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:

• во время впуска поршни двигаются вниз, при одновременном попадании в камеру сгорания ТВС (у дизельных моторов в КС поступает только воздух);
• такт компрессии предполагает сжатие топливовоздушной смеси;
• на такте расширения происходит поджог сжатой смеси искрой, генерируемой в определённый момент свечой зажигания (у дизельных агрегатов воспламенение происходит самопроизвольно в результате нагнетания солярки под более высоким давлением). В результате горения происходит взрывоподобное расширение смеси, преобразующейся в тепло и выхлопные газы;
• такт выпуска характеризуется освобождением выхлопа с одновременным движением поршня вверх под действием давления выхлопных газов.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что такая схема работы мотора предполагает возможность увеличения его эффективности следующими способами:

• увеличением объёма КС и всего двигателя;
• ростом оборотов коленвала;
• установкой турбонаддува.

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:

• главным достоинством механических компрессоров принято считать их способность выдавать идеально точное количество воздуха, что, в свою очередь, позволяет получать сбалансированную смесь. Эта надёжность работы нагнетателя самым положительным образом сказывается на работе всего силового агрегата, исключая вероятность проявления целого ряда неисправностей, приводящих к уменьшению общего ресурса двигателя;
• преимущество турбины связано с отсутствием механического привода, поскольку она запитывается от кинетической энергии выхлопа. Таким образом, потери мощности здесь минимизируются, в отличие от компрессора, который затрачивает до 30% энергии мотора для своей работы. Но достигается это существенной переработкой механизма газораспределения и целого ряда смежных узлов. Кроме того, наибольший эффект турбины проявляется при работе силового агрегата на максимальных оборотах;
• из вышесказанного следует и один из основных недостатков турбины: её установка на мотор – процедура очень сложная, ответственная и трудоёмкая. Не меньшей сложностью характеризуется и процесс настройки турбокомпрессора. При его монтаже приходится не только устанавливать дополнительное оборудование, но и дорабатывать сам силовой агрегат, а в ряде случаев – и трансмиссию, поскольку нагрузки на коробку существенно возрастают;
• при использовании механического компрессора количество переделок двигателя в разы меньше, причём большая часть из них носит поверхностный характер;
• монтаж нагнетателя в моторный отсек в целом проще, чем его турбированного аналога. Это же можно сказать и о настройке механического компрессора, заключающейся в подборе оптимальных параметров топливовоздушной смеси. Монтаж нагнетателя существенно упрощается при использовании готовых комплектов, специально разработанных для проведения такой процедуры;
• установка/настройка турбины требует от исполнителя работ досконального знания теоретической части и многочисленных практических нюансов. Поэтому абсолютное большинство автомобилистов вряд ли в состоянии самостоятельно заняться этой процедурой, да и не во всяком автосервисе возьмутся за такую работу. Монтаж механического наддува в этом отношении почти на порядок проще;
• ещё одна особенность турбины – высокая чувствительность к качеству топлива и моторного масла. Здесь проблему подвода смазывающей жидкости и слива её в поддон решается автономно, что усложняет конструкцию и увеличивает эксплуатационные расходы (менять масло в турбине необходимо чаще, чем в двигателе). Игнорирование этого правила неизбежно приведёт к проявлению неисправностей турбокомпрессора и возникновением ряда дополнительных проблем. Компрессор в этом контексте гораздо более толерантен к качеству ГСМ;
• турбонаддув – технология сложная, поэтому турбированный нагнетатель требует особого ухода. Существует немалый перечень регламентных операций, входящих в состав работ по техобслуживанию турбины и интеркулера. Для механического собрата основной проблемой является забота о чистоте входящего потока воздуха, да и то при использовании нагнетателей с шнековыми и кулачковыми механизмами;
• турбина не очень хорошо отрабатывает на низких оборотах силового агрегата, временами демонстрируя эффект под названием «турбояма». И только при достижении средних оборотов коленвала можно почувствовать прирост мощности, который становится очень ощутимым на максимальных оборотах. Если автомобиль эксплуатируется преимущественно в городском режиме, турбированный двигатель может оказаться неэффективным. Отметим, что турбины последнего поколения частично лишены этого недостатка, уверенно справляясь и с работой мотора на пониженных оборотах. Но и стоимость таких устройств велика. Работа компрессора, как уже отмечалось, практически не зависит от частоты вращения коленвала, формируя эффективный наддув во всём мощностном диапазоне. Прирост мощности здесь будет примерно одинаковым независимо от оборотов силового агрегата;
• нагнетатель – это достаточно автономный узел, который связан с мотором небольшим количеством интерфейсных деталей, что упрощает его обслуживание/ремонт. Турбированный компрессор гораздо более тесно интегрирован в двигатель, причём его обслуживание требует наличия опыта и знаний, нехарактерных для выполнения подобных работ на обычном атмосферном силовом агрегате;
• несомненное достоинство турбины – обеспечение более высокого прироста мощности. Но зато нагрев турбины становится проблемой, которую решить не так просто. В результате износ самого турбокомпрессора резко возрастает, да и детали мотора приходят в негодность быстрее, уменьшая его общий ресурс. Так что приходится усовершенствовать систему охлаждения, что ещё больше усложняет конструкцию;
• компрессор начинает эффективно работать, как только начнёт вращаться коленвал. То есть и на холостом ходу он будет формировать больший объём ТВС, чем у классического атмосферника. А вот о турбокомпрессоре этого не скажешь – на низких оборотах он вообще не будет функционировать. Однако нагнетатель отбирает существенную часть мощности у силового агрегата (по некоторым подсчётам – до 25-30%), поэтому и прирост мощности по сравнению с турбокомпрессором меньше примерно на такую же величину;
• ещё одним минусом механического нагнетателя является более высокий расход топлива, если сравнивать с этим показателем у турбины. Соответственно и КПД компрессора заведомо ниже. Если судить о полезности наддува с точки зрения экономии горючего, то здесь турбина – вне конкуренции;
• механический привод компрессора (цепной или ременной) – ещё одна головная боль автовладельцев, но по сравнению с обслуживанием турбины это можно назвать мелочью;
• если говорить о самостоятельной установке наддува, то у компрессорного варианта здесь масса преимуществ. На рынке присутствует множество моделей с различными характеристиками, как и готовых комплектов. Выбор турбин намного уже, и ситуация не изменится в среднесрочной перспективе;
• хотя стоимость хорошего турбокомпрессора намного выше, чем у механического нагнетателя, и, несмотря на целый ряд его недостатков, большинство автомобилей оснащаются именно турбиной. Причина здесь очевидна – максимальный прирост мощности двигателя.

Итак, если вы хотите определить для себя, что лучше, турбина или нагнетатель, резюмируем вышесказанное:

1. работа компрессора более стабильна, он не сокращает ресурс мотора;
2. КПД турбины существенно выше, поскольку она использует дармовую энергию выхлопа и не отбирает мощность у силового агрегата;
3. нагнетатель гораздо проще в монтаже/обслуживании;
4. турбина требует наличия собственной системы смазки, нуждающейся в обслуживании (причём чаще, чем в отношении системы смазки двигателя);
5. прирост мощности двигателя при использовании турбокомпрессора зависит от величины оборотов, у компрессора он стабилен во всём диапазоне частот вращения коленвала;
6. сложность обслуживания турбины во много раз выше;
7. механический компрессор менее экономичен по сравнению с турбированным нагнетателем;
8. при монтаже турбины потребуются существенные переделки и самого мотора, и его обслуживающих систем. Нагнетатель, являясь автономным устройством, устанавливается намного проще;
9. подбор компрессора под любую модель авто – задача несравненно более простая, чем поиск подходящей турбины;
10. по стоимости компрессор также гораздо выгоднее.

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.