Comprex: как устроен нагнетатель

Крутится волчок В ударно-волновом двигателе всего две подробности: диск-ротор с S-образными каналами и корпус-статор с впускными и выпускными портами. Устройство Comprex Поворачивающийся ротор нагнетателя COMPREX для дизельных двигателей приводится ременной передачей от коленчатого вала и в один момент помогает и обменником давления, и механизмом газораспределения, и совокупностью охлаждения.

Устройство Hyprex Совокупность Hyprex устроена пара сложнее, чем Comprex. Инженерам было нужно пойти на последовательность хитростей, дабы приспособить ударно-волновой наддув к бензиновому двигателю.

Способ прямой энергопередачи между газами с разным давлением при помощи ударной волны был запатентован в 1906 году английским инженером Робертом Кнауффом. Действительно, дальше патента дело не пошло. У Кнауффа попросту не было математических инструментов, благодаря которым возможно было корректно обрисовать очень краткосрочные процессы, происходящие в зоне экстремального давления фронта волны.

Однако мысль не была забыта, и во второй половине 20-ых годов двадцатого века француз Антуан Лебрэ опубликовал концепцию «динамического обменника давления», воображавшего собой барабан с продольными каналами, закрытый неподвижными торцевыми пластинами-статорами. В пластинах были расположены впускные и выпускные порты: с одной стороны для холодного атмосферного воздуха, с другой — для тёплых расширяющихся газов из некой камеры сгорания. По мере вращения барабана отверстия последовательно совмещались, снабжая нужную цикличность процесса.

В каналов, по плану Лебрэ, должен был происходить обмен энергией между «заряженным» раскаленным атмосферным воздухом и газом, как между кием и бильярдным шаром. А что позже?

А позже разогнанный до огромной скорости, но все еще холодный воздушное пространство через выпускной порт должен был устремляться на гипотетические турбинные лопатки, а отработанный (и ставший «медленным») газ — удаляться в выпускной тракт. Естественное продолжение процесса — сквозная продувка разреженного канала и наполнение его свежей порцией воздуха в момент закрытия выпускного порта. И все это в тысячные доли секунды.

Успешный дизайн автомобили Лебрэ стал эталоном для всех последующих совокупностей для того чтобы типа. На протяжении собственных изучений изобретатель сумел сформулировать три серьёзных особенности волновых роторных совокупностей.

Во-первых, в момент контакта двух газов с разной энергией фронт ударной волны ведет себя как поршень, и чем выше отличие исходных температуры и давлений, тем данный поршень жёстче. В следствии на протяжении передачи «эстафетной палочки» газы просто не успевают смешиваться, а сжимаемый воздушное пространство — нагреваться.

Во-вторых, рабочие каналы ротора продуваются так действенно, что ему не нужно принудительное охлаждение. Это позволяет совокупности трудиться на максимально больших перепадах температур и с позиций термодинамики иметь больший потенциал по КПД. В-третьих, скорость (до 370 м/с) ударно-волнового обмена фактически исключает происхождение турболага — задержки отклика совокупности на подачу газа.

Изобретение Фрэнком Уиттлом в первой половине 30-ых годов двадцатого века газотурбинного двигателя и открывшиеся наряду с этим возможности применения волновых роторных нагнетателей как альтернативы компрессору с целью увеличения расхода и снижения топлива КПД подстегнуло изучения в данной области. Действительно, результата было нужно ожидать целое десятилетие.

Керосиновая крепость

Первым человеком в истории техники, сумевшим корректно вычислить, выстроить и удачно испытать волновой обменник, стал инженер швейцарской компании Brown Boveri & Cie Клод Сейппел. Началось все с того, что во второй половине 30-ых годов двадцатого века Brown Boveri & Cie (BBC) взяла удачный заказ от английской Great Western Railways на разработку действенного самоохлаждающегося нагнетателя к 2500-сильному газотурбинному двигателю (ГТД) для локомотивов проекта British Rail 18000.

Всего через год по окончании получения техзадания несколько Клода Сейппела положила на стол главы компании готовые чертежи и пара заполненных патентных заявок, а уже в первой половине 40-ых годов двадцатого века первый экземпляр волнового обменника был установлен в заводской лаборатории. И это при том, что вычисления в те годы велись на логарифмических линейках и арифмометрах.

В соответствии с расчетам Сейппела, волновой наддув с приводом от вала должен был поднять мощность силовой установки на 80% при одновременном понижении расхода керосина на четверть. В тестах 1941−1943 годов нагнетатель барабанного типа с 30 каналами и двумя портами на каждой из торцевых крышек показал замечательную надежность. Его КПД в диапазоне оборотов порядка 6000 достигал 69%, а конкретно процесс сжатия-расширения протекал с КПД 83% при передаточном соотношении давления 3:1.

Однако в производство совокупность Сейппела не отправилась, и изобретатель тут ни при чем. За четыре года двигателисты BBC так и не смогли настроить базисный агрегат на работу в паре со столь необыкновенным нагнетателем. В итоге British Rail 18000 по прозвищу «Керосиновая крепость» выстроили по простой компрессорной схеме, а громадный массив информации об обменниках давления до поры до времени был послан в архив.

Взрывной потенциал

В середине 1950-х на фоне бурного развития разработок ГТД мысль сверхэффективного волнового наддува взяла новый толчок к формированию. В первой половине 50-ых годов двадцатого века английская компания Ruston-Hornsby приступила к разработке серии компактных ГТД для тяжелого промышленного оборудования мощностью от 1 до 10 МВт, которыми планировалось заменить громоздкие дизельные агрегаты.

Управлению Ruston-Hornsby удалось заполучить в свои ряды настоящего джокера — блестящего физика Рона Пирсона, ученика, друга и коллегу самого Фрэнка Уиттла. Пирсон с «закрытыми глазами» ориентировался в дебрях газодинамики и «на раз» решал непростые технические задачи в области ГТД. Но самое основное — у него имелась концепция волновой роторной турбины (ВРТ) — ДВС совсем нового типа, сочетающего преимущества газотурбинных и поршневых автомобилей, но наряду с этим отнять у них недочётов.

Выстроенный «с нуля» всего за девять месяцев пятикилограммовый прототип ВРТ с длиной барабаном и 23 дисковым диаметром 7,6 см на 18000 оборотов «отгружал» на вал практически 35 л.с. И это при том, что на один оборот ротора приходился всего один рабочий цикл сжатия-расширения.

В отличие от Лебрэ и Сейппела, Пирсон применял в роторе не прямолинейные, а спиралевидные каналы, помогавшие в один момент камерами сгорания для керосина и смеси воздуха. Именно поэтому на протяжении расширения упругие волны газа, скользя по внешнему радиусу стенок, раскручивали ротор. Не обращая внимания на примитивность механизма газораспределения прототип одинаково устойчиво трудился во всем диапазоне оборотов, а на максимуме легко держал температуру до 800 °C.

И все-таки это была достаточно сырая вещь, потребовавшая тщательной доработки. Слабенький КПД, топтавшийся между 12 и 20%, возможно было поднять за счет улучшения сквозной продувки каналов, удвоения количества и минимизации зазоров рабочих циклов на оборот вала.

Пирсон готовься браться за модернизацию автомобили, в то время, когда случилась нелепая авария. С честью выдержавший 900 часов постоянной работы движок разрушился прямо на стенде из-за досадной поломки клапана подачи горючего.

Перелив керосина мгновенно поднял обороты ротора до 25000 и подшипники, не рассчитанные на такую нагрузку, «поплыли» в считанные секунды. Только по счастливой случайности в момент аварии не пострадал никто из техников.

Самого Пирсона это нисколько не смутило. Чего не сообщишь о его боссах. Сразу после произошедшего, ссылаясь на недочёт средств и более актуальные задачи по ГТД, они заморозили проект.

Не обращая внимания на попытки ученого заинтересовать своим двигателем другие компании, стадия «глубокой заморозки» растянулась на четверть века. В то время, когда же в первой половине 80-ых годов двадцатого века идеями Пирсона действительно заинтересовался космический гигант Pratt&Whittney, у изобретателя были уже совсем другие приоритеты. А вот научному наследию Клода Сейппела повезло значительно больше.

Ударное турбо

Ровно через пять десятилетий по окончании создания первого волнового роторного нагнетателя компания Brown Boveri при помощи ученых из Федерального технологического университета Цюриха (ETH) вывела на рынок легендарный Comprex — неповторимую совокупность наддува для дизельных двигателей, «выращенную» на ветхой сейппеловской закваске. С турбонаддувом его роднит применение давления отработанных газов, а с механическим нагнетателем — ременной привод от двигателя.

Но «давит» Comprex значительно посильнее, чем его аналоги. А основное — делает это в режиме постоянной готовности, мгновенно отзываясь приростом момента на мельчайшее нажатие педали газа из самого «подвала» впредь до красной территории. Отбирая с вала не более 2% мощности, Comprex возвращает в дело 75% бросовой тепловой энергии.

К двигателю он присоединяется параллельно. В одном из торцов корпуса расположены тракта и окна воздухозаборника большого давления, а в противоположном — впускной и выпускной порты. Между ними — ротор барабанного типа с узкими и глубокими прямолинейными каналами.

Каналы поочередно проходят мимо окна воздухозаборника и наполняются свежей порцией воздуха. Сразу после этого через противоположную торцевую пластину статора в каналы врывается ударная волна тёплых газов из камеры сгорания, и ее «жёсткий» фронт с огромной силой сжимает воздушное пространство.

В то время, когда канал достигает окна тракта большого давления, начинается самое занимательное: заряд холодного сжатого воздуха устремляется в цилиндры, а вдогонку за ним расширяется облако выхлопного газа. Но так как сейчас окно закрывается, тёплая волна, как мячик, отскакивает от торцевой крышки и пулей вылетает в подоспевший иначе канала выпускной порт.

Появляющаяся наряду с этим замечательная волна разрежения засасывает вовнутрь ротора избыточную порцию воздуха, часть которого продувает канал полностью, охлаждая стены. За один оборот ротора Comprex совершает два цикла сжатия-расширения.

Дабы трудиться нормально, Comprex должен быть достаточно горячим. Но, прогрев устройства при открытых заслонках происходит фактически мгновенно. А вот совокупность охлаждения ему не нужна — для этого достаточно естественной продувки.

Так как скорость вращения вала двигателя в настоящих условиях всегда меняется, вероятные перепады давления выброса компенсируются особенными газовыми камерами-демпферами на внешней стороне статора. Незначительное количество «отработки», неизбежно попадающей в воздушный заряд, дизельным движкам идет лишь на пользу.

Это плюсы волнового наддува. Но имеется и минусы.

Во-первых, Comprex дорог. Во-вторых, просто так забрать и прикрутить его на любой понравившийся дизель нереально, а процесс интеграции в силовую установку очень сложен. В-третьих, ремонт и обслуживание для того чтобы необыкновенного агрегата требует особой подготовки.

Как раз по этим обстоятельствам опыт компании Мазда, во второй половине 80-ых годов двадцатого века принявшей Comprex на вооружение, зашел в тупик. Всего же японцы собрали 150 000 дизельных предположений Capella 626 с двухлитровым мотором, оснащенных наддувом Comprex.

Швейцарскую чудо-машинку тестировали многие, но, проанализировав опыт Мазда, отказывались рисковать. А вот в промышленных дизелях подобные системы употребляются деятельно, включая Comprex свободного вращения со спиралевидными каналами, не связанный с валом двигателя ремнем.

Храбрецы волнового фронта

простота и Дешевизна — эти два фактора в массовой автоиндустрии бьют каждые козыри. Нестандартные инновации, требующие трансформации привычной последовательности технологических операций, довольно часто принимаются в штыки.

Но смельчаки, которых не пугает печальная история семейства Comprex, все-таки остались. Доктор наук Мичиганского университета Норберт Мюллер уверен в том, что его волновой дисковый двигатель (ВДД) имеет настоящие шансы стать лучшим и последним в обреченном на вымирание семействе ДВГ. «По окончании него — лишь электричество, — вторит ему соавтор проекта Януш Пехна из варшавской Политехники. — ВДД будет фантастически экономичен, компактен и несложен».

Куда уж несложнее — волновой дисковый двигатель состоит всего из двух подробностей — прямоточного плоского ротора с узкими S-образными радиальными каналами и статора, делающего роль пассивного механизма газораспределения. Но по удельной мощности данный агрегат «порвет» любой навороченный наддувный поршневик. При обещанных 35 л.с. и массе до двадцати килограмм по размерам ВДД сопоставим с кухонной сковородкой, а заливать в него возможно каждые жидкие и газообразные горючие углеводородные смеси.

Авторы проекта утверждают, что демоверсия мотора, которая будет выстроена в соответствии с условиям предоставленного агентством APRA-направляться гранта в $2,5 млн, будет иметь КПД 30%. На следующем этапе Мюллер и Пехна обещают выжать из ВДД не меньше 65% при 4 — 5-кратном преимуществе по расходу горючего над передовыми поршневыми движками. Согласитесь, это хорошее резюме для соискателя вакансии бортового генератора к гибридным легковушкам.

Компрекс и Хайпрекс

Бензиновые двигатели были создателям Comprex Brown Boveri не по зубам. Неприятность была решена лишь во второй половине девяностых годов. И также в Швейцарии.

Инженеры компании Swissauto WENKO обучились укрощать капризные ударные волны и создали «бензиновый» аналог Comprex. Прямоточный многосекционный ударно-волновой ротор называющиеся Hyprex было нужно «отвязать» от вала, оснастив собственным электроприводом.

изогнутая конфигурация и Независимое вращение каналов совокупности снабжали большое давление наддува при минимальной плотности потока отработанных газов на низких оборотах. А, как мы знаем, эта часть диапазона всегда была не сильный местом бензиновых силовых установок, в особенности малолитражных.

Опробования Hyprex, совершённые в начале прошлого десятилетия на Renault Twingo, доказали большой КПД, экономичность и экологическую чистоту волнового наддува. Однако интерес больших автокомпаний к новинке был нулевым. И не вследствие того что турбонаддув лучше.

Значительно серьёзнее то, что он дешевле и несложнее.

Статья «В отыскивании компрексии» размещена в издании «Популярная механика» (№111, январь 2012).

Тоерия ДВС: Принцип работы двигателя с наддувом, Часть 5 — механический нагнетатель

Записи по принципу Рандом:

• Опознай автомобиль: редакция молит о помощи
• Гибридный ванкель: роторный гибрид
• Рыжий zzzzzверь: проба руля: nissan 350z
• Disco volante spider: суперкар тиражом 7 экземпляров
• Автомат погиб, даздравствует автомат!
• Как устроена пожарная машина?

самые интересные для Вас статьи, подобранные по важим запросам:

• Впогоне за мощностью: нагнетатели

  Впогоне за мощностью: Нагнетатели Комплект «Наддуй собственный двигатель сам» Как мы писали в прошлом номере, расширить мощность двигателя возможно единственным…

• Механический нагнетатель: функции…

  Механический нагнетатель: функции, целесообразность и виды установки Кроме интеркулеров, для увеличения мощности двигателя авто употребляются механические…

• Турбонаддув: что это такое, для чего…

  Турбонаддув: что это такое, для чего нужен, как устроен и как трудится турбонагнетатель Турбонаддув является разновидностью наддува, разрешающий…

• Фокус сэлектрическим нагнетателем

  Фокус сэлектрическим нагнетателем Электрический нагнетатель. Фото: Car and Driver Прототип HyBoost. Фото: Ricardo Схема работы электрического…

• Неровный холостой движение: обстоятельства…

  Неровный устранение проблемы: причины и холостой ход возникновения Холостой движение — это, как вы не забывайте, работа двигателя без нагрузки, в то время, когда педаль газа…

• Сжать посильнее: турбонаддув

  Сжать посильнее: Турбонаддув Исторический Mercedes 540K и современный Mercedes CL объединяет то, что их моторам оказывает помощь трудиться механический компрессор…

• Что такое закись азота

  Что такое закись азота Словосочетание закись азота взяло весьма широкое распространение по окончании фильма Форсаж, в котором все уличные гонщики неизменно…