Как работает турбо и компрессор: виды наддува

Системы наддува позволяют значительно повысить мощность двигателя. По сути, при наддуве двигателя стремятся подать в цилиндры больше воздуха, чем двигатель способен всасать самостоятельно при атмосферном давлении.

Зачем нужно больше воздуха в камере сгорания? Дело в том, что, если говорить очень просто, мощность двигателя зависит от количества кислорода (а значит, и воздуха), который можно заставить вступить в реакцию с топливом, чтобы получить мощный взрыв – или горение, в зависимости от того, говорим ли мы о бензине или дизеле, – который толкает поршень.

Для этого сжимают впускной воздух с помощью механизма наддува, который может быть двух типов: турбо (также называемый турбокомпрессором) или компрессор.

Давайте рассмотрим принцип работы турбо и компрессора. Так вы лучше поймёте их преимущества и недостатки в каждом случае.

Прежде чем начать, стоит напомнить, что ни компрессор, ни турбо не являются новыми технологиями.

Наддув используется в автоспорте с первого десятилетия XX века. В случае компрессоров был адаптирован механизм, который уже применялся в других промышленных сферах. Что касается турбокомпрессора, то его первоначальное развитие пришлось на авиационные двигатели, чтобы компенсировать меньшую плотность воздуха с ростом высоты.

Так работает турбо

Турбо состоит в основном из двух турбин, соединённых жёстким валом и вращающихся внутри корпуса. Принцип работы заключается в использовании кинетической энергии выхлопных газов двигателя.

Выхлопные газы проходят через первую турбину, заставляя её вращаться. Поскольку вторая турбина соединена с ней, она также будет вращаться. В этом случае вращение второй турбины используется для создания давления, нагнетая воздух в впускной коллектор.

Есть несколько важных моментов, которые нужно знать о двигателях с турбокомпрессором. Естественно, чем больше турбина, тем выше её способность создавать давление. Однако и разгон турбины выхлопными газами потребует больше времени, что может вызвать задержку отклика между нажатием на педаль газа и реальной отдачей мощности. Это известно как турбоямма.

Ещё одно. Турбины могут вращаться с очень высокой скоростью, более 150 000 об/мин. Поэтому правильная смазка турбо (в частности, его вала) так важна, чтобы избежать поломок. Для этого нужно хорошо понимать, какую роль играет моторное масло.

Возможный избыток давления, создаваемый турбо, контролируется перепускным клапаном. Регулировка этого клапана, который «выпускает» воздух, и определяет настройку или давление наддува турбо.

Кроме того, для повышения эффективности турбированные двигатели обычно оснащаются радиатором под названием интеркулер. Этот радиатор охлаждает впускной воздух после прохождения через турбо, который нагрелся при сжатии и потерял плотность кислорода.

В заключение о турбокомпрессоре стоит отметить, что это система повышения эффективности, которая особенно хорошо сочетается с дизельными двигателями, работающими за счёт сжатия смеси, а не её воспламенения искрой свечи.

Бензиновым двигателям требуется смесь с определённым соотношением кислорода и топлива (для любознательных это называется стехиометрической смесью), чтобы сгорание было эффективным, тогда как дизель способен сжечь весь кислород, который удаётся подать в камеру сгорания.

На самом деле, на рынке уже давно не существует атмосферных дизельных двигателей. В бензиновых моторах турбо стал важен с появлением электронного впрыска, который позволял контролировать смесь точнее, чем турбомоторы с карбюратором. Но это уже другая история. Сегодня есть марки с отличными бензиновыми двигателями без турбо. Примером служит 2.0 Skyactive от Mazda, который мы испытали на CX-30.

Виды турбо

Существуют различные типы турбокомпрессоров в зависимости от их назначения. По «геометрии» они делятся на фиксированные и изменяемые.

• Турбокомпрессор с фиксированной геометрией. В таких турбокомпрессорах поток воздуха, падающий на турбину, приводимую выхлопными газами, всегда направлен одинаково. Их изготовление проще, так как деталей, которые движутся, меньше. Проблема в том, что при низких оборотах двигателя поток выхлопных газов не несёт достаточной энергии, чтобы быстро разогнать турбину, и возникает уже упомянутая турбоямма, или задержка отклика турбо.
• Турбокомпрессор с изменяемой геометрией. Их также называют VGT (от англ. Variable Geometry Turbocharger). У них есть лопатки в зоне турбины, которые приводятся в действие пневматически или электрически. Они позволяют менять направление, в котором выхлопные газы попадают на турбину, в основном чтобы ускорить её вращение при слабом потоке газов. Они в значительной мере устраняют задержку отклика турбо.
• Турбо Twin-Scroll: Их также называют турбо с двойным входом. Они работают с потоком газов из цилиндров и разделяют его, чтобы не создавалось противодавление во впускном коллекторе

В этом видео можно посмотреть, как работает турбокомпрессор, в частности с изменяемой геометрией.

https://youtu.be/AuQor-YnbZ8

Так работает компрессор

Теперь перейдём к компрессору. Цель остаётся той же, что и у турбо: подать сжатый воздух в камеру сгорания. Но здесь не используется энергия выхлопных газов, а механизм компрессора приводится в действие самим двигателем, обычно через ремень, соединённый с коленчатым валом.

Его применение также восходит к началу XX века, когда их использовали в гоночных моделях как средство достижения высокой мощности. Поскольку они не зависят от выхлопных газов, задержки отклика у них нет. Но на высоких оборотах они приводят к значительной потере мощности двигателя, что снижает эффективность.

Виды компрессоров

Существуют различные типы компрессоров в зависимости от их конструкции.

• Компрессор типа Roots. Его также называют «roots» или «лепестковым» по роторам в форме восьмёрки, которые вращаются в противоположных направлениях внутри корпуса и нагнетают воздух.
• Компрессор Eaton. Их также называют «винтовыми» компрессорами. Они состоят из двух элементов с винтовой формой, которые вращаются в зацеплении, так что воздух, попадающий между двумя вращающимися деталями, оказывается в объёме, который уменьшается, что повышает давление.

Другой тип компрессора, который Volkswagen безуспешно применял в 90-е годы, — компрессор G, известный как компрессор Scroll. Он состоит из неподвижной спирали и внутренней подвижной, которые сжимают воздух при движении. Их перестали применять из-за сложности изготовления и низкой надёжности.

Видео о компрессоре roots

https://youtu.be/nsA9YsZhREA

Видео о компрессоре Eaton

https://www.youtube.com/watch?v=stjvbAO_6JQ

Что лучше, турбо или компрессор?

Если вы дочитали до этого места, у вас может сложиться собственное мнение о том, что лучше, турбо или компрессор. Ведь однозначного ответа на этот вопрос нет. Всё зависит от типа двигателя и от того, чего вы хотите добиться. На самом деле, как вы увидите, есть марки, которые используют обе системы вместе.

Коротко говоря, компрессор обеспечивает практически мгновенный отклик на педаль газа с очень низких оборотов. Но они громоздкие, а их привод отнимает мощность у двигателя.

Турбокомпрессор не «крадёт» энергию у двигателя, он использует энергию выхлопных газов, которая иначе была бы потеряна. Но он имеет проблему задержки отклика, когда выхлопных газов недостаточно, чтобы вращать турбину, и это тем заметнее, чем больше турбо. Это вынуждает прибегать к таким решениям, как использование более чем одного турбокомпрессора (маленький — для низких оборотов, большой — для высокой мощности на высоких оборотах); Mercedes-Benz или BMW даже использовали до трёх турбин в некоторых своих двигателях.

Есть также марки, которые прибегли к двойному наддуву, чтобы сочетать преимущества обеих систем. И не обязательно в спортивных моделях. Например, многие модели концерна Volkswagen использовали и компрессор, и турбо в популярном 1.4 с четырьмя цилиндрами, который устанавливался, в частности, на Volkswagen Golf.

Новая эра электрификации открыла двери для турбокомпрессоров с электрической поддержкой, таких как EPC от Audi, с электрическим компрессором, который разгоняет турбину, чтобы уменьшить турбоямму на низких оборотах. Другое решение, также встречающееся в последних спортивных моделях Audi с двигателем TDI, — сочетание электрического компрессора и турбо.

Один из крупнейших специалистов по наддуву, BorgWarner, уже разработал свою технологию eBooster, которая использует как раз электрический компрессор для поддержки турбо, приводимого выхлопными газами. Посмотреть, как она работает, можно в этом видео.

https://youtu.be/iEGisoOnewg