать разницу между нагнетателем и турбиной с выяснением, какая из технологий лучше, имеет смысл ознакомиться с принципами, используемыми для повышения мощности современных силовых агрегатов.
Схема работы любого ДВС достаточно проста: в качестве движущей силы выступает горючее, вернее, смесь из воздуха с топливом, которая сгорает в цилиндрах, заставляя их выполнять возвратно-поступательное движение. Подача обеих компонентов в двигатель происходит раздельно. Топливо (для конкретики возьмём бензин) подаётся к впускному коллектору по топливопроводу, а его подачу обеспечивает отдельный насос. Воздух же попадает в мотор самотёком, проходя очистку через воздухофильтр. Если он окажется забитым, мощность силового агрегата падает, увеличивая расход.
Но если использовать устройства, которые обеспечивают беспрепятственную подачу увеличенных объёмов воздуха, да ещё под давлением, можно частично решить проблему увеличения мощности мотора без необходимости роста объёма камеры сгорания. Количество кислорода растёт, а значит, путём несложной настройки можно добиться и увеличения подачи бензина, в результате кпд двигателя увеличивается.
Компрессор и турбина как раз и выполняют задачу нагнетания воздуха в цилиндры, по сей день оставаясь самыми доступными и легко реализуемыми устройствами для повышения приёмистости ДВС при тех же габаритах. Разумеется, увеличение размеров всё же имеется – хотя бы за счёт наличия самих дополнительных устройств, но в долевом отношении это не сравнимо с необходимостью увеличивать объём рабочих цилиндров, поскольку это приведёт к необходимости изменения габаритов самого двигателя, включая его корпус как наиболее массивную компоненту всего автомобиля.
Что ж, теперь рассмотрим особенности функционирования устройств обеих типов.
Принцип работы турбины
Большинство транспортных средств оснащаются четырёхтактными моторами, функционирование которых находится под управлением системы впускных/выпускных клапанов. Каждый рабочий цикл современного силового агрегата, как следует из названия, включает четыре такта, или эпизода, в результате которых коленвал двигателя совершает два полных оборота.
Рассмотрим эти такты детальнее:
Не вдаваясь в подробности, отметим, что такая схема работы мотора предполагает возможность увеличения его эффективности следующими способами:
Первый метод можно реализовать по двум независимым направлениям: посредством увеличения размеров цилиндров или добавлением новых цилиндров. Оба способа применимы, но исключительно за счёт роста массы и габаритов силового агрегата. То есть это явно выраженный экстенсивный тип развития.
Рост числа оборотов коленвала возможен посредством увеличения количества тактов работы поршня, но и этот способ имеет жесткие ограничения по применимости, вызванными как техническими особенностями реализации, как и падением общего КПД мотора в силу неизбежного увлечения потерь, особенно на такте впуска.
Классическая схема работы ДВС предполагает использование воздуха, попадающего в двигатель самотёком. Применение турбонаддува позволяет подавать в цилиндры тот же объём воздуха, но в сжатом виде, то есть фактически увеличить количество кислорода в камере сгорания. А значит, в единицу времени можно подавать и больше горючего, что позволяет увеличить эффективность работы силового агрегата.
Конструктивно эта схема реализуется следующим образом: отработавшие газы, появившиеся в результате сгорания ТВС, направляются на лопасти ротора, вращая вал турбины. Это приводит в движение вал компрессорной установки, которая собственно, и отвечает за подачу в цилиндры атмосферного воздуха под давлением. По пути воздух, нагретый из-за эффекта сжатия, охлаждается интеркулером, что позволяет предотвратить ранее воспламенение горючей смеси по причине повышения её температуры.
Как видим, коленвал автомобиля и турбонаддув напрямую не связаны, однако в действительности скорость вращения коленчатого вала оказывает влияние на работу турбины. Дело в том, что при больших оборотах энергия выхлопа возрастает, что приводит к росту мощности турбокомпрессора.
А теперь рассмотрим, чем отличается механический компрессор от турбины.
Принцип функционирования компрессора
При использовании методов увеличения мощности силового агрегата за счёт нагнетания в цилиндры большего объёма воздуха первыми начали использоваться не турбокомпрессоры, а механические аналоги, или просто нагнетатели.
Эти агрегаты, в отличие от турбины, в качестве движущей силы используют коленвал, вращение которого передаётся на вал компрессора с использованием ременной/цепной передачи, то есть чисто механически.
Принцип работы нагнетателя основан на увеличении количества подаваемого в камеру сгорания воздуха, что позволяет уплотнить топливовоздушную смесь. Чем больше плотность – тем мощнее будет воспламеняться ТВС, передавая на коленвал большее количество энергии и повышая КПД силового агрегата.
Нужно понимать, что существует оптимальная пропорция горения смеси горючего и воздуха. Для бензина она составляет 14:1, то есть на одну объёмную часть воздуха должно приходиться одна часть топлива. Таким образом, простое увеличение объема воздуха не только нее приведёт к увеличению мощности взрыва смеси, но даже ухудшит его параметры. А значит, нужно корректировать и подачу бензина, что и осуществляется в автомобилях, двигатель которых снабжён механическим компрессором. Причём такая корректировка производится в автоматическом режиме, с учётом работы нагнетателя.
Прибавка мощности при использовании такого метода составляет порядка 45%, а величина крутящего момента в среднем увеличивается на 30%. Это очень хорошие показатели, учитывая, что в данном случае не требуется вмешательство в ГРМ.
Такой механический нагнетатель начинает работать сразу после пуска двигателя, как только на его вал будет подан момент вращения от коленвала от приводного ремня, одетого на ведущую шестерню коленвала и связанного с шестерней компрессора. Ротор нагнетателя начинает засасывать воздух, сжимает его и направляет под давлением во впускной коллектор. Рабочие скорости вращения компрессора – 50000-60000 оборотов/минуту. Этого достаточно, чтобы увеличить количество подаваемого в цилиндры воздуха на 50%.
Но есть одна проблема: при сжатии воздуха его температура поднимается пропорционально плотности, а это приводит к тому, что при поджоге смеси свечой зажигания она не сможет отдать всю свою энергию. Так что попутно с увеличением количества горючего для сохранения «золотой» пропорции необходимо решать ещё одну задачу: охлаждать смесь. Для этого в составе механического компрессора предусмотрено наличие интеркулера.
Механизм охлаждение может быть реализован несколькими способами: с использованием охлаждающей жидкости или посредством холодного воздуха, набегающего на автомобиль.
Так что схематически разница между компрессором и турбиной минимальна, а вот конструкционно – очень даже существенна.
Что лучше: компрессора или турбина
Чтобы оценить достоинства и недостатки обеих подходов, рассмотрим их особенности и различия:
Итак, если вы хотите определить для себя, что лучше, турбина или нагнетатель, резюмируем вышесказанное:
Как видим, у турбированного варианта нагнетателя недостатков намного больше, но большая часть из них нивелируется главным достоинством, ради которого и проектировались подобные агрегаты – более существенным ростом мощности силового агрегата.
Так что если вы так горите сделать свой автомобиль более резвым – стоит учесть все эти факторы, прежде чем принимать окончательное решение. Тем более что сегодня наиболее актуальным решением считаются системы двойного наддува, устройство которых предусматривает совместное использование обеих технологий. В частности, такие автомобили выпускает автоконцерн VAG.
Несколько слов о разнице оборотов нагнетателя и турбины
Мы неоднократно упоминали о нечувствительности работы механического нагнетателя к текущим оборотам коленвала. В отличие от компрессора, турбина на оборотах менее 3500 работать не будет. Чтобы создать давление большее атмосферного, частота вращения коленвала должна быть выше указанного порога.
При ускорении автомобиля наибольшая эффективность работы нагнетателя будет достигнута на непродолжительное время, вскоре вернувшись к средним показателям. У турбины всё по-другому: в начале разгона будет ощущаться пресловутая «турбояма», но по мере ускорения мощь двигателя будет возрастать в геометрической прогрессии.
Из этого следует, что если вы предпочитаете езду «с ветерком» на автомобиле с бензиновым мотором, турбина будет наилучшим вариантом. Для дизельного двигателя вариант с механическим компрессором вообще отпадает.
Использование нагнетателя позволяет стабилизировать работу двигателя во всём диапазоне режимов, но прирост мощности будет намного меньшим.
Оставим в стороне вопрос обслуживания нагнетателей – у механического здесь бесспорное преимущество, а сосредоточимся на экономичности и динамике автомобиля. Здесь предпочтение уже на стороне турбированного варианта. Если учесть, что нынешние тенденции со стоимостью горючего отнюдь не оптимистичны, несложно предугадать, что в среднесрочной перспективе покупатели будут отдавать предпочтение не прожорливым внедорожникам, а экономичным машинам среднего класса. Что же касается их невыразительной динамики, то использование турбины позволяет полностью решить эту проблему. И снизить при этом потребление горючего. Но зато расходы на обслуживание, скорее всего, полностью «съедят» такую экономию.
Мы надеемся, что описание разницы между турбиной и компрессором поможет вам принять оптимальное решение в зависимости от ваших целей и финансовых возможностей.