Между «атмо» и «турбо». Какой выбрать двигатель?
05.08.2019
Как говорилось в советской кинокомедии «Берегись автомобиля»: «Каждый, у кого нет машины, мечтает еe купить. И каждый, у кого есть машина, мечтает еe продать».
Со времени выхода фильма прошло больше пятидесяти лет, машины стали во много раз сложнее в техническом плане, модельный ряд расширился на несколько порядков. Но личный автомобиль — это по-прежнему серьeзная покупка для семьи, и никто не хочет прогадать с выбором.
Итак, у вас на руках заветная сумма, вы уже определились с маркой и моделью будущего автомобиля. И тут встаeт важный вопрос: с каким двигателем брать машину? Если вопрос о выборе дизельного или бензинового двигателя для вашего автомобиля решeн в пользу последнего, возникает ещe одна дилемма: атмосферный или с турбонаддувом.
В нашей стране большинство популярных моделей, будь то бюджетные седаны или сверхпопулярные кроссоверы, предлагаются как с турбированными, так и с атмосферными моторами.
При этом, чем выше класс автомобиля и его цена, тем шире линейка именно турбированных агрегатов. Это общемировая тенденция: турбомоторы постепенно вытесняют атмосферные двигатели.
Прежде чем сделать выбор, стоит разобраться в главных отличиях атмосферных и турбированных силовых агрегатов, а также выявить их сильные и слабые стороны.
Как это работает
Основное отличие двух моторов заключается в способе подачи воздуха в цилиндры. В атмосферном двигателе воздух идeт под действием впуска разрежения, который создаeтся на такте, — поршень просто опускается и втягивает воздух. В турбированном моторе работает принудительный наддув — в цилиндры нагнетается больше воздуха с помощью турбокомпрессора.
По сути, турбированный двигатель является модернизацией своего предшественника — классического атмосферного мотора. Основная цель этого изобретения — увеличение мощности без увеличения объeма цилиндров. Турбированный бензиновый двигатель позволяет получить в камерах сгорания более высокую степень сжатия.
Благодаря тому, что воздух подаeтся в камеры сгорания под давлением, достигается более полное сгорание топливно-воздушной смеси.
Турбина состоит из двух частей: ротора и компрессора. Двигатель в процессе работы производит выхлопные газы. Эти раскалeнные газы, поступая под давлением в ротор, раскручивают турбонагнетатель, воздействуя на лопатки турбины. Только после этого они поступают в глушитель. Вал ротора, вращаясь, приводит в действие компрессор, который нагнетает воздух в камеры сгорания, образуя дополнительную степень сжатия.
Воспользуемся простым примером для иллюстрации: если объeм мотора составляет 1,6 литра, то мощность классического атмосферника не превысит 100-110 л.с. В свою очередь, турбированный двигатель при том же объeме сможет выдать до 180 л.с.
Кстати, турбированные двигатели имеют свою небольшую классификацию.
- Механический нагнетатель. На впуске стоит воздушный насос — компрессор, который приводится в движение от коленчатого вала мотора.
- Турбокомпре ссор, который использует энергию выхлопных газов. Принципы его работы мы рассмотрели выше.
Немного истории
Готтлиб Даймлер, один из создателей первого двигателя внутреннего сгорания, экспериментировал с нагнетателем, приводимым от коленвала, ещe в 1885 году. Несколькими годами позже Луи Рено — отец одноимeнной марки автомобилей — получил патент на аналогичную конструкцию для ДВС в 1902-м. Причeм само устройство для промышленного применения братья Рутс изобрели ещe в 1859-м.
Примерно тогда же опыты с турбиной, работающей от выхлопных газов, ставил швейцарец Альфред Бюши. Именно ему приписывают создание турбонаддува, функционирующего по такому принципу, в 1905 году. Правда, установить истинного первого изобретателя сейчас сложно, ведь Бюши лишь получил патент.
Мировую же известность механическим нагнетателям принесла компания Mercedes-Benz, которая стала устанавливать наддувные компрессоры в конце 20-х годов сначала на гоночные, а начиная с 30-х и на серийные машины.
Из Германии мода на наддувные машины перекинулась на Голливуд, а оттуда на весь мир. Золотой век немецких «компрессоров» закончился одновременно с началом Второй мировой войны. Основное применение компрессоров в военное время пришлось на авиацию: наддув использовался для компенсации недостатка кислорода на больших высотах.
Сразу после Второй мировой войны использование компрессоров продолжилось в основном на моторах Формулы-1. Турбонаддува на гражданских машинах автопроизводители побаивались из-за детонации возросшего давления и температуры. Технологии производства подшипников оставляли желать лучшего, охлаждение и смазка тоже была малоэффективной, из-за этого турбины быстро приходили в негодность.
Окончательно и бесповоротно на путь «турбинификации» мировые производители встали после топливного кризиса конца 70-х.
Победа за турбокомпрессором?
Не углубляясь в технические подробности, скажем, что механические нагнетатели можно считать частью эволюционного пути, а массовое распространение в итоге получили турбокомпрессоры.
Для раскрутки нагнетателя требуется мощность с вала двигателя, турбина же раскручивается просто за счeт выхлопных газов. Первый путь технически сложнее и дороже в массовом производстве.
Тем не менее механические компрессоры до сих пор устанавливают! С одной стороны, это премиальные модели британских Jaguar и Land Rover, некоторые двигатели у Mercedes, а с другой — традиционные масл-кары в духе Dodge Challenger Hellcat, которые продолжают специфически «подвизгивать» именно из-за своего механического нагнетателя.
Главное преимущество этой конструкции — приводной компрессор любой конструкции, будучи привязанным к коленвалу, не имеет инерционности. Связь «по педали» с ним прямая, и разгон остаeтся ровным практически во всeм диапазоне.
Преимущества
Если на рынке продаются оба вида двигателей, значит, у каждого есть ряд неоспоримых преимуществ. Рассмотрим их.
Атмосферный двигатель:
- проще в обслуживании;
- имеет более высокий ресурс;
- меньший расход масла;
- невысокие требования к качеству топлива и масла.
Турбированный двигатель:
- высокая мощность и увеличенный крутящий момент при равных объeмах двигателя;
- меньший расход топлива.
Недостатки
Равно как плюсы, у каждого из двух типов двигателей есть свои недостатки.
Атмосферный двигатель:
- имеет большой вес;
- при одинаковом объeме с турбомотором мощность ниже;
- сниженная динамика — в сравнении с турбомотором того же объeма;
- сложности при езде в горах.
Большинство минусов атмосферного двигателя всплывают при сравнении с турбированными агрегатами.
Отдельно стоит сказать о последнем пункте: воздух в горах слишком разреженный, его количества не хватает для стабильной работы мотора, поэтому двигатель попросту «задыхается».
Турбированный двигатель:
- высокие требования к качеству смазки и топлива;
- дорогостоящий ремонт;
- долгий прогрев зимой;
- меньший интервал замены масла.
Трудности выбора
Автолюбителям, которые сомневаются, какой двигатель лучше и выгоднее, однозначного ответа дать не получится. Например, ценителям мощности и динамики имеет смысл присмотреться к турбированному мотору. Однако он же влечeт за собой значительные денежные траты на приобретение бензина и масла высокого качества.
Атмосферный двигатель примечателен своей простотой и неприхотливостью, он прекрасно может служить не одно десятилетие, кроме того, его работоспособность сможет поддержать даже человек с невысоким достатком.
Какое масло нужно турбомоторам, а какое — атмосферным?
У турбомотора наибольшая отдача, то есть максимум выработки тепла приходится на диапазон оборотов в районе 3000-4000 об/мин, когда турбина подаeт повышенное количество воздуха в цилиндры. После того как поток выхлопных газов станет достаточным для полноценной работы турбины, происходит скачок вырабатываемой энергии, сопровождаемый скачком температуры.
Моторное масло в таких условиях обязано сохранять свои свойства как при низких, так и при повышенных температурах. В случае турбированного двигателя это особенно важно, поскольку ось, на которой установлены турбинное и насосное колeса турбонаддува, работает в подшипниках скольжения. В случае если смазочный материал не обеспечит необходимую защиту данного узла, турбина может преждевременно выйти из строя, не выработав свой ресурс, который обычно составляет 30–70% ресурса двигателя.
Для машин с турбокомпрессорами лучше всего подходят синтетические масла, так как они лучше противостоят окислению по сравнению с минеральными и полусинтетическими.
К тому же их вязкость в меньшей степени зависит от изменений температуры, что необходимо для обеспечения защиты подшипников турбины на всех режимах работы двигателя.
Что касается самих характеристик вязкости моторного масла, то турбированные моторы «предпочитают» всесезонные масла с низкотемпературным показателем вязкости SAE 0W и высокотемпературным SAE от 20 до 40. Моторные масла с низким показателем высокотемпературной вязкости следует выбирать для повышения топливной экономичности, высокие показатели вязкости — для лучшей защиты двигателя и турбины. В любом случае, подбор смазочного материала следует проводить в полном соответствии с руководством по эксплуатации конкретного автомобиля.
Кроме того, есть пара важных нюансов относительно использования автомобилей с турбированными двигателями:
важно постоянно следить за состоянием масла, меняя его с периодичностью, рекомендованной производителем;
необходимо регулярно проверять воздушный фильтр — если он забился, это нарушит работу компрессора;
Чтобы продлить срок службы турбомотора, ему нужно дать немного поработать на холостых оборотах для охлаждения турбины.Атмосферные двигатели, в отличие от турбированных, менее требовательны к специфическим характеристикам масла. В данном случае подойдут общие рекомендации, которые мы давали в одной из предыдущих статей.
Стоит лишь напомнить о том, что мы предлагаем простой способ найти подходящее масло, — воспользоваться удобным онлайн-подборщиком. Просто задайте параметры «вид техники — марка — модель» или воспользуйтесь строкой поиска, и вам будут предложены все подходящие виды масла согласно международным стандартам и допускам автопроизводителей.
Выбор, как всегда, за вами!
К списку статей
Разные силы. Что такое «полка» крутящего момента? | Обслуживание | Авто
Владимир Гаврилов
Примерное время чтения: 4 минуты
1221
Shutterstock.
com
Атмосферный и турбированный двигатели при равной мощности отличаются друг от друга по характеристикам. При их сравнении заметна очевидная разница в так называемой планке крутящего момента. Посмотреть на нее можно на графиках распределения тяги в зависимости от оборотов коленвала. Что означают эти показатели и какое практическое значение они имеют для автомобилистов?
Две характеристики
Есть две характеристики, определяющие возможности мотора. Это мощность, выражающаяся в лошадиных силах, и крутящий момент, измеряемый в ньютон-метрах. Вообще, «лошадиные силы» в современных условиях — неинформативная характеристика, зависящая от множества факторов. К примеру, одну и ту же мощность двигатель может выдавать на стенде как при 1500 об./мин. (дизельный агрегат), так и на 20 000 об./мин. (гоночный мотоциклетный оппозитник).
Кроме того, эта единица измерения давно устарела. С помощью хитрых программ управления двигателем количество «лошадиных сил» можно прибавить или уменьшить, чем и пользуются многие производители. Сейчас небольшие 2,0-литровые рядные турбированные моторы BMW или Volvo могут иметь мощность свыше 350 л. с., как 8-цилиндровые атмосферники 20-летней давности, так как оснащены они, помимо ступенчатого наддува, еще и сложной системой впрыска. А вот по тяге и по долговечности они, естественно, проигрывают.
В общем, требуется иная характеристика, которая бы могла адекватно описывать возможности современного мотора. И автопроизводители видят ее в крутящем моменте.
Если силу давления поршней умножить на длину рычага кривошипа, то получится крутящий момент, от которого зависит тяга мотора. Она выражается в ньютон-метрах (1 Нм равен силе в 1 ньютон, умноженной на рычаг в 1 метр). Чем длиннее рычаги, тем больше тяги выдает мотор.
Где начинается и заканчивается «полка» момента?
Если посмотреть на графики, то можно заметить, что у современных впрысковых турбированных моторов кривая момента резко подскакивает вверх и достигает максимума уже при 2000 об./мин. Затем она стабилизируется и с небольшими колебаниями тянется до 4500-5000 об. /мин., а потом плавно клонится вниз к «красной зоне». Аналогичный график можно увидеть и для дизельных моторов, за исключением того, что «полка» момента у них заканчивается примерно на 4000 об./мин.
У атмосферных V-образных агрегатов кривая момента, наоборот, взбирается к максимуму по пологой траектории, достигает «полки» на 3500 об./мин. и клонится вниз после 5000 об./мин. Таким образом, продолжительность «полки» момента почти в два раза меньше. Что же это значит?
Длинная «полка» у турбированных впрысковых моторов означает, что на низких оборотах они ездят зажигательнее и динамичнее, чем атмосферники аналогичной мощности. Пик момента достигается, как только водитель коснется педали акселератора, благодаря чему автомобиль стартует эмоциональнее и живее. Водителю не требуется жать на педаль и тратить лишнее топливо для раскрутки мотора.
К примеру, дизельные агрегаты, у которых максимальный момент доступен уже на 1500 об./мин., на городских скоростях опережают бензиновые по тяге, а значит, они дарят лучшую динамику, оставаясь при этом экономичнее.
С помощью крутящего момента определяется также эластичность мотора, то есть его способность обеспечивать одинаковую тягу в большом диапазоне оборотов.
Зона эффективности
Если посмотреть на графики характеристик мотора, то, помимо кривой крутящего момента, можно увидеть другой «горб». Он показывает нарастание мощности, которое у всех бензиновых моторов достигает максимума примерно к 5000 об./мин.
Мощность двигателя выражает его способность сопротивляться ветровым и прочим нагрузкам для достижения высокой максимальной скорости.
Наибольшая эффективность и отдача мотора достигается между двумя этими показателями, а именно между максимумом крутящего момента и максимумом мощности.
Таким образом, атмосферные моторы хорошо тянут в пределах 3500-6000 об./мин. Поэтому для ускорения во время обгонов их необходимо раскручивать и лучше подбирать передачи, чтобы держать мотор в тонусе.
Турбированные двигатели с непосредственным впрыском, а также дизельные агрегаты будут хорошо ехать от 1500 до 4000 об. /мин. Они обладают хорошей эластичностью и всегда имеют запас тяги для рывка. В этом их главное преимущество. Этот же диапазон позволяет экономить топливо.
двигательполезно знать
Следующий материал
Новости СМИ2
термодинамика — Как работала атмосферная паровая машина?
спросил
Изменено 3 года, 1 месяц назад
Просмотрено 140 раз
$\begingroup$
Всем привет и с Днем Благодарения!
Первым работоспособным паровым двигателем был атмосферный двигатель Ньюкомена (https://en.wikipedia.org/wiki/Newcomen_atmospheric_engine). Это работало следующим образом: пар заполнял камеру с поршнем внутри. В эту камеру впрыскивалась холодная вода, в результате чего пар конденсировался, создавая частичный вакуум. Давление атмосферы (отсюда и «атмосферный двигатель») будет толкать поршень вниз, поднимая воду.
Однако, когда я изучал термодинамику, я узнал, что свободное расширение газа против вакуума (даже когда между ними находится поршень) не работает. Может ли кто-нибудь помочь примирить мою интуицию здесь? Потому что двигатель Ньюкомена, несмотря на то, что газ (атмосфера) давит на поршень, находящийся в контакте с вакуумом, безусловно, выполняет работу!
Большое спасибо!
- термодинамика
- вакуум
- газ
$\endgroup$
$\begingroup$
Ответ кроется в точных словах «свободное расширение против вакуума».
В атмосферной паровой машине расширение не свободное — оно нагружено силой движения двигателя и нагрузкой двигателя. Это не против вакуума — это против поршня, который медленно движется против силы. Таким образом выполняется работа.
Свободное расширение против вакуума обычно предполагает открытие клапана непосредственно в вакуум или разрыв мембраны между вакуумом и давлением. Когда вставляется поршень, имеющий силовую нагрузку, расширение не является свободным.
$\endgroup$
2
$\begingroup$
Вместо частичный вакуум читать пониженное давление ниже атмосферного , чтобы избежать вводящей в заблуждение ссылки на вакуум.
Когда такое состояние достигается, в цилиндре возникает перепад давления, что приводит к результирующей силе, действующей на цилиндр, которая используется для выполнения полезной работы.
$\endgroup$
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.Атмосферный тепловой двигатель – исследование Оливье Паулюи стр.
Почему движется атмосфера?
На этот, казалось бы, наивный вопрос не так просто ответить, как может показаться. Во-первых, не очевидно, что он вообще должен двигаться. Большинство физических систем, оставленных на собственном устройстве, через некоторое время достигают состояния покоя. Возьмите стакан воды. После перемешивания вода какое-то время может двигаться, но позже она осядет. Физический принцип здесь — второй закон термодинамики (извините за заглавные буквы, но это один из самых больших законов в физике…). Полная формулировка второго закона немного сложна, но одно из ее следствий состоит в том, что изолированная физическая система — здесь имеется в виду система, которая не обменивается массой или энергией с окружающей средой — изолированная система достигнет состояния термодинамического равновесия, в котором, по сути, не происходит ничего интересного.
Атмосфера Земли, однако, не изолирована, а постоянно получает энергию в виде коротковолнового излучения Солнца и теряет энергию за счет излучения инфракрасного излучения в космос. Важно отметить, что энергия Солнца в основном поглощается у поверхности и в тропиках – при достаточно теплой температуре. Напротив, испускание инфракрасного излучения происходит в верхней тропосфере при довольно низкой температуре. Это создает ситуацию, когда атмосфера действует как тепловой двигатель, который может генерировать кинетическую энергию, перенося энергию от теплого источника к холодному стоку. В результате теплый воздух поднимается вверх, холодный опускается вниз и образуется ветер.
Цикл Карно, пожалуй, самая известная тепловая машина. Он был введен блестящим французским инженером и ученым Сади Карно в его основополагающем труде Reflexions sur la puissance motrice du feu (который положил начало всему бизнесу второго закона). Это теоретическая машина — насколько мне известно, никто никогда не создавал цикл Карно. Работа, выполняемая циклом Карно, определяется как $$ W = Q \frac{T_{in}-T_{out}}{T_{in}},$$, где $Q$ – нагрев, а $T_{in} $ и $T_{out}$ — температура источника и стока энергии. Цикл Карно также является оптимальным случаем: никакая тепловая машина не может произвести больше работы, чем цикл Карно, при заданной скорости нагрева и температуре источников и поглотителей энергии.
Атмосфера принципиально не действует как цикл Карно. Например, средний поверхностный нагрев составляет около 100 Вт на квадратный метр. При средней температуре поверхности 288 К и температуре излучения 255 К работа, совершаемая циклом Карно, составит около 11 Вт на квадратный метр. Напротив, типичные оценки рассеивания кинетической энергии в атмосфере составляют от 2 до 5 Вт на квадратный метр. Разницу между верхним пределом Карно и генерацией кинетической энергии можно объяснить гидрологическим циклом и, в частности, двумя ключевыми аспектами атмосферы Земли: (1) идут дожди и (2) атмосфера в основном сухая.
Начнем с роли дождя. Типичная капля дождя образуется на высоте нескольких километров в атмосфере, прежде чем упасть на поверхность Земли. Если бы эта капля находилась в свободном падении, ее скорость достигла бы более 100 миль в час, что сделало бы Бельгию непригодной для жизни. Вместо этого капли дождя замедляются за счет аэродинамического сопротивления окружающего воздуха и достигают конечной скорости всего в несколько миль в час. Это сопротивление является диссипативным процессом. Мы использовали спутниковые данные для ее оценки и получили число около 1,2 Вт на квадратный метр, что примерно того же порядка, что и рассеяние ветром (Pauluis and Dias, 2013).
Во-вторых, атмосфера Земли довольно сухая, прежде всего из-за активного гидрологического цикла. Учтите, что, несмотря на то, что две трети Земли покрыты океанами, ее средняя относительная влажность составляет около 70%. Эта атмосферная циркуляция действует как осушитель, который непрерывно удаляет водяной пар: влажный воздух поднимается вверх и образует облака, теряет воду из-за осадков и затем возвращается на поверхность с гораздо меньшим содержанием воды.