Чем отличается турбина от компрессора и что лучше?

Винтовой нагнетатель воздуха

Механический компрессор для автомобиля такого типа имеет удивительную схожесть ни с чем иным как с мясорубкой, разница только лишь в том, что шнеков два. По форме и основному принципу винтовые напоминают “рутс”, но имеют основное различие – сжатие воздуха происходит внутри корпуса. Два ротора имеют взаимодополняющие выступы и отверстия, они вращаются всегда в зацеплении, но с небольшим зазором между друг другом. Винты загребают воздух, который сжимается между роторами и подаётся дальше под действием вращательного движения винтов. Потери при таком сжатии чрезвычайно малы, а степень сжатия очень велика.
Однако при достижении слишком больших оборотов роторов может возникнуть необходимость внешнего охлаждение корпуса. Зато при стандартных показателях скорости вращения эффект от прироста мощности появляется при любых оборотах коленчатого вала автомобиля. Также плюсами можно назвать компактность конструкции при высокой мощности, долговечность и отсутствие шума при работе. Этот механический компрессор имеет достаточно плюсов, должен иметь и минус винтовые нагнетатели мало распространены из-за своей дороговизны. Производить их очень сложно, поэтому и цена является высокой. Однако некоторые тюнинг ателье устанавливают на автомобили именно винтовой компрессор.

Устройство турбонагнетателя

Турбонагнетатель состоит из:

• турбины;
• компрессора.

Турбина состоит из:

• рабочего колеса (1);
• корпуса (2).

Корпус служит для направления потока движения отработавших газов (3) на рабочее колесо турбины. Отработанные газы служат приводом для рабочего колеса. Поток газов вращает рабочее колесо и выводится через зону вывода отработанных газов. 

Компрессор состоит из:

• рабочего колеса (5);
• корпуса (6).

Принцип действия компрессора обратно противоположный принципу работы турбины. Кованый стальной вал, на котором жестко закреплено рабочее колесо, соединяется с турбиной. Рабочее колесо, при вращении турбины на высоких оборотах захватывает и сжимает воздух. Далее происходит такое явление — диффузия. То есть, поток воздуха в корпусе компрессора, который имеет низкое давление и высокую скорость преобразуется в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью движения. Далее, сжатый воздух (8) направляется в мотор, это обеспечивает сжигание большего количества топлива (чтобы топливо сгорало полностью) и увеличивает мощность ДВС авто.

1. Рабочее колесу турбины.
2. Корпус турбины.
3. Выхлопные отработанные газы.
4. Зона отведения выхлопных газов.
5. Рабочее колесо компрессора.
6. Корпус компрессора.
7. Вал стальной кованый.
8. Сжатый воздух.

Советы по уходу и эксплуатации турбированного двигателя

В обслуживании двигателей с турбонаддувом много нюансов, которые необходимо учитывать в процессе эксплуатации, если есть желание продлить ресурс мотора и турбины:

Двигатель, который постоянно работает на пределе своих возможностей, быстро изнашивается, поэтому не стоит постоянно топить педаль газа, если вы не являетесь участником автогонок. К тому же агрессивная езда увеличивает расход топлива

Чтобы продлить срок службы мотора, управлять авто с турбонаддувом следует в умеренном режиме.
Важно соблюдать периодичность замены масла в двигателе и ни в коем случае не допускать масляного голодания. Интервалы могут быть значительно сокращены ввиду сложных условий эксплуатации

При замене масла нужно менять также фильтры.
В случае с турбонаддувом экономия на смазочных материалах неуместна, потому как может привести впоследствии к более значительным растратам на ремонт. Необходимо использовать масла, рекомендуемые производителем агрегата, не применяя аналоги и не смешивая различные сорта.
Нужно использовать также высококачественное горючее, поскольку низкосортное содержит различные примеси и засоряет топливную систему, сокращая ресурс.
Во время эксплуатации в морозы рекомендуется предварительно дать поработать агрегату на холостых оборотах, чтобы обеспечить циркуляцию смазки. В особенности не следует пренебрегать этим правилом в случае с дизелем.
При запуске двигателя не стоит долго удерживать педаль газа, поскольку это вынудит турбину работать на холостых оборотах, что снижает её ресурс. Это обусловлено тем, что в агрегатах с наддувом высокое давление обеспечивается уже на низких оборотах.
Нельзя резко глушить дизель и бензиновый двигатель с наддувом. Движок нужно некоторое время (достаточно даже пары минут) подержать на холостом ходу, это обеспечит равномерное снижение температуры, поскольку на высоких оборотах она поднимается до максимума. Резкое выключение провоцирует перепад температур, что влечёт за собой сильный износ турбины, почему и нельзя сразу глушить турбированный двигатель. Некоторые модели по этой причине имеют турботаймер, контролирующий процесс, он глушит двигатель через время после выключения зажигания.

Разобравшись, как правильно эксплуатировать автомобиль с мотором, снабжённым турбиной, и ухаживать за ним, необходимо также привыкнуть к особенностям управления, тогда сложностей в обслуживании не будет, а риски поломки сведутся к минимуму. Правильный уход и соблюдение правил эксплуатации позволят значительно продлить жизнь сердцу автомобиля.

Плюсы и минусы эксплуатации наддува

Изготовлен такой компрессор преимущественно из алюминиевых сплавов, в составе которых есть магний. Из-за высоких нагрузок трением эти насосы недолговечны – это их существенный минус. 

Использование нагнетателя заметно увеличивает мощность и оборотистость двигателя. Однако использование компрессора, имеющего именно механический привод, неэффективно. При больших оборотах такие устройства дают слабину и начинают забирать мощность на свой привод. Еще данные системы массивны и шумны. 

Основной недостаток любой подобной системы – уменьшение долговечности мотора. При неверных настройках (например, при выходе из строя перепускного клапана) они могут в секунды разрушить двигатель, вызвав эффект детонации. А значит, эти системы требуют повышенного внимания при эксплуатации. 

Что такое турбо-яма?

Стоит добавить, что крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.

Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители, так или иначе, смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.

Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

1 Преимущества и недостатки механического нагнетателя

Выбор большинства специалистов в области тюнинга падает на компрессор не зря. Дело в том, что монтаж объемного нагнетателя воздуха с механическим приводом является самым простым способом существенно увеличить мощность двигателя автомобиля с минимальной его доработкой. Этого нельзя сказать об , для выполнения которой требуется тщательная промывка магистралей вентиляционной системы, демонтаж фильтров и карбюратора машины. Привод объемного нагнетателя воздуха с механическим приводом осуществляется непосредственно от коленвала автомобиля, благодаря чему компрессор начинает закачивать воздух в цилиндры уже при минимальных оборотах
. Большинство компрессоров из-за особенностей своей конструкции не нуждаются во вмешательстве в штатную смазочную и охлаждающую систему. Работая, механический нагнетатель не нагревает выпускной коллектор, тем самым не увеличивая температуру под капотом автомобиля. Все эти факторы, бесспорно, относятся к достоинствами компрессоров.

Наряду с преимуществами, нагнетатель воздуха имеет и недостатки. К ним относится снижение КПД двигателя, так как на привод компрессора затрачивается 10-15% от всей мощности мотора. В некоторых случаях такое оборудование занимает много места под капотом и требует специального шестеренчатого привода. Помимо того, старые модели нагнетателей имеют свойство издавать много шума в процессе работы.

Механический нагнетатель можно установить двумя способами: экспериментальным, или приобрести готовый Кит-комплект. Чтобы понять, какой метод подойдет именно вам, рассмотрим каждый из них по отдельности.

Что такое механический нагнетатель

В этом варианте наддува мотора основным узлом является нагнетающий узел. Он отличается от турбины тем, что механизм приводится в движение не за счет давления выхлопных газов, а за счет двигателя, для этого используется привод. Основные названия этого варианта – компрессор (этот термин можно встретить во многих спортивных моделях Мерседесов) или суперчарджер (применяют в основном в Северной Америке). Подобные решения бывают двух основных типов:

1. Центробежный нагнетатель.
2. Механический объемного типа.

Независимо от разновидности принцип работы нагнетателей примерно одинаков. Но при этом за образец всегда берутся варианты объемного типа. Как показали исследования инженеров многих концернов, производящих автомобили, установка компрессора не сильно влияет на ресурс мотора и уменьшает его незначительно.

А если применять модели нагнетателей, повышающие обороты двигателя в нижнем и среднем диапазонах, то мотор, будет служить на порядок дольше, чем без тюнинга

Конечно, очень важно правильно подобрать модель компрессора и установить его по рекомендациям производителя, чтобы добиться максимальной эффективности

К сведению!

При установке нагнетателя зачастую приходится менять поршни и шатуны на кованые, а также дорабатывать ряд других деталей. Это связано с тем, что с ростом мощности повышается нагрузка на узлы мотора, увеличивается давление в камере сгорания, и перепады температур становятся на порядок больше.

Какие функции может выполнять нагнетатель?

1. Аэрация

Сюда можно отнести все, что связано с насыщением воды кислородом, например, аэрацию прудов в рыбохозяйствах, или на станциях водоочистки для поддержания жизнеспособности аэробных бактерий.

Кроме того, возможен вариант использования нагнетателя, когда в емкость с жидкой средой накачивают определенный газ для осуществления необходимой химической реакции. В частности, при гальванизации подача воздуха в ванну позволяет быстро и равномерно наносить покрытие.

Даже процесс подачи сжатого воздуха в бассейн или ванну для создания пузырьков (джакузи) также можно выполнить при помощи воздуходувки.

2. Уборка, очистка

Воздуходувка может работать в режиме вакуумного насоса или нагнетателя, всасывая или сдувая с конвейерной ленты или станка излишки материала: металлическую крошку, тяжелую пыль, бумажные или тряпичные обрезки, обрывки пряжи.

3. Перемещение

Одним из основных назначений воздуходувок считается транспортировка газов, а также пневмотранспорт сыпучих материалов (легких гранул, порошка), небольших готовых изделий (методом всасывания или выталкивания). При помощи потока воздуха возможна также подача бумаги в печатную машину, а также приведение в движение плунжерного механизма.

4. Создание потока воздуха, сушка

Стабильный поток воздуха может требовать небольшого давления, например, для прохождения через фильтр тонкой очистки, создающий большое сопротивление. Подача нагнетаемого воздуха в вентиляционное отверстие поможет улучшить тягу.

При помощи воздуходувок производят быструю и качественную сушку тканого полотна, пленки, лакокрасочного слоя. При намотке тонкой ленты или пленки, перемотке бумаги также может потребоваться создание специальной воздушной подушки для предотвращения слипания или повреждения материала.

5. Упаковка

С помощью вакуума возможно удаление воздуха из бутылки при ее заполнении жидкостью, а также удержание предметов для их последующей укладки в коробку.

Турбонагнетатели: плюсы и минусы

Принцип действия обычных компрессоров, которые приводятся в движение ременной или кривошипно-шатунной передачей в том, что устройство и принцип действия таких устройств потребляют энергию двигателя. На двигатель создается дополнительная нагрузка.

Турбонагнетатели используют дармовую энергию. Такой принцип действия почти идеальный, так как отработанные газы попросту выбрасываются, а здесь они еще служат приводом ротора и сидящих на нем колес.

Турбонаддув может получить развивать мощность до 300 лс с одного литра объема.
Двигатель с установленным турбонагнетателем (турбонаддувом) может развивать мощность на 40% больше, чем ДВС без него. К тому же, турбированные движки намного экономичнее. У ДВС без турбонагнетателя низкий КПД из-за потери на трение и низкой тепловой эффективности.

Соответственно, при увеличении объема двигателя без турбированного наддува, коэффициент полезного действия еще ниже. Турбированные моторы с малым объемом эффективнее ДВС с большим объемом.

Недостатки турбонагнетателей

При эксплуатации этого устройства появляется, так называемый, эффект турбоямы. Так привод осуществляется без механического соединения с валом двигателя, а за счет физического воздействия газов, то иногда появляется несоответствие в работе турбонаддвува и самого двигателя. То есть, мощность, которую задает водитель нажатием на педаль газа не соответствует мощности компрессора. Такие проблемы в работе составных устройств мотора можно выявить, если делать диагностику авто через ноутбук.

У турбонагнетателей есть еще такие недостатки, которые присущи обычным компрессорам. Чтобы их работа была максимально эффективной, они должны вращаться на максимальной скорости. К тому же, при таком режиме работы температура некоторых деталей доходит до 1000 С, также есть сложность в смазке и отведении тепла.
Высокие температуры уменьшают качество смазки и создают очень горячий поток входящего воздуха. Охлаждение нагнетаемого воздуха — острый вопрос.
Для обеспечения эффективного охлаждения подбирается интеркулер с особой тщательностью по данным режима работы устройства.

В конструкции устройства турбонагнетателя, как и любом другом нагнетающем устройстве, должен быть вмонтирован спускной клапан (стравливающий избыточное давление). С турбиной немного сложнее. В турбине, помимо, отслеживания избыточного давления наддува нужно еще перепускать отработанные газы, чтобы обеспечить снижения излишнего давления во впускном коллекторе для исключения образования чрезмерно высокой скорости вращения ротора при больших оборотах ДВС.

Для увеличения ресурса эксплуатации турбонаддува, турбине надо дать остыть на холостом режиме работы мотора после работы на очень высоких оборотах. Достаточно дать поработать на холостых оборотах несколько минут, затем мотор можно заглушить.

Для удобства водителям, создан специальный турботаймер. Турботаймер — электронное устройство, которое после выключения замка зажигания, позволяет мотору еще некоторое время работать, чтобы эксплуатировать турбонагнетатель в щадящем режиме и не сломать его. Его можно запрограммировать на определенное время или сделать, чтобы работал в зависимости от температуры нагрева двигателя.
Если турботаймера нет, то водителю надо самостоятельно ждать несколько минут на холостом ходу и не глушить мотор сразу.

Электрический наддув

Система электрического наддува разрабатывалась фирмой «Controlled Power Technologies» (в настоящий момент вошла в состав подразделения силовых агрегатов компании «Valeo») в течение трех лет.

В отличие от турбонаддува, где центробежный нагнетатель приводят в действие выхлопные газы, или механического наддува, где нагнетатель связан с коленчатым валом двигателя, в системах с электрическим наддувом нагнетатель вращается электромотором. Обычно подобные системы являются комбинированными, так как использование электрического и турбонаддува совместно даёт существенный выигрыш, позволяя избежать турбоямы на низких оборотах двигателя.

Система электрического наддува «Controlled Power Technologies»
Она совмещает в одном устройстве электрический и турбонагнетатель.

Компания «Audi» недавно представила систему электрического наддува, работающую по схеме, отличной от схемы «Controlled Power Technologies». Система «Audi» (на рис. ниже) использует двойной наддув: обычная турбина работает на средних и высоких оборотах, а электрическая — на малых, исключая турбояму.

Система электрического наддува «Audi»

В «Audi» собираются снабдить электрическим наддувом собственные дизельные моторы. На заводе компании уже собран пробный образец трехлитрового V6 TDI с подобным двойным наддувом. В системе задействован компактный электродвигатель, способный быстро раскрутить турбину до высоких скоростей. Возникновение дополнительного потребителя никак не должно отразиться на общем уровне энергопотребления, так как потери на раскрутку турбины перекроются при помощи системы рекуперации.

Внимание к электрическому наддуву в последнее время проявляют также компании «Ricardo», «Ford» и «BMW». Последняя недавно получила патент на электротурбину собственной конструкции, а компания «Ford» работает совместно с «Controlled Powertrain Technologies» и «Valeo» над трёхцилиндровым двигателем «Hyboost» с электронаддувом

«Valeo» станет первым поставщиком комплектующих, который предложит на рынок целый спектр электрических нагнетателей.

На рынке тюнинга существуют и так называемые осевые электрические нагнетатели, которые, как правило, входят в систему динамического наддува (читайте ниже). Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с электромоторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Если такая система преодолевает хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.

Компрессор типа Roots

Нагнетатель воздуха типа рутс – это представитель класса объемных нагнетателей.
В плане своего устройства такой механический компрессор очень прост и больше всего напоминает обычный масляный шестеренчатый насос. Корпус имеет овальную форму. Внутри него установлены оси, на которых вращаются в противоположные стороны два ротора. Между роторами и корпусом поддерживается специальный зазор. Этот нагнетатель воздуха отличается от всех остальных тем, что сжатие воздуха происходит не в корпусе, а во внешнем трубопроводе. Из-за этого рутсы часто называют “механический компрессор с внешним сжатием”. За счет вращения роторов воздух захватывается и сквозь маленькие зазоры между корпусом и ротором выдавливается в трубопровод под давлением. Однако хоть такая система и имеет поклонников она же и главный минус. Так как нагнетатель воздуха осуществляет сжатие вне своего корпуса он может это осуществлять только до определённых значений, после которых воздух начинает просачиваться в обратную сторону.
Исправить этот момент можно увеличением скорости ротора, но это тоже возможно только в определенных пределах. Механический компрессор типа рутс имеет еще один минус: при просачивании воздуха в трубопровод не под давлением создается турбулентность, благодаря которой воздух нагревается еще больше. Так как температура воздуха и так растет из-за того, что он сжимается, а тут температура еще выше поднимается. Положительными моментами можно назвать заметно меньший шум от работы по сравнению с “улиткой”; и отсутствие характерного им свиста: рутс имеют свою особую тональность. Однако из-за роторного принципа работы наддув сопровождается пульсацией давления. С пульсацией инженерам удалось справиться достаточно быстро – роторам придали спиралевидную форму, а форму входного и выходного отверстия изменили на треугольную. С помощью таких ухищрений удалось добиться равномерной и тихой работы. Еще одним большим плюсом является то, что такой нагнетатель воздуха проявляет свою эффективность уже на малых оборотах коленчатого вала, в отличие от центробежного, что очень положительно влияет на динамику разгона автомобиля.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

2 Экспериментальный метод монтажа компрессора

Для того чтобы установить нагнетатель воздуха с механическим приводом экспериментальным способом, необходимо самостоятельно определить состояние двигателя, требующего улучшения. Для того чтобы получить более четкую картину, от вас потребуется:

• точно рассчитать, каким образом будут обеспечены крепежи, и как будет осуществляться привод компрессора (шестеренки, натяжной ролик или ремень);
• своими силами определить производительность системы подачи топлива машины;
• произвести подсчеты необходимых доработок ДВС (к примеру, снижение показателей сжатия)
• приобрести и суметь установить своими руками бай-пасную заслонку или бай-пасный клапан;

В зависимости от типа выбранного нагнетателя воздуха количество параметров для подсчета может увеличиваться.

Недостатки экспериментального метода монтажа очевидны: большая стоимость и сложность проекта. Этот метод требует услуг специалистов, способных подобрать детали компрессора для установки нагнетателя.

Единственным большим плюсом экспериментального метода является эксклюзивность автомобиля, полученного в итоге.

Динамический наддув (скоростной или пассивный наддув)

Система динамического наддува (также называемого скоростным или пассивным наддувом) увеличивает давление на впуске двигателя. Рост давления во впускном коллекторе достигается за счет воздухозаборников особой формы, которые при увеличении скорости движения начинают буквально загонять воздух в двигатель.

Заметный эффект от пассивного наддува начинает проявляться при больших скоростях движения (более 150 км/ч), поэтому на обычных автомобильных двигателях система динамического наддува встречается крайне редко, но иногда применяется на спортивных мотоциклах и автомобилях, а также широко используется для наддува поршневых авиационных двигателей. Нередко пассивный наддув объединяют с другими видами наддува, делая воздухозаборник соответствующей формы.

На «тюнингованных» автомобилях часто выводят впускной тракт на капот или в решетку радиатора, т. е. в зону максимального давления, чем имитируют систему динамического наддува (ниже на рисунке приведена подобная система). Почему имитируют? Потому что пассивный наддув, как уже было написано выше, начинает работать только на высоких скоростях. Также при подобном «тюнинге» ставят «фильтр нулевого сопротивления», который плохо справляется с очисткой поступающего воздуха, что приводит к усиленному износу двигателя.

Динамический наддув
«Тюнинг». Впускной тракт выведен вместо фары.

«Инерционный» наддув
Разновидность динамического наддува. Внутри патрубка системы установлена крыльчатка, благодаря инертности (поэтому некоторые и наывают такой наддув «инерционным») вращения которой возникает завихрение поступающего воздуха, что обеспечивает его максимально быстрое проникновение в камеры сгорания и более полное их наполнение топливо-воздушной смесью. В общем, ерунда полная, на которую ведутся горе-тюнеры.

Преимуществом динамического наддува является то, что это самый дешевый способ относительно остальных.

Последнее обновление 15.11.2012Опубликовано 22.08.2010

Сноски

1. По другим данным он запатентовал сам принцип использования наддува на автомобиле.
2. О нагнетателе «TVS» на сайте компании «Eaton».
3. Описание работы системы «Comprex» дано по книге Мацкерле Ю. «Современный экономичный автомобиль» (книга есть в ).

Комментарии

Все материалы, представленные на данном сайте, защищены законодательством в области авторского права.
Смотрите публикация Ваших материалов, условия перепечатки материалов, соблюдение авторских прав.Дизайн и поддержка – Владимир Егоров, icarbio.ru 2010-2014 .