Как суперчарджер делает то, что не может турбо?

Механический нагнетатель (суперчарджер) - это система принудительного впуска, которая сжимает воздух, поступающий в двигатель, позволяя получить больше мощности при том же объёме двигателя; его отличие от турбонагнетателя в том, что он получает механическую энергию напрямую от коленчатого вала, а не от выхлопных газов. Благодаря этой связи он обеспечивает отклик без задержки, мгновенно и линейно; однако он постоянно потребляет часть мощности самого двигателя и, как правило, менее экономичен по расходу топлива, чем турбонагнетатель.

Как работает суперчарджер: Мощность от коленчатого вала

Основной предел мощности, которую может развить двигатель внутреннего сгорания, определяется количеством кислорода, поступающего в цилиндры. В атмосферном двигателе воздух поступает за счёт собственного давления атмосферы и вакуума, создаваемого тактом впуска. Суперчарджер меняет этот баланс: он нагнетает воздух в цилиндры под давлением (boost), превышающим атмосферное. Больше кислорода означает возможность сжечь больше топлива; это более сильный взрыв в каждом цикле, то есть более высокая мощность в лошадиных силах и крутящий момент.

Ключевой момент с точки зрения механизма - источник мощности. Суперчарджер напрямую связан с коленчатым валом ремнём, цепью или шестернёй; чем быстрее вращается двигатель, тем быстрее вращается и суперчарджер. Турбо, напротив, вращается за счёт кинетической энергии выхлопных газов и возвращает часть этой энергии. Именно эта разница определяет весь характер двух технологий: одна отвечает мгновенно, но расплачивается топливом, другая использует энергию выхлопных газов, которая иначе улетает в трубу, но заставляет подождать в первый момент.

У процесса сжатия есть ещё одна цена: тепло. Сжатый воздух нагревается, плотность горячего воздуха снижается, и прирост мощности ограничивается. Поэтому в серьёзных системах с наддувом используется интеркулер типа воздух-воздух или воздух-вода; сжатый воздух охлаждается, становясь более плотным и богатым кислородом. Кроме того, при высоком давлении наддува возрастает риск детонации; топливо с высоким октановым числом устойчиво к детонации, что позволяет использовать более агрессивные настройки.

Разница между турбо и суперчарджером: Отклик на газ против эффективности

Вопрос, который разделяет эти две технологии, на самом деле таков: откуда вы берёте энергию? Турбо возвращает энергию выхлопных газов, которая в обычных условиях уходит в трубу, через турбину; поэтому теоретически оно более эффективно. Но турбине нужно время, чтобы начать раскручиваться. На низких оборотах поток выхлопных газов недостаточен, и пока турбина не раскрутится, двигатель работает как атмосферный; это ожидание называется турбоямой (turbo lag).

У суперчарджера такого ожидания нет. Поскольку компрессор механически связан с коленчатым валом, наддув присутствует даже на холостом ходу, а кривая мощности линейна: чем сильнее вы нажимаете на газ, тем больше отклика получаете. Эта предсказуемость даёт преимущество в контроле на гоночной трассе; на большой высоте над уровнем моря она также сохраняет мощность, сжимая разрежённый воздух.

Плата за это не прозрачна, но её можно измерить: механический нагнетатель может потреблять до 20% общей мощности двигателя на собственную работу. Это называется паразитной нагрузкой. Турбокомпрессор не несёт такой нагрузки; платой за это становится тормоз привода в выпускной системе. Различия есть и в стороне трубопроводов: у механического нагнетателя разводка проста - воздух идёт от компрессора к двигателю. Турбокомпрессору требуется сложная схема трубопроводов, через которые отработавшие газы должны пройти через турбину, а поскольку горячие выпускные компоненты находятся рядом с впускной магистралью, риск перегрева высок.

Три типа механических нагнетателей и их характер

Механические нагнетатели делятся на два основных семейства в зависимости от того, как они соотносят наддув с оборотами двигателя: компрессоры объёмного типа обеспечивают постоянный наддув практически на всех оборотах; у динамических компрессоров наддув растёт пропорционально оборотам. Все три основных типа относятся к одному из этих двух семейств.

Roots: Самый старый, самый мгновенный

Тип Roots - это конструкция, запатентованная в 1860 году для вентиляции шахт, перенесённая в мир двигателей. Две шестерни-ротора (лопасти), вращающиеся в противоположных направлениях, захватывают воздух в зазоре между корпусом и ротором и подают его в коллектор. Важно отметить следующее: Roots сам не сжимает воздух; он только перемещает его. Поэтому он известен скорее как нагнетатель (blower), чем компрессор. Он даёт наддув во всём диапазоне оборотов и с классическим видом, устанавливаемым сверху на двигатель, является символом культуры маслкаров. Однако на высоких уровнях наддува его КПД составляет лишь около 40-50%, и он выделяет значительное количество тепла. Классификация нагнетателей GMC до сих пор отражает эту традицию: нагнетатель 6-71 рассчитан на пропуск 71 кубического дюйма объёма на каждый цилиндр двигателя объёмом 426 кубических дюймов (7,0 л).

Двухвинтовой (Twin-Screw): Конструкция с внутренним сжатием

Двухвинтовой дизайн, также известный как Lysholm, использует две зацепляющиеся винтовые спирали и внутренне сжимает воздух в сужающихся каналах. Эта одна деталь определяет разницу с Roots: более высокий термический КПД, меньше тепла. В узком диапазоне нагрузок и оборотов он может достигать эффективности, близкой к динамическим компрессорам. Современная конструкция была запатентована в 1935 году Альфом Лишольмом; базовый патент на винтовой компрессор восходит к 1878 году и принадлежит Генриху Кригару. Именно этот тип предпочитают приложения, которые хотят сохранить мгновенный характер Roots, но снизить его температуру.

Центробежный: Турбоподобный, с механическим приводом

Центробежный нагнетатель по конструкции похож на турбину, однако работает не от выхлопа, а от механического привода. Вращающаяся на высоких оборотах крыльчатка разгоняет воздух наружу и преобразует эту скорость в давление. В отличие от объёмных типов, наддув растёт вместе с оборотами двигателя; результат - характер, похожий на атмосферный мотор, но добавляющий мощность на высоких оборотах. Его КПД - самый высокий среди трёх типов: в диапазоне 70–85%. Тепловыделение также ниже, а компактный корпус упрощает монтаж в тесных моторных отсеках. Недостаток краток: на низких оборотах он не даёт столько мощности, сколько Roots или twin-screw.

Насколько он влияет на расход топлива?

Влияние наддува на экономию топлива - очевидный факт: обычно он увеличивает расход. Больше воздуха означает больше топлива для сжигания; двигатель обязан работать, не нарушая баланса воздух-топливо. На автомобиле с установленным комплектом наддува экономичность, в зависимости от стиля езды и настройки, обычно может снизиться на 15–30%; при агрессивной езде расход может удвоиться.

Выбор типа тоже меняет эту картину. Тип Roots из-за серьёзного паразитного нагрева сильнее всего нагружает экономичность; центробежные конструкции благодаря высокому КПД выделяются как самые экономичные представители типа. Но ни один нагнетатель не может быть эффективнее турбины, возвращающей энергию выхлопа. 21. 21 веке производители обратились к турбомоторам малого объёма: Mercedes заменила свои двигатели с наддувом, носившие имя Kompressor, примерно в 2010 году на турбомоторы. Есть и исключения: двигатель Audi 3.0 TFSI оставался с наддувом с 2009 года, а агрегат Jaguar AJ-V8 Gen III - с того же года.

На каких автомобилях и почему предпочитают нагнетатель?

Выбор зависит от того, насколько критична реакция на газ. В дисциплинах, где победу решают десятые доли секунды, таких как драг-рейсинг и tractor pulling, нагнетатель распространён; задержки наддува нет, а мощность масштабируется мгновенно с педалью газа. Американская традиция маскл-каров построена на той же логике: господство нагнетателя в высокопроизводительных моделях GM, Dodge и Ford объясняется культурным предпочтением мгновенного крутящего момента и мощности на низких оборотах. Среди причин, по которым Ford выбрал нагнетатель для GT500, можно назвать соответствие наследию, мгновенную реакцию на газ и производительность на высоких оборотах.

Возможен и противоположный выбор. Подход twincharging, объединяющий две технологии, включает нагнетатель на низких оборотах, оба на средних и только турбину на высоких. Lancia Delta S4 использовала эту схему в сезоне WRC 1985–86 с электромагнитной муфтой и перепускными клапанами. В серийном производстве эту двойную подачу применяли такие примеры, как VW 1.4 TSI (2005–2013) и Volvo B4204T 2.0. Проблемы сложности и надёжности удерживали этот подход в нишевом сегменте.

Механический нагнетатель или турбина: Что лучше?

Самый честный ответ на вопрос, не имеющий единого ответа, - свести сравнение к двум пунктам: механический нагнетатель выигрывает на низких оборотах и в мгновенной реакции, турбина - в пиковой мощности и эффективности. Слабое место механического нагнетателя - эффективность, слабое место турбины - турболэг; что из них лучше, зависит от сценария использования. В городском трафике вы ищете мгновенный отклик или же эффективность на длинной дистанции? В первом случае рациональный выбор - механический нагнетатель, во втором - турбина.

Один из часто задаваемых вопросов - скорость: что из них быстрее? Ставить общее правило было бы ошибкой; пиковая мощность турбины обычно выше, но решающими являются калибровка автомобиля, выбор типа и настройка в измерениях, времени и дистанции. Типичный диапазон прироста мощности у механического нагнетателя - 30–75%, у хорошо спроектированного кита - на уровне 50–85%; оба должны быть настроены так, чтобы оставаться в пределах запаса прочности двигателя и допуска по детонации.

Вывод: Простое инженерное решение

Механический нагнетатель - это альтернатива, которую стоит рассматривать не против турбины, а вместе с турбиной. Механическая связь с прямой подачей от коленчатого вала даёт мощность без задержек и предсказуемо; ценой этому является то, что двигатель постоянно расходует часть собственной мощности. Мгновенность нагнетателя Roots на всём диапазоне оборотов, тепловой баланс винтового двухроторного, высокий КПД центробежного на высоких оборотах - это три разных инженерных пути к одной цели. Правильный вопрос не в том, что из них абсолютно лучше, а в том, какой характер с большей вероятностью подойдёт в каком сценарии использования.

Источники

• What is a Supercharger
• Supercharger
• Turbochargers vs. Superchargers: Which Is Better?
• How Do Supercharger and Turbocharger Engines Differ?
• Supercharger Kit Fuel Economy Impact
• Supercharger Vs Turbocharger - JEGS
• Roots vs. Twin-Screw vs. Centrifugal Superchargers
• Roots vs. Centrifugal vs. Screw Type Supercharging
• Superchargers Vs. Turbochargers
• How Superchargers Work