Отличие турбокомпрессора от механического компрессора (нагнетателя воздуха)

Введение

Для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания широко используются системы принудительного нагнетания воздуха. Две основные технологии — турбокомпрессор (турбина) и механический нагнетатель (компрессор) — решают одну задачу, но принципиально различаются по конструкции, принципу работы, и характеристикам. Понимание этих различий важно для выбора, тюнинга и эксплуатации автомобиля.

Принцип работы и источник энергии

Турбокомпрессор (Turbocharger)

• Источник энергии: использует энергию отработавших выхлопных газов. Поток газов вращает турбинное колесо, которое через общий вал приводит во вращение компрессорное колесо, нагнетающее воздух во впускной коллектор.
• Принцип: преобразует «бесплатную» тепловую и кинетическую энергию выхлопных газов, которая обычно теряется, в полезную работу по наддуву.

Механический нагнетатель (Supercharger)

О механическом компрессоре поговорим более подробно, т.к. о турбокомпрессорах мы уже говорили много и те, кто читает наш блог, и статьи, достаточно информированы в данном вопросе.

Итак, первый в мире серийный автомобиль с механическим нагнетателем — Mercedes-Benz 6/25/40 и 10/40/65 образца 1921 года. Тогда же на моделях Mercedes с такими моторами появилось характерное обозначение Kompressor.

Массово механические нагнетатели стали применяться с 1930-х годов на автомобилях Mercedes, Bentley и Alfa Romeo. Однако к 2010 годам, большинство автопроизводителей отказались от механических нагнетателей в пользу турбокомпрессоров, в угоду экономичности и экологичности.

Виды механических нагнетателей воздуха (компрессоров):

— Центробежный нагнетатель. Самый распространенный вид механических нагнетателей. Основной рабочий элемент системы — колесо компрессора (крыльчатка), которое имеет сходную конструкцию с компрессорным колесом турбокомпрессора. Оно вращается со скоростью до 60 000 оборотов в минуту. При этом воздух всасывается в центральную часть компрессорного колеса в режиме высокой скорости и малого давления. Пройдя через лопасти нагнетателя, воздух подается во впускной коллектор, но уже в режиме низкой скорости и высокого давления. Этот вид нагнетателя, часто используется в комплексе с турбокомпрессорами для устранения турбоямы при переходе с низких, на высокие обороты двигателя под нагрузкой.

Центробежный нагнетатель

— Винтовой нагнетатель. Представляет собой систему из двух вращающихся шнеков (винтов) конической формы. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит по камерам компрессора и, благодаря вращению, сжимается и нагнетается в патрубок впускного коллектора. Такие системы применяются в основном на спортивных и дорогих автомобилях, поскольку достаточно сложны в изготовлении, но имеют преимущество — высокая эффективность работы.

Винтовой нагнетатель

— Кулачковый нагнетатель. Один из первых видов механических нагнетателей. Конструктивно он представляет собой два ротора со сложным профилем сечения. Оси вращения роторов соединяются двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, в результате чего происходит его нагнетание во впускной коллектор. Недостатком этой системы является образование избыточного давления, что провоцирует сбои в работе наддува. Для устранения этого явления в конструкции кулачкового нагнетателя предусматриваются либо муфта с электрическим приводом (управление с отключением нагнетателя), либо перепускной клапан (без отключения нагнетателя).

Кулачковый нагнетатель

И да, у всех механических компрессоров одинаковый источник энергии и принцип работы.

• Источник энергии: приводится в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя через ременную, цепную или шестеренчатую передачу.
• Принцип: отбирает часть мощности двигателя (до 30%) для создания наддува. Чем выше обороты двигателя, тем быстрее вращается нагнетатель.

2. Теперь поговорим об основных отличиях турбокомпрессоров от механических компрессоров:

-Источник энергии: турбокомпрессор- поток выхлопных газов, у механического компрессора- привод от коленвала (ремень/шестерни).

-Эффективность: турбокомпрессор повышает общий КПД двигателя, используя «бесплатную» энергию выхлопа, а механический компрессор снижает механический КПД, так как напрямую забирает мощность у двигателя.

-Характеристики наддува: турбокомпрессор имеет турбояму (задержка отклика, лаг) на низких оборотах. Максимальная производительность достигается на средних и высоких оборотах под нагрузкой. Механический компрессор имеет линейные характеристики напрямую завязанные на оборотах двигателя. Наддув доступен с самых низких оборотов, практически без задержки.

-Температурный режим работы: турбокомпрессор работает в крайне высоких температурах, а механический компрессор в значительно более низком температурном диапазоне.

-Сложность конструкции: турбокомпрессор часто требует интеркулера, дополнительных патрубков, систем смазки и охлаждения, клапанов и т.д., а механический компрессор легче в установке и обслуживании.

-Экономичнось: турбокомпрессор при спокойной езде может улучшать экономичность (двигатель работает в оптимальном режиме). При агрессивной езде — расход растет. Механический компрессор, в свою очередь постоянно нагружает двигатель, что увеличивает расход топлива хоть и позволяет из меньшего объема двигателя выдавить дополнительную мощность и крутящий момент.

Коротко, плюсы и минусы турбокомпрессора и механического нагнетателя.

Турбокомпрессор

• Плюсы:
• Более высокая потенциальная эффективность и прирост мощности.
• Лучшая топливная экономичность при умеренных нагрузках (меньший литраж при той же мощности — даунсайзинг).
• Широкие возможности для тюнинга.
• Минусы:
• Сложность и стоимость обслуживания.
• Чувствительность к качеству масла и перегревам.
• Эффект «турбо-ямы».

Механический нагнетатель

• Плюсы:
• Мгновенный отклик и линейная разгонная характеристика.
• Простота и предсказуемость.
• Проще в установке.
• Более стабильное давление наддува на всех оборотах.
• Минусы:
• Меньший КПД (отбор мощности у двигателя).
• Повышенный расход топлива.
• Ограничение по максимальным оборотам (из-за механического привода).
• Часто меньший максимальный прирост мощности по сравнению с турбиной.

Вывод

• Турбокомпрессоры доминируют в современном автопроме благодаря тенденции к даунсайзингу и ужесточению экологических норм. Они используются на бензиновых и дизельных двигателях — от малолитражек до грузовиков и судов.
• Механические нагнетатели чаще встречаются в сфере тюнинга, на хот-родах, дрэг-карах, где важен мгновенный отклик «с низов», а также на некоторых спортивных моделях прошлых лет (например, традиционно на автомобилях Mercedes-AMG, Jaguar и др.). Особенно популярны для драг-рейсинга.

Заключение

Тренды последних лет, говорят о том, что турбокомпрессоры будут с нами до тех пор, пока актуальны двигатели внутреннего сгорания, а компрессоры уже стали экзотикой для энтузиастов и спортсменов, и в массовом сегменте встречаются все реже.

МастерТурбо Москва.

Роман Дмитриев.

msk.turbolider.ru

г. Москва ул. Автомоторная 1/3