Турбокомпрессоры против. Нагнетатели: знакомство с принудительной индукцией

Турбокомпрессоры повсюду. Фактически, почти каждый автопроизводитель предлагает двигатели с турбонаддувом. Но как же работают эти небольшие средства повышения производительности и почему они становятся такими популярными?

Директор

По сути, и турбокомпрессоры, и нагнетатели работают, подавая в двигатель больше воздуха. Кислород — это одна из опор пирамиды сгорания, наряду с топливом и источником воспламенения, он же «искра». Для Чтобы сгорание происходило наиболее эффективно, необходимо соблюдать тщательный баланс между кислородом, топливом и искра.

Поиск этого баланса уже давно является проблемой для конструкторов двигателей. На протяжении большей части истории внутреннего сгорания проблема заключалась в подаче достаточного количества топлива. Благодаря недавней разработке системы непосредственного впрыска топлива под сверхвысоким давлением эта проблема практически решена. Теперь речь идет о том, чтобы обеспечить достаточное количество воздуха, чтобы двигатель мог дышать.

Действительно высокопроизводительный двигатель должен каждую минуту всасывать примерно столько же воздуха, сколько в детской спальне. Додж Хеллкэт. Законы физики обычно этого не допускают, поскольку единственной силой, втягивающей воздух в двигатель, является низкая давление, создаваемое при выводе цилиндров двигателя — точно так же, как то, что происходит, когда плунжер оттягивается назад на шприц.

Эта сила просто недостаточно мощна, чтобы справиться с количеством топлива, которое современные двигатели могут впрыскивать в свои цилиндры. И турбокомпрессоры, и нагнетатели пытаются решить эту проблему с помощью процесса, называемого принудительной индукцией, что представляет собой причудливый термин, обозначающий нагнетание большего количества воздуха в двигатель. Однако каждый делает это по-своему, имея свои преимущества и недостатки.

Турбокомпрессоры

Наиболее распространенной формой принудительной индукции являются турбокомпрессоры. Автопроизводители любят их, потому что, по крайней мере теоретически, их можно использовать для повышения мощности и экономичности.

Казалось бы, что-то, способное на это, должно быть невероятно сложным, но на самом деле турбины обманчиво просты. Под странным водным корпусом турбокомпрессоры представляют собой, по сути, пару вентиляторов, соединенных осью.

Горячие выхлопы двигателя вращают первый вентилятор, который, в свою очередь, приводит в движение второй, используемый для сжатия воздуха. Затем этот сжатый воздух подается обратно в двигатель. Как обсуждалось выше, добавление воздуха означает, что можно впрыскивать больше топлива и что любое топливо может сгореть более полно.

С точки зрения производительности преимущества очевидны. Турбокомпрессоры увеличили объем воздуха, позволяя использовать больше топлива в каждом цикле сгорания, что приводит к увеличению мощности. По сути, это позволяет маленькому двигателю притворяться, что он намного больше.

Когда дело доходит до эффективности, преимущества турбонаддува понять немного сложнее. Начнем с того, что турбокомпрессоры могут предложить некоторые преимущества. Турбокомпрессоры могут помочь повысить эффективность, обеспечивая достаточное количество воздуха для полного сгорания. Они также могут помочь улучшить термодинамический КПД двигателя за счет повышения его рабочей температуры. И что самое приятное, поскольку турбины приводятся в движение, по сути, «бесплатной» энергией (выхлопами двигателя), их присутствие совершенно не снижает эффективности.

Настоящая причина, по которой автопроизводители любят турбокомпрессоры, связана не столько с инженерными разработками, сколько с человеческим поведением. Среднестатистический водитель использует полный газ менее одного процента времени. В большом безнаддувном двигателе это означает, что много мощности будет потрачено впустую, в то время как сам размер двигателя по-прежнему снижает эффективность.

Напротив, турбокомпрессоры приводятся в действие выхлопными газами двигателя, которые производятся в достаточных количествах только при интенсивной работе двигателя. Это означает, что когда водитель не нажимает на педаль газа, турбокомпрессор не добавляет больше воздуха, а двигатель не добавляет больше топлива. Таким образом, один из способов думать о турбокомпрессоре — это создать двигатель, который может быть настолько большим или маленьким, насколько того требует ситуация.

Теоретически это здорово, поскольку автомобиль может быть одновременно эффективным и мощным. Реальность, как это часто бывает, не столь радужна. Можно ожидать, что двигатели с турбонаддувом будут обеспечивать либо свои показатели мощности, либо показатели экономичности, но не то и другое одновременно. Дайте полный газ на автомобиле с турбонаддувом, и экономия топлива будет не лучше, чем у автомобиля с более мощным двигателем. Езжайте медленно, и турбина просто не будет использоваться.

Так что, возможно, лучший способ думать о турбокомпрессорах — это предоставить водителям гибкость. Они могут выбирать, насколько эффективными они хотят быть и сколько удовольствия они хотят получить. К сожалению, турбины не являются волшебством, поэтому они не всегда могут обеспечить и то, и другое одновременно.

Нагнетатели

Нагнетатели могут работать по тому же принципу, что и турбокомпрессоры, но они немного сложнее.

Нагнетатели имеют механический привод, а не выхлопные газы. Обычно нагнетатели соединяются с коленчатым валом двигателя посредством цепи или ремня. Затем мощность двигателя используется для привода одного из двух типов компрессора.

В большинстве нагнетателей используются некоторые варианты нагнетателя типа «Roots». В этих нагнетателях для сжатия воздуха используются сдвоенные перекрывающиеся роторы. Конструкция Рутса относительно проста и может быть изготовлена ​​в соответствии с самыми разными спецификациями. Усовершенствованные нагнетатели, изготовленные в Итоне, можно найти на самых разных автомобилях, таких как устаревший Cadillac CTS-V и Audi S4.

Менее распространенная конструкция – рабочее колесо «Лисхольма». Эта конструкция нагнетает воздух между двумя перекрывающимися винтами Архимеда, сжимая его до чрезвычайно высокого давления. Импеллерные нагнетатели эффективны и обеспечивают мощность в широком диапазоне оборотов двигателя, но их изготовление дорогое. Двойные винты должны идеально зацепляться, а это требует невероятно точных производственных допусков. По этой причине нагнетатели Lysholm обычно используются в автомобилях с очень высокими эксплуатационными характеристиками, таких как автомобили Mercedes AMG или Dodge Hellcats.

В любом случае нагнетатели дают несколько важных преимуществ по сравнению с турбинами с приводом от выхлопных газов. Нагнетатели не имеют запаздывания, так как приводятся в движение непосредственно от приводного вала. Это особенно важно для низкооборотных двигателей большого объема, поэтому высокопроизводительные американские двигатели V8 часто имеют наддув, а не турбонаддув.

Нагнетатели также обеспечивают крутящий момент в более широком диапазоне оборотов двигателя, что делает их привлекательными с точки зрения производительности.

К сожалению, есть и недостатки. Нагнетатели, как правило, механически более сложны, чем турбокомпрессоры, из-за их прямой связи с двигателем. Проще говоря, нагнетатели используют энергию для создания энергии. Они также большие, тяжелые и, как правило, их необходимо устанавливать непосредственно сверху двигателя, что является серьезной проблемой для современных автопроизводителей, для которых пространство имеет большое значение.

В отличие от турбокомпрессоров, нагнетатели снижают эффективность двигателя, поскольку нагнетатель постоянно использует часть мощности двигателя для вращения. Когда не требуется много энергии, эта энергия по существу тратится впустую. Вот почему нагнетатели редко — если вообще когда-либо — встречаются за пределами приложений, повышающих производительность.

Заключение

Любой, кто купит автомобиль в ближайшие несколько лет, вероятно, окажется перед выбором: приобретать модель с турбонаддувом или нет. Простого ответа не существует. Однако стоит отметить, что, хотя они предлагают множество преимуществ, особенно в производительности, они не всегда оправдывают обещанную эффективность.

Турбокомпрессоры, возможно, не являются панацеей, но они могут стать отличным компромиссом. Они предлагают дополнительную мощность, когда это необходимо (или просто необходимо), сохраняя при этом расход миль на галлон при обычном вождении. С другой стороны, нагнетатели работают круглосуточно и без выходных.

Для покупателей, желающих ощутить мощность двигателя V8 большого объема, отличным вариантом станет нагнетатель. Задумайтесь на мгновение, что некоторые из самых интересных автомобилей этого года оснащены большими нагнетателями: новый Кадиллак CTS-V, Корвет Z06, и могучий Додж Хеллкэтс.

В конечном счете, решение о покупке турбокомпрессора, нагнетателя или ни того, ни другого не будет зависеть от автомобиля и стиля вождения покупателя. Тем не менее, принудительная индукция может многое предложить практически любому водителю.

Рекомендации редакции

• Зарядные устройства Tesla по сравнению с. Суперчарджеры: в чем разница?