Наддуваем: чем компрессор лучше турбины и почему от него всё-таки отказываются
Атмосферные моторы постепенно уходят в прошлое, а способы добавить в цилиндры воздуха становятся всё более разнообразными. Единства в этом вопросе нет: одни полагаются на старые добрые турбины, другие добавляют в них электромотор, третьи вообще полностью переводят турбину на электричество… Чем хороши разные способы нагнетания воздуха, а в чём их недостатки? И почему производители никак не могут решить однозначно, какой из этих механизмов лучше?
Неэффективно и слишком дорого
Было бы большой ошибкой думать, что наддувный мотор – это что-то более-менее современное. Даже сто лет назад было очевидно, что чем больше топлива сгорит в цилиндрах, тем мощнее будет двигатель при том же объёме. А с низким КПД моторов начала прошлого века тема повышения мощности стояла очень остро. Попытки «дунуть» в мотор предпринимали и такие отцы-основатели автомобильной индустрии, как Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель. И обе эти попытки были по-своему замечательными хотя бы потому, что свой первый патент на систему наддува двигателя с принудительным зажиганием Даймлер получил ещё в 1885 году, а Дизель попытался реализовать наддув уже на втором своём моторе в 1896 году. Однако оба эксперимента провалились: литровая мощность у моторов действительно выросла, но устройства для наддува получались слишком сложными и дорогими.
Поэтому первой действительно рабочей схемой можно назвать изобретение Альфреда Бюши в 1905 году, которое он назвал машиной, состоящей из последовательно расположенных компрессора, поршневого двигателя и турбины. Это был первый турбокомпрессор более-менее привычной нам конструкции, причём позже Бюши запатентовал и систему охлаждения наддувного воздуха. Правда, практического толку от этого турбокомпрессора всё равно было мало: в этот раз подвела надёжность. Даже сейчас, с современными материалами и технологиями, довольно трудно собрать долгоиграющую турбину, крыльчатка которой делает десятки тысяч оборотов в минуту при температуре, близкой к тысяче градусов. А уж сто лет назад… Одним словом, долго эти чудеса техники работать не могли, хотя стоили бешеных денег.
А теперь оторвёмся от земли и устремим ищущий взор в небо. В начале прошлого века выяснилось, что самолётам компрессор необходим гораздо больше, чем автомобилям: на высоте нескольких тысяч метров воздух оказался настолько разреженным, что моторы аэропланов работали вполсилы. С этим надо было что-то делать, и выход был найден: всё решалось с помощью установки механического компрессора. Его было проще сделать, чем турбину, он был компактнее первых турбин, и в самолётах показал себя очень даже хорошо. А так как самолётные двигатели в те времена обычно делали автопроизводители, то они совершенно логично решили попробовать компрессоры на автомобильных моторах. Серийно они появились на Мерседесах и Фиатах в 1923 году, но только на очень дорогих спортивных моделях – например, на Mercedes-Benz 10/40 1923 года.
Mercedes Typ 10/40/65 PS Sportzweisitzer ‘1921–1924
Так как краткость – сестра таланта, мы пропустим долгую историю совершенствования механических приводных компрессоров и турбин середины и второй половины прошлого века. Это очень интересная история, но в ней можно застрять надолго. Лучше попробуем понять, почему в разное время (в том числе и наше) производители метались и до сих пор мечутся между механическими компрессорами и турбонаддувом (или турбокомпрессорами) и никак не могут выбрать, что в итоге больше подходит автомобилям.
Совершенству нет предела
Если коротко, то ни тот, ни другой механизм далеко не идеальны, но при этом каждый из них имеет свои плюсы. Начнём с простого приводного компрессора – хотя бы потому, что в виде агрегата наддува массово он появился раньше турбины.
Он хорош тем, что намного проще устроен, а значит, обходится дешевле и при установке, и в ходе эксплуатации. Он не страдает от высокой температуры отработавших газов и не имеет слишком быстро вращающихся элементов. Ему не требуется отдельное охлаждение и при его установке нет необходимости серьёзно изменять систему смазки. Да и к качеству масла в моторе он тоже относится равнодушно. Кроме того, он начинает работать сразу с минимальных оборотов коленвала, то есть, обеспечивает прирост тяги с самых «низов». И ещё ему не требуется какой-то сложной системы управления, и это тоже его серьёзное преимущество.
Приводной компрессор Eaton
К сожалению, недостатков у него тоже много. Самый очевидный – это необходимость отбирать мощность у двигателя для обеспечения собственной работы. А это приводит ещё и к росту расхода топлива. Понятно, что для спортивных автомобилей и автомобилей с объёмными моторами, претендующими на звание люксовых, достаточно высокий расход топлива не критичен. Поэтому нет ничего странного в том, что компрессоры стали популярными, например, в моделях Mercedes-Benz, Aston Martin, Jaguar, Alfa Romeo. Этим автомобилях до недавнего времени нужно было обеспечивать комфорт их владельцу, а не экономить топливо. Так что там они пришлись ко двору.
Двигатель Mercedes-Benz M271 с компрессором
Второй существенный недостаток приводного компрессора – это его низкий КПД. Да, он обеспечивает прибавку тяги с самого низа, позволяя разгоняться быстро и плавно, но взрывной динамики при росте оборотов такой компрессор не даст, а прибавка мощности в итоге получается не слишком впечатляющей.
Турбина в некоторых моментах заметно превосходит приводной компрессор. Во-первых, она приводится в действие практически «бесплатно» – давлением отработавших газов, а значит, не отбирает мощность у двигателя и не делает его более прожорливым, а зачастую даже наоборот. Во-вторых, у неё намного выше КПД, и прирост литровой мощности с ней более существенный.
Однако и минусы у турбокомпрессора тоже есть. Его себестоимость выше, чем приводного компрессора: он сложнее технологически, требует более высокой точности сборки и применения дорогостоящих материалов. А кроме того, внедрение турбины в мотор обходится дороже, чем установка приводного нагнетателя. Основная проблема заключается в том, что турбина требует качественного охлаждения воздуха и эффективной смазки, а установка интеркулера для воздуха и изменение системы смазки ощутимо усложняют общую конструкцию. Вдобавок турбина получается чувствительной к качеству масла, что тоже не красит её по сравнению с компрессором.
Турбокомпрессор в разрезе
К тому же не надо забывать о том, что чем выше обороты коленвала, тем больше добавочного воздуха даст турбина. С одной стороны, это хорошо: такая зависимость обеспечивает существенный прирост динамики именно тогда, когда это требуется особенно сильно. Но с другой, это может привести к очень тяжёлому режиму работы двигателя, граничащему с детонацией и перегревом. Приходится очень тщательно оберегать мотор от передува с помощью вестгейта (клапана, который выпускает излишки отработавших газов в горячей части турбины), а саму турбину спасать от помпажа с помощью байпасного клапана, который выпускает избыточный воздух обратно во впуск, или клапана блоу-офф, который этот воздух отправляет просто наружу, в атмосферу. И вдобавок в программном механизме защиты двигателя предусматривают защиту от передува с помощью ограничения подачи топлива в критическом режиме. В итоге всё это получается сложнее и дороже, чем немудрёный приводной нагнетатель.
Внешний регулировочный клапан (вестгейт)
Ну и, наконец, пресловутая турбояма. На низких оборотах давления отработавших газов не хватает для того, чтобы заставить турбину раскрутиться до рабочих оборотов и создать какое-либо существенное давление наддува, и этот диапазон оборотов – это и есть турбояма. То есть, на низких оборотах турбина оказалась не слишком эффективной и в этом отношении заметно уступала приводному компрессору.
Очевидно, что ни тот, ни другой вариант нельзя назвать идеальным. Что можно придумать, чтобы хотя бы немного приблизить механизм наддува к образцовому? Можно совершенствовать компрессоры, а можно попытаться их объединить, использовав их сильные стороны. И тот, и другой путь иногда приводят к появлению чудесных агрегатов, поражающих воображение одновременно и своей гениальностью, и сложностью.
А теперь – и с электричеством
До конца прошлого века в мире наддува правили бал приводные компрессоры: наддувные моторы в дешёвых машинах практически не использовались, и двигатель с более надёжным и менее капризным приводным компрессором доставался тем, кто мог себе позволить достаточно дорогой и не слишком экономичный автомобиль с хорошей тягой во всём диапазоне оборотов. Как правило, такой двигатель был большого объёма, и всем на это было плевать – статусная вещь не обязана экономить бюджет владельца на топливе или чём-то ещё. Но во временем многое менялось, и турбокомпрессор стал отбирать популярность у приводного. Факторов много: это и развитие технологий, которые позволяли сделать турбину более долговечной, и экологические требования, направляющие развитие моторов в сторону сокращения объёма и топливной экономичности. Всё острее появлялась необходимость делать мотор легче, меньше, но с высокой удельной мощностью. А для этого больше подходит турбина. Вот только что делать с основным её недостатком в виде турбоямы?
Как мы уже говорили, причина появления турбоямы – низкое давление отработавших газов, которое не раскручивает крыльчатку турбины достаточно быстро. Повысить это давление невозможно, поэтому первым делом принялись за «улучшайзинг» крыльчатки. Так появились крыльчатки с изменяемой геометрией и технология TwinScroll. Изменяемая геометрия и TwinScroll помогли достаточно эффективно устранить два недостатка турбокомпрессора: турбояму и избыточное давление наддувного воздуха на высоких оборотах. В первом случае изменяемое актуатором положение лопаток регулирует давление отработавших газов, позволяя одной турбине работать за две: большую в диапазоне низких оборотов и маленькую – при высоких. Ну а TwinScroll предполагает наличие двух газовых каналов для одной крыльчатки, которые включаются в работу в зависимости от оборотов коленвала. Для недорогих массовых наддувных моторов этих технологий вполне достаточно, чтобы свести к минимуму турбояму и сделать мотор небольшого объёма тяговитым и экономичным. Большего от этих турбин и не требуется.
Второй интересный ход – совместить в одном моторе и турбину, и компрессор. Значительную отдачу на высоких оборотах в этом случае обеспечивает турбонаддув, а приводной компрессор добавляет тягу на низах. Изначально это было чисто спортивное решение и применялось, например, на Lancia Delta S4 Stradale. Позднее популярность совмещения обоих типов наддува обеспечил, например, двигатель 1,4 TSI семейства ЕА111 от Volkswagen с турбиной KKK K03 и компрессором Eaton TVS. Его устанавливали на многие автомобили этого производителя: Golf, Beetle, Jetta, Scirocco, Eos, Tiguan… Правда, он всё равно получился не слишком дешёвым и довольно сложным, поэтому в 2018 году от него отказались. Но сама идея каким-то образом «дунуть» в цилиндры в неудобном для турбокомпрессора диапазоне оказалась удачной, и её стали развивать дальше. Но теперь – с помощью электричества.
Lancia Delta S4 ’1985–1986
Lancia Delta S4 ’1985–1986
Lancia Delta S4 ’1985–1986
Ярким примером стала Audi SQ7, в которой к привычным турбокомпрессорам добавили электронаддув. Принцип работы простой: на низких оборотах компрессорное колесо приводится в действие электромотором, на высоких – отработавшими газами, причём электропривод в этот момент отключается (он становится избыточным). Подобное решение применяется не только Audi, но и, например, Mercedes: из свежих примеров можно вспомнить недавний Mercedes-AMG GT 43.
Mercedes-AMG GT 43 Coupé ‘2024
При этом возникает вопрос: а почему бы не сделать турбину с чисто электрическим приводом? А потому, что основное преимущество классической турбины – возможность вращать её отработавшими газами без дополнительных затрат. Любое усложнение конструкции приведёт к её удорожанию и потенциальному снижению ресурса. В массовых автомобилях этого всегда стараются избежать. Другое дело – автоспорт, но там используются гораздо более серьёзные решения.
Вспомним, например, технологию MGU-H из Формулы-1, которая применяется уже около десяти лет. MGU-H (Motor-Generator Unit-Heat) предполагает наличие мотор-генератора в составе турбокомпрессора. Такой мотор-генератор может при необходимости раскрутить турбину в условиях недостатка давления отработавших газов, а при его избытке – рекуперировать энергию для гибридной установки. Очевидно, что в гражданской массовой машине ничего подобного устанавливать не имеет никакого смысла: это дорого и избыточно.
Впрочем, есть производители, для которых «дорого» – синоним «хорошо». Яркий пример – Ferrari, которая в прошлом году запатентовала мотор с компрессорной установкой, состоящей из двух одинаковых турбин и одного электродвигателя, который установлен соосно турбинам ровно между ними и в случае необходимости мгновенно приводит их в действие даже в отсутствие достаточного давления отработавших газов. И, судя по всему, это не просто мотор, а мотор-генератор, и всё это похоже как раз на формульную технологию MGU-H, потому что в описании патента сказано, что колёса задней оси приводятся в движение двигателем внутреннего сгорания, а передние – электротягой. В отношении Ferrari такое заимствование из автоспорта кажется совершенно естественным.
Есть ли будущее?
Сейчас существует не так уж много сейчас моторов, в которых используется приводной нагнетатель. И все они большого объёма и с порядочным топливным аппетитом. А тенденции сейчас таковы, что моторам приходится становиться маленькими и экономичными. И, что ещё хуже, одноразовыми. Полуторалитровому моторчику серийной машины турбокомпрессор подходит намного больше, чем приводной: тысяч 150 проездит, изменяемая геометрия с твинскроллом избавит от турбоямы, расход топлива минимальный, крутящий момент и мощность вполне достаточны, чтобы потребители остались довольны характеристиками автомобиля.
А вот на автомобилях высокого класса пока можно встретить и приводные нагнетатели. Такие автомобили можно считать избранными, причём считать по пальцам. Что это за моторы и что за автомобили? В основном – уже ставшие классикой. Например, V8 Hemi Hellcat объёмом 6,2 л. Эти двигатели стоят под капотами Dodge Charger SRT Hellcat, Dodge Challenger SRT Hellcat и Jeep Grand Cherokee SRT. Ещё один известный современный компрессорный мотор – пятилитровый V8 Jaguar AJ133S 5,0 Supercharged, который используется на самых «злых» версиях Jaguar XE, XK, XF, XJ и F-Type. Кроме того, тот же мотор устанавливается на Range Rover, Range Rover Sport или Velar. Что объединяет эти моторы? Они очень любят покушать и используются в дорогих автомобилях. А ведь ещё совсем недавно компрессорных моторов было намного больше! Даже само слово «компрессор» прижилось у нас от надписи Kompressor на багажниках Мерседесов далеко не самого престижного С-класса. Появлением W203 с наддувными моторами М111 и М271 объёмом 2 и 1,8 л стало началом большой эпохи классических компрессорных Мерседесов, которая, к сожалению, уже закончилась. И сейчас даже на 4,6-литровом V8 M278 на машинах E, S и GLE-класса вместо честных приводных компрессоров устанавливают пару турбин Garrett…
Dodge Challenger SRT Hellcat ’2014–2018
Dodge Challenger SRT Hellcat ’2014–2018
Jeep Grand Cherokee SRT8 ’2012–2013
Dodge Charger SRT Hellcat ’2020–н.в.
Чтобы не совсем сильно расстроиться, напомним про один современный уникальный компрессорный двигатель – Mazda Skyactiv-X 2.0. Уникальный он не только тем, что при очень скромном объёме и рядной четырёхцилиндровой компоновке может похвастаться приводным нагнетателем, но и тем, что имеет воспламенение от сжатия. И он бензиновый. Кого я там выше посчитал ещё теми затейниками? Итальянцев? Видимо, зря.
Двигатель Mazda Skyactiv-X: шкив приводного компрессора справа вверху. Фото: mazda.com
Как видим, приводные компрессоры становятся чем-то исключительным и встречаются, как правило, на эксклюзивных редких автомобилях. Но пока ещё встречаются. Будут ли от них отказываться в будущем? Конечно, будут. Однако есть подозрение, что связано это не с прожорливостью компрессорных моторов, а с общей неизбежной гибридизацией и электрификацией автомобилей. Электромотору приводной компрессор не нужен. Впрочем, турбина ему не нужна тоже.
В гибридный автомобилях компрессор тоже места себе не найдёт. Задача гибридов – быть не только мощными, но и экономичными. А для этого больше подходит турбина, установленная на маленьком моторчике. Немного грустно, но никуда от этого не деться.
ССЫЛКА НА СТАТЬЮ https://avto-xit.ru/nadduvaem-chem-kompressor-luchshe-turbiny-i-pochemu-ot-nego-vsyo-taki-otkazyvayutsya/
☝ еще больше новостей на нашем сайте ☝
Ремонт компрессора с головой LB75
Буэнос диас, уважаемые. Я наконец-то откинулся из очередного бана по политической статье и у меня таки есть что вам показать и рассказать.
Есть у меня компрессор с головой LB75 - трёхцилиндровый, трёхфазный с ресивером на 100 литров. Неплохая штука, в целом. Эксплуатировался он у меня лет 13, думаю, и в итоге что-то ему поплохело. Симптомы таковы: качает оооочень долго, давление в 10 очков не набирает (отчего и качает долго), неприятный звук при работе. Вывод? Надо покупать новый. Но раз всё равно покупать - надо попробовать расколупать этот и... ну вдруг получится. Забегая вперёд: всё удалось, работа заняла часа 4.
Начинается ремонт с приобретения прокладок. Прокладки, кстати, тут же оцифровал, так что в следующий раз просто вырежу сам на лазере те, какие нужно, т.к. комплект очень расширенный.
Далее, собсвтенно, мойка и разборка. Мыл без фанатизма, чисто чтобы было.
Ну и дефектовка. Во-первых, внутри нашлась бумажка. Неожиданно, надо отметить. Учитывая, что компрессор прям всю жизнь в одних руках и точно не ремонтился - получается, это такое качество сборки на заводе.
Цилиндры в приличном состоянии в целом. Хон сохранился, задиров особо нет, хотя всякие дефекты, разумеется, есть.
Поснимал клапана и разложил их по порядку, чтобы не перепутать. Ржавенькие. Жалкие...
Теперь по очереди мою всё в ультразвуковой ванне.
А то, что помыто - ставлю на плоскошлиф и шлифую привалочные. В данном случае, шлифуется горшок сверху.
Клапанные доски по заводу весьма причудливы геометрией. Т.е. вон я пальцем показываю, где уже начался съём - это наивысшая точка из трёх досок. Остальное - провалено вниз.
Впрочем, сняв примерно 0,7 мм удалось добиться одинаковой толщины, плоскостности и чистоты поверхности.
Ну и вощем, всё шлифованое и мытое выглядит вот так. Думаю, несколько лучше, чем было на заводе. :)
Сборку показать весьма сложно, потому что это процесс. Однако, можно показать результат:
Итого, что получается:
- плоскошлиф
- ультразвуковая мойка
- опционально СО2 лазер для резки прокладок.
и четыре часа времени дают возможность текущего ремонта компрессора. Работает тихонечко. С таким "сытым" звуком. Насасывает давление уставки довольно шустро. Я доволен.
Помогите определить модель компрессора или на какой технике он стоит
Сломался компрессор холодильника
UPD:
Никогда не обращайтесь за помощью к ItachiSanRUS и его знакомым мастерам. Он работает по черной схеме. Берет крупную сумму за копеечную работу по ремонту стиральной машины и впаривает замены дорогих комплектующих, которые на самом деле не надо менять. При этом он создает себе образ "благодетеля" на Пикабу, чтобы втереться в доверие к людям. У него несколько аккаунтов, с которых он минусует, пишет положительные отзывы на свой основной аккаунт, рекомендует свой основной аккаунт ремонтера таким юзерам, как я, которые ищут ремонтера
UPD Зачем нужно Сообщество ремонтеров - Помощь, если мастера найти нельзя? Странно
Компрессор сломался. Ищу мастера по ремонту холодильников в Москве
Предыстория Холодильник работает без остановки
Stinol STN 167. Размораживание обеих камер - No Frost
Холодильник работает без остановки
UPD:
UPD Компрессор сломался. Ищу мастера по ремонту холодильников в Москве. Предыстория о замене заводского компрессора на плохой внизу поста
Никогда не обращайтесь за помощью к ItachiSanRUS и его знакомым мастерам. Он работает по черной схеме. Берет крупную сумму за копеечную работу по ремонту стиральной машины и впаривает замены дорогих комплектующих, которые на самом деле не надо менять. При этом он создает себе образ "благодетеля" на Пикабу, чтобы втереться в доверие к людям. У него несколько аккаунтов, с которых он минусует, пишет положительные отзывы на свой основной аккаунт, рекомендует свой основной аккаунт ремонтера таким юзерам, как я, которые ищут ремонтера
Stinol STN 167. Размораживание обеих камер - No Frost
Дверца холодильной камеры была приоткрыта всю ночь. Теперь холодильник работает без остановки. В чем причина? В утечке фреона? Или же нужно заменить термостат?
Может ли помочь разморозка холодильника? Что если оставить холодильник выключенным и размороженным на день?
Предыстория. Пару месяцев назад пришлось менять компрессор. Заводской просто сломался в какой-то момент без явной причины. Сложилось впечатление, что мастер поставил б/у компрессор. Он гудит очень громко. Звук противный и какой-то неравномерный. Но тем не менее компрессор работает