Test drive Magic Fires: η ιστορία της τεχνολογίας συμπιεστών

Στη σειρά, θα μιλήσουμε για τον αναγκαστικό ανεφοδιασμό και την ανάπτυξη κινητήρων εσωτερικής καύσης.

Είναι προφήτης στις γραφές του συντονισμού αυτοκινήτων. Είναι ο σωτήρας του πετρελαιοκινητήρα. Για πολλά χρόνια, οι σχεδιαστές βενζινοκινητήρων παραμέλησαν αυτό το φαινόμενο, αλλά σήμερα γίνεται πανταχού παρόν. Είναι τούρμπο... Καλύτερο από ποτέ.

Ο αδερφός του, ένας μηχανοκίνητος συμπιεστής, δεν έχει κανένα σχέδιο να φύγει από τη σκηνή. Επιπλέον, είναι έτοιμος για μια συμμαχία που θα οδηγήσει σε τέλεια συμβίωση. Έτσι, στην αναταραχή της σύγχρονης τεχνολογικής αντιπαλότητας, οι εκπρόσωποι δύο προϊστορικών αντιτιθέμενων ρευμάτων ενώθηκαν, αποδεικνύοντας το αξίωμα ότι η αλήθεια παραμένει η ίδια ανεξάρτητα από τη διαφορά στις απόψεις.

Κατανάλωση 4500 l / 100 km και πολύ οξυγόνο

Η αριθμητική είναι σχετικά απλή και βασίζεται αποκλειστικά στους νόμους της φυσικής… Υποθέτοντας ότι ένα αυτοκίνητο βάρους περίπου 1000 kg και με απελπιστική αεροδυναμική οπισθέλκουσα διανύει 305 μέτρα από στάση σε λιγότερο από 4,0 δευτερόλεπτα, φτάνοντας στο τέλος ταχύτητα 500 km/h του τμήματος, η ισχύς του κινητήρα αυτού του αυτοκινήτου πρέπει να υπερβαίνει τους 9000 ίππους. Οι ίδιοι υπολογισμοί δείχνουν ότι μέσα σε ένα τμήμα, ο περιστρεφόμενος στροφαλοφόρος άξονας ενός κινητήρα που περιστρέφεται στις 8400 σ.α.λ. θα μπορεί να στρίψει μόνο περίπου 560 φορές, αλλά αυτό δεν θα εμποδίσει τον κινητήρα 8,2 λίτρων να απορροφήσει περίπου 15 λίτρα καυσίμου. Ως αποτέλεσμα ενός ακόμη απλού υπολογισμού, γίνεται σαφές ότι, σύμφωνα με το τυπικό μέτρο κατανάλωσης καυσίμου, η μέση κατανάλωση αυτού του αυτοκινήτου είναι μεγαλύτερη από 4500 l / 100 km. Με μια λέξη - τέσσερις χιλιάδες πεντακόσια λίτρα. Στην πραγματικότητα, αυτοί οι κινητήρες δεν έχουν συστήματα ψύξης - ψύχονται με καύσιμο ...

Δεν υπάρχει τίποτα φανταστικό σε αυτές τις φιγούρες ... Αυτές είναι μεγάλες, αλλά πολύ πραγματικές αξίες από τον κόσμο των σύγχρονων αγώνων έλξης. Δεν είναι καθόλου σωστό να αναφέρουμε αυτοκίνητα που συμμετέχουν σε αγώνες για μέγιστη επιτάχυνση ως αγωνιστικά αυτοκίνητα, καθώς οι σουρεαλιστικές δημιουργίες των τεσσάρων τροχών, τυλιγμένες στον μπλε καπνό, είναι ασύγκριτες ακόμη και με την αφρόκρεμα της σύγχρονης τεχνολογίας αυτοκινήτου που χρησιμοποιείται στη Formula 1. Επομένως, θα χρησιμοποιήστε το δημοφιλές όνομα "dragsters". – Αναμφίβολα ενδιαφέροντα με τον δικό τους τρόπο, μοναδικά αυτοκίνητα που προσφέρουν μοναδικές αισθήσεις τόσο στους οπαδούς έξω από την πίστα των 305 μέτρων όσο και σε πιλότους των οποίων ο εγκέφαλος, με γρήγορη επιτάχυνση 5 g, πιθανότατα παίρνει τη μορφή μιας έγχρωμης δισδιάστατης εικόνας στο πίσω μέρος του κρανίου

Αυτά τα dragsters είναι ίσως η πιο διάσημη και πιο εντυπωσιακή ποικιλία του δημοφιλούς μηχανοκίνητου αθλητισμού στις Ηνωμένες Πολιτείες, που ανήκει στην αμφιλεγόμενη κατηγορία Top Fuel. Το όνομα βασίζεται στην ακραία απόδοση της χημικής ουσίας νιτρομεθανίου που χρησιμοποιούν οι μηχανές για καύσιμα για τους κινητήρες τους. Υπό την επίδραση αυτού του εκρηκτικού μείγματος, οι κινητήρες λειτουργούν σε κατάσταση υπερφόρτωσης και σε λίγες μόνο αγώνες μετατρέπονται σε σωρό περιττού μετάλλου και λόγω της τάσης του καυσίμου σε συνεχή έκρηξη, ο ήχος της λειτουργίας τους μοιάζει με την υστερική βρυχηθμό ενός θηρίο μετρώντας τις τελευταίες στιγμές της ζωής σας. Οι διαδικασίες στους κινητήρες μπορούν να συγκριθούν μόνο με απόλυτο ανεξέλεγκτο χάος, που συνορεύει με την επιδίωξη φυσικής αυτοκαταστροφής. Συνήθως, στο τέλος της πρώτης ενότητας, ένας από τους κυλίνδρους αποτυγχάνει. Η ισχύς των κινητήρων που χρησιμοποιούνται σε αυτό το τρελό άθλημα φτάνει σε τιμές που κανένα δυναμόμετρο στον κόσμο δεν μπορεί να μετρήσει και η κατάχρηση μηχανών ξεπερνά πραγματικά όλα τα όρια του μηχανικού εξτρεμισμού ...

Αλλά ας επιστρέψουμε στην καρδιά της ιστορίας μας και να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στις ιδιότητες του καυσίμου νιτρομεθανίου (αναμεμιγμένο με μεθανόλη εξισορρόπησης μερικών τοις εκατό), η οποία είναι αναμφίβολα η πιο ισχυρή ουσία που χρησιμοποιείται σε οποιαδήποτε μορφή αγώνων αυτοκινήτων. δραστηριότητα. Κάθε άτομο άνθρακα στο μόριό του (CH3NO2) έχει δύο άτομα οξυγόνου, πράγμα που σημαίνει ότι το καύσιμο φέρει μαζί του το μεγαλύτερο μέρος του οξειδωτικού που απαιτείται για την καύση. Για τον ίδιο λόγο, το ενεργειακό περιεχόμενο ανά λίτρο νιτρομεθανίου είναι χαμηλότερο από το λίτρο βενζίνης, αλλά με την ίδια ποσότητα καθαρού αέρα που μπορεί να αντλήσει ο κινητήρας στους θαλάμους καύσης, το νιτρομεθάνιο θα παρέχει σημαντικά περισσότερη συνολική ενέργεια κατά την καύση. ... Αυτό είναι δυνατό επειδή περιέχει το ίδιο οξυγόνο και ως εκ τούτου μπορεί να οξειδώσει τα περισσότερα συστατικά καυσίμου υδρογονανθράκων (συνήθως μη καύσιμα απουσία οξυγόνου). Με άλλα λόγια, το νιτρομεθάνιο έχει 3,7 φορές λιγότερη ενέργεια από τη βενζίνη, αλλά με την ίδια ποσότητα αέρα, 8,6 φορές περισσότερο νιτρομεθάνιο μπορεί να οξειδωθεί από τη βενζίνη.

Όποιος είναι εξοικειωμένος με τις διαδικασίες καύσης σε έναν κινητήρα αυτοκινήτου γνωρίζει ότι το πραγματικό πρόβλημα με την "συμπίεση" περισσότερης ισχύος από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης δεν είναι να αυξηθεί η ροή του καυσίμου στους θαλάμους - οι ισχυρές υδραυλικές αντλίες είναι αρκετές για αυτό. φτάνοντας σε εξαιρετικά υψηλή πίεση. Η πραγματική πρόκληση είναι να παρέχουμε αρκετό αέρα (ή οξυγόνο) για να οξειδωθούν οι υδρογονάνθρακες και να διασφαλιστεί η πιο αποτελεσματική καύση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το καύσιμο dragster χρησιμοποιεί νιτρογετάνη, χωρίς την οποία θα ήταν εντελώς αδιανόητο να επιτευχθούν αποτελέσματα αυτής της τάξης με έναν κινητήρα κυβισμού 8,2 λίτρων. Ταυτόχρονα, τα αυτοκίνητα λειτουργούν με αρκετά πλούσια μείγματα (υπό ορισμένες συνθήκες, το νιτρομεθάνιο μπορεί να αρχίσει να οξειδώνεται), λόγω των οποίων ένα μέρος του καυσίμου οξειδώνεται στους σωλήνες εξάτμισης και σχηματίζει εντυπωσιακά μαγικά φώτα πάνω τους.

Ροπή 6750 Newton μέτρα

Η μέση ροπή αυτών των κινητήρων φτάνει τα 6750 Nm. Πιθανότατα έχετε ήδη παρατηρήσει ότι υπάρχει κάτι περίεργο σε όλη αυτή την αριθμητική... Το γεγονός είναι ότι για να φτάσετε τις υποδεικνυόμενες οριακές τιμές, κάθε δευτερόλεπτο ένας κινητήρας που λειτουργεί στις 8400 σ.α.λ. πρέπει να ρουφάει ούτε περισσότερο, ούτε λιγότερο από 1,7 κυβικά μέτρα καθαρός αέρας. Υπάρχει μόνο ένας τρόπος για να γίνει αυτό - αναγκαστική πλήρωση. Τον κύριο ρόλο σε αυτή την περίπτωση παίζει μια τεράστια κλασική μηχανική μονάδα τύπου Roots, χάρη στην οποία η πίεση στις πολλαπλές του κινητήρα dragster (εμπνευσμένη από τον προϊστορικό Chrysler Hemi Elephant) φτάνει τα εκπληκτικά 5 bar.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τι φορτία αφορούν σε αυτή την περίπτωση, ας πάρουμε ως παράδειγμα έναν από τους θρύλους της χρυσής εποχής των μηχανικών συμπιεστών - έναν αγωνιστικό V3,0 12 λίτρων. Mercedes-Benz W154. Η ισχύς αυτής της μηχανής ήταν 468 ίπποι. με., αλλά θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η μονάδα του συμπιεστή πήρε 150 ίππους. με., που δεν φτάνει τα καθορισμένα 5 bar. Αν τώρα προσθέσουμε 150 χιλιάδες s στον λογαριασμό, θα καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι το W154 είχε πραγματικά τους απίστευτους 618 ίππους για την εποχή του. Μπορείτε να κρίνετε μόνοι σας πόση πραγματική ισχύ επιτυγχάνουν οι κινητήρες της κατηγορίας Top Fuel και πόσο απορροφάται από τη μηχανική κίνηση του συμπιεστή. Φυσικά, η χρήση στροβιλοσυμπιεστή σε αυτή την περίπτωση θα ήταν πολύ πιο αποτελεσματική, αλλά ο σχεδιασμός του δεν μπορούσε να αντιμετωπίσει το ακραίο θερμικό φορτίο από τα καυσαέρια.

Έναρξη συστολής

Για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας του αυτοκινήτου, η παρουσία μιας μονάδας αναγκαστικής ανάφλεξης σε κινητήρες εσωτερικής καύσης ήταν μια αντανάκλαση της τελευταίας τεχνολογίας για το αντίστοιχο στάδιο ανάπτυξης. Αυτό συνέβη το 2005 όταν το βραβείο κύρους για την τεχνολογική καινοτομία στην αυτοκινητοβιομηχανία και τον αθλητικό κλάδο, που πήρε το όνομά του από τον ιδρυτή του περιοδικού, Paul Peach, απονεμήθηκε στον επικεφαλής της VW Engine Development Rudolf Krebs και την ομάδα ανάπτυξης του. εφαρμογή της τεχνολογίας Twincharger σε βενζινοκινητήρα 1,4 λίτρων. Χάρη στη συνδυασμένη αναγκαστική πλήρωση των κυλίνδρων χρησιμοποιώντας ένα σύγχρονο σύστημα μηχανικής και υπερσυμπιεστή, η μονάδα συνδυάζει επιδέξια την ομοιόμορφη κατανομή ροπής και την υψηλή ισχύ που χαρακτηρίζει τους κινητήρες φυσικής αναρρόφησης με μεγάλη μετατόπιση με την απόδοση και την οικονομία των μικρών κινητήρων. Έντεκα χρόνια αργότερα, ο κινητήρας TSI 11 λίτρων της VW (με ελαφρώς αυξημένη μετατόπιση για να αντισταθμίσει την αποτελεσματική συστολή λόγω του κύκλου Miller που χρησιμοποιείται) διαθέτει πλέον πολύ πιο προηγμένη τεχνολογία υπερσυμπιεστή VNT και είναι και πάλι υποψήφιος για βραβείο Paul Peach.

Στην πραγματικότητα, το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με κινητήρα βενζίνης και υπερτροφοδοτούμενη μεταβλητή γεωμετρία, η Porsche 911 Turbo κυκλοφόρησε το 2005. Και οι δύο συμπιεστές, που αναπτύχθηκαν από κοινού από τους μηχανικούς της Porsche R&D και τους συνεργάτες τους στο Borg Warner Turbo Systems, η VW χρησιμοποιεί τη γνωστή και καθιερωμένη ιδέα της μεταβλητής γεωμετρίας στις μονάδες τουρμποντίζελ, η οποία δεν έχει εφαρμοστεί σε βενζινοκινητήρες λόγω προβλήματος. με υψηλότερη (περίπου 200 μοίρες σε σύγκριση με το ντίζελ) μέση θερμοκρασία καυσαερίων. Για αυτό, ανθεκτικά στη θερμότητα σύνθετα υλικά από την αεροδιαστημική βιομηχανία χρησιμοποιήθηκαν για πτερύγια οδηγού αερίου και έναν εξαιρετικά γρήγορο αλγόριθμο ελέγχου στο σύστημα ελέγχου. Επίτευγμα μηχανικών της VW.

Η χρυσή εποχή του υπερσυμπιεστή

Από τη διακοπή του 745i το 1986, η BMW υπερασπίζεται εδώ και καιρό τη δική της σχεδιαστική φιλοσοφία για βενζινοκινητήρες, σύμφωνα με την οποία ο μόνος «ορθόδοξος» τρόπος για να επιτευχθεί περισσότερη ισχύς ήταν να λειτουργεί ο κινητήρας σε υψηλές στροφές. Όχι αιρέσεις και φλερτ με μηχανικούς συμπιεστές a la Mercedes (C 200 Kompressor) ή Toyota (συμπιεστής Corolla), καμία προκατάληψη προς τους υπερσυμπιεστές VW ή Opel. Οι κατασκευαστές κινητήρων του Μονάχου προτίμησαν πλήρωση υψηλής συχνότητας και κανονική ατμοσφαιρική πίεση, τη χρήση λύσεων υψηλής τεχνολογίας και, σε ακραίες περιπτώσεις, μεγαλύτερο κυβισμό. Τα πειράματα με συμπιεστή που βασίζονται σε βαυαρικούς κινητήρες μεταφέρθηκαν σχεδόν εντελώς στα «φακίρ» από την εταιρεία συντονισμού Alpina, η οποία βρίσκεται κοντά στην ανησυχία του Μονάχου.

Σήμερα, η BMW δεν παράγει πλέον ατμοσφαιρικούς βενζινοκινητήρες και η γκάμα κινητήρων ντίζελ περιλαμβάνει ήδη έναν τετρακύλινδρο υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα. Η Volvo χρησιμοποιεί συνδυασμό ανεφοδιασμού με μηχανικό και στροβιλοσυμπιεστή, η Audi δημιούργησε έναν κινητήρα ντίζελ με συνδυασμό ηλεκτρικού συμπιεστή και δύο στροβιλοσυμπιεστών, η Mercedes έχει έναν βενζινοκινητήρα με έναν ηλεκτρικό και έναν υπερσυμπιεστή.

Ωστόσο, πριν μιλήσουμε για αυτά, θα γυρίσουμε τον χρόνο πίσω για να βρούμε τις ρίζες αυτής της τεχνολογικής μετάβασης. Θα μάθουμε πώς οι Αμερικανοί κατασκευαστές προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία turbo για να αντισταθμίσουν τη μείωση του μεγέθους των κινητήρων που προέκυψε από τις δύο κρίσεις πετρελαίου στη δεκαετία του '20 και πώς απέτυχαν σε αυτές τις προσπάθειες. Θα μιλήσουμε για τις ανεπιτυχείς προσπάθειες του Rudolf Diesel να δημιουργήσει έναν κινητήρα συμπιεστή. Θα θυμόμαστε την ένδοξη εποχή των κινητήρων συμπιεστών στις δεκαετίες του '30 και του '70, καθώς και τα πολλά χρόνια της λήθης. Φυσικά, δεν θα παραλείψουμε την εμφάνιση των πρώτων μοντέλων παραγωγής στροβιλοσυμπιεστών μετά την πρώτη μεγάλη κρίση πετρελαίου της δεκαετίας του 'XNUMX. Ή για το σύνθετο σύστημα Scania Turbo. Εν ολίγοις - θα σας πούμε για την ιστορία και την εξέλιξη της τεχνολογίας συμπιεστών ...

(ακολουθώ)

Κείμενο: Georgy Kolev