В поредица ще разкажем за принудителното пълнене и развитието на ДВГ
Той е пророкът в светото писание на автомобилния тунинг. Той е спасителят на дизеловия двигател. Дълги години пренебрегван от конструкторите на бензинови мотори, днес той се превръща в повсеместно явление. Той е Турбокомпресорът… По-съвършен отвсякога.
Неговият събрат – компресорът с механично задвижване, също няма намерение да слиза от сцената. Нещо повече – той е готов на съюз, който да доведе до перфектната симбиоза. Така в суматохата на съвременната технологична надпревара представителите на двете праисторически противоположни течения се съюзиха, доказвайки максимата, че истината си остава една и съща независимо от различието в гледните точки.
Разход от 4500 л/100 км и много кислород
Аритметиката е сравнително проста и се базира единствено на физичните закони... Ако приемем, че автомобил с тегло приблизително 1000 килограма и отчайващо аеродинамично съпротивление изминава 305 метра от място за по-малко от 4,0 секунди, достигайки скорост от 500 км/ч в края на отсечката, то мощността на двигателя на този автомобил би следвало да превишава 9000 к. с. По същите сметки излиза, че в рамките на отсечката въртящият се със скорост 8400 оборота в минута колянов вал на двигателя ще успее да се завърти само около 560 пъти, но това няма да попречи на 8,2-литровата машина да погълне около 15 литра гориво. В резултат на още една проста сметка става ясно, че според стандартната мярка за консумация на гориво средният разход на този автомобил е над 4500 л/100 км. Словом – четири хиляди и петстотин литра. Всъщност тези двигатели нямат системи системи за охлаждане – охлажда ги горивото…
В тези числа няма никаква фантастика… Това са големи, но съвсем реални стойности от света на съвременния драгрейсинг. Едва ли би било коректно да окачествим участващите в надпреварите за максимално ускорение машини като състезателни болиди, тъй като обвитите в синкав дим сюрреалистични четириколесни творения са несравними дори с каймака на съвременните автомобилни технологии, прилагани във Формула 1. Затова ще използваме популярното название „драгстери” – безспорно интересни по свой, уникален начин автомобили, даряващи с неповторими усещания както феновете встрани от дългата 305 метра писта, така и пилотите, чийто мозък при стремителното ускорение от 5 g вероятно приема формата на цветно двуизмерно изображение върху задната стена на черепната кутия...
Тези драгстери са може би най-известната и най-впечатляваща с характеристиките си разновидност на популярния в САЩ моторен спорт, числящ се към класа с многозначителното название Top Fuel. В основата за това название стоят екстремните характеристики на химическото съединение нитрометан, което адските машини използват в качеството на гориво за своите двигатели. Под въздействие на тази експлозивна смес моторите работят в режим на непосилно претоварване и се превръщат в купчина непотребен метал само след няколко състезателни отсечки, а поради неподлежащата на озаптяване склонност на горивото към непрекъснати детонации, звукът от тяхната работа наподобява истеричния рев на звяр, броящ последните мигове от живота си. Процесите в двигателите могат да бъдат сравнени единствено с абсолютен, неконтролируем хаос, граничещ със стремеж към физическо саморазрушение. Обикновено още към края на първата отсечка някой от цилиндрите излиза от строя. Мощността на използваните в този лудешки спорт двигатели достига стойности, които никой динамометричен стенд на света не може да измери, а издевателството над машините наистина надминава всички граници на инженерния екстремизъм...
Но нека се върнем към същината на нашия разказ и се вгледаме малко по-внимателно в свойствата на горивото нитрометан (с примес от няколко процента балансиращ метанол), което без съмнение е най-потентната субстанция, използвана в която и да е форма на автомобилна състезателна дейност. На всеки въглероден атом в молекулата му (CH3NO2) се падат по два кислородни атома, което означава, че горивото носи със себе си голяма част от необходимия за изгарянето си окислител. Поради същата тази причина енергийното съдържание на литър нитрометан е по-ниско от това на литър бензин, но при едно и също количество свеж въздух, което двигателят може да всмуче в горивните камери, при изгарянето си нитрометанът би осигурил значително по-голямо сумарно количество енергия. Това е възможно, защото самият той съдържа в състава си кислород и поради това може да окисли по-голяма част от въглеводородните съставки на горивото (по принцип негорими в отсъствие на кислород). Казано другояче, нитрометанът има 3,7 пъти по-малка енергийна стойност от бензина, но с едно и също количество въздух може да бъда окислено 8,6 пъти по-голямо количество нитрометан, отколкото бензин.
Всеки бегло запознат с процесите на горене в автомобилния двигател знае, че същинският проблем при „изстискването” на повече мощност от един двигател с вътрешно горене не се състои в увеличаването на дебита на постъпващото в камерите гориво – за целта отдавна се грижат достатъчно мощни хидравлични помпи, постигащи изключително високо налягане. Истински сложната задача се състои в осигуряването на достатъчно количество въздух (респ. кислород), който да окисли въглеводородите и да гарантира максимално ефективно горене. Именно поради тази причина в топлигата на драгстерите се използва нитрометан, без който при двигател с работен обем 8,2 литра би било напълно немислимо постигането на резултати от подобен порядък. При това машините работят с доста богати смеси (при определени условия нитрометанът може да започне да окислява и сам), поради което част горивото се окислява в изпускателните тръби и оформя внушителните магически огньове над тях.
Въртящ момент от 6750 нютонметра
Средната стойност на въртящия момент на тези двигатели достига колосалните 6750 Нм. Вероятно вече сте забелязали, че в цялата тази аритметика има нещо странно... Работата е в това, че за да постигне споменатите екстремни стойности, всяка секунда работещият с 8400 об./мин двигател трябва да всмуква ни повече, ни по-малко от 1,7 кубически метра свеж въздух. Има само един начин това да се осъществи и той се нарича принудително пълнене. Главната роля в случая се изпълнява от огромен класически механичен агрегат тип Roots, благодарение на който налягането в колекторните тръби на драгстерния двигател (базиран на праисторическия Chrysler Hemi Elephant) достига стряскащите 5 бара.
За да добиете по-образна представа за какви натоварвания става въпрос в случая, ще дадем за пример една от легендите на златната ера на механичните компресори – 3,0-литровия състезателен V12 на Mercedes-Benz W154. Мощността на тази машина е възлизала на 468 к. с., но трябва да се има предвид, че задвижването на компресора е отнемало колосалните 150 к. с., без той да може да достигне споменатите 5 бара. Ако сега прибавим в сметката въпросните 150 к. с., ще достигнем до извода, че W154 е разполагал реално с невероятните за времето си 618 к. с. Сами можете да прецените каква реална мощност постигат двигателите в класа Top Fuel и каква част от нея поглъща задвижването на механичния компресор. Разбира се, далеч по-ефективна в случая би била употребата на турбокомпресор, но неговата конструкция не би могла да се справи с екстремното термично натоварване от страна на отработилите газове.
Началото на даунсайзинга
През по-голямата част от историята на автомобила присъствието на агрегат за принудително пълнене при двигателите с вътрешно горене е било отражение на върховите технологии за съответния етап на развитие. Именно така беше и през 2005 година, когато престижната награда за технологична иновация на auto motor und sport, носеща името на основателя на списанието Паул Пийч, бе връчена на шефа на развойния отдел за двигатели на VW инж. Рудолф Кребс и неговия екип за разработката и прилагането на технологията Twincharger в 1,4-литров бензинов мотор. Благодарение на комбинираното принудително пълнене на цилиндрите с помощта на синхронна система от механичен и турбокомпресор агрегатът съчетава умело равномерното разгръщане на въртящия момент и високата мощност, характерни за атмосферните двигатели с голям работен обем, с ефективността и икономичността на малките мотори. 11 години по-късно 1,5 литровият двигател TSI на VW (с леко увеличен работен обем, компенсиращ ефективното му намаляване заради използвания цикъл на Милър) вече разполага с далеч по-модерната технология с VNT турбокомпресор и отново е кандидат за наградата Паул Пийч.
Всъщност първият сериен автомобил с бензинов двигател и принудително пълнене с турбокомпресор с променлива геометрия, Porsche 911 Turbo видя бял свят именно през същата 2005 година. Както разработеният съвместно от инженерите от развойния отдел на Porsche във Вайсах и колегите им от Borg Warner Turbo Systems компресор, така и този на VW ползват добре познатата и отдавна прилагана в турбодизеловите агрегати идея за променливата геометрия, която дотогава не бе внедрявана при бензинов мотор поради проблемите с по-високата (с около 200 градуса в сравнение с дизела) средна температура на отработилите газове. За целта са използвани термоустойчиви композитни материали от аеро-космическата промишленост за направляващите газовете лопатки и свръхбърз контролен алгоритъм в системата за тяхното управление. Постижението на инженерите на VW.
Златната ера на турбокомпресора
След спирането от производство на модела 745i през далечната 1986 година, BMW дълго време отстояваха твърдо своя собствена конструктивна философия в създаването на бензинови двигатели, според която единствено „правоверният” начин за постигане на по-висока мощност бе работата на мотора във високи оборотни режими. Никакви ереси и заигравки с механични компресори a la Mercedes (С 200 Кompressor) или Toyota (Corolla Compressor), никакви уклони към турбокомпресори в стил VW или Opel. Мюнхенските двигателостроители отдаваха предпочитание на пълненето с висока честота и нормално атмосферно налягане, прилагането на високотехнологични решения и в краен случай – на по-голям работен обем. Компресорните експерименти на базата на баварските двигатели бяха почти изцяло делегирани на „факирите” от приближената на мюнхенския концерн тунинг фирма Alpina.
Днес BMW вече не произвежда бензинови двигатели с атмосферно пълнене, а в гамата на дизеловите машини вече има агрегат с четири турбокомпресора. Volvo използва комбинация от пълнене с механичен и турбокомпресор, Audi създаде дизелов двигател с комбинация от електрически компресор и два каскадно свързани турбокомпресора, Mercedes – бензинов двигател с електрически и турбокомпресор.
Преди да разкажем за тях обаче ще се върнем назад в годините, за да потърсим корените на този технологичен преход. Ще открием как през осемдесетте години американските производители се опитаха да компенсират с помощта на турботехнологиите намалените вследствие на двете петролни кризи работни обеми на двигателите и как се провалиха в тези си опити. Ще хвърлим светлина върху безуспешните опити на Рудолф Дизел да сътвори компресорен мотор. Ще си припомним славната ера на компресорните двигатели от 20-те и 30-те години на миналия век, както и дългите години на забрава. Разбира се, няма да пропуснем и появата на първите серийни образци на турбокомпресори след първата голяма петролна криза през 70-те години. Или за системата Turbo compound на Scania. Накратко – ще ви разкажем за историята и еволюцията на компресорните технологии...
(следва)
Текст: Георги Колев
Bat Sande
Господин Колев - моите чест и почитания! До сега не бях попадал на толкова грамотно написани, увлекателни и изчерпателни статии за съвременните технологии в автомобилостроенето като вашите. Не знам дали Вие ги пишете или ги превеждате, но определено човек може много да научи или да си актуализира знанията ако тази материя го влече. Аз лично ще прочета всички поредици излезли до сега и ще следя за нови!