Jazda próbna Magic Fires: historia technologii sprężarek
W tej serii porozmawiamy o przymusowym tankowaniu i rozwoju silników spalinowych.
Jest prorokiem w pismach świętych o tuningu samochodów. Jest zbawcą silnika wysokoprężnego. Przez wiele lat konstruktorzy silników benzynowych zaniedbywali to zjawisko, jednak dziś staje się ono wszechobecne. To turbosprężarka... Lepsza niż kiedykolwiek.
Jego brat, mechanicznie napędzany kompresor, również nie planuje zejść ze sceny. Co więcej, jest gotowy na sojusz, który doprowadzi do doskonałej symbiozy. Tym samym w zamęcie współczesnej rywalizacji technologicznej zjednoczyli się przedstawiciele dwóch prehistorycznych przeciwstawnych prądów, udowadniając maksymę, że prawda pozostaje niezmienna niezależnie od różnicy poglądów.
Zużycie 4500 l / 100 km i dużo tlenu
Arytmetyka jest stosunkowo prosta i oparta wyłącznie na prawach fizyki… Zakładając, że samochód ważący około 1000 kg i z beznadziejnym oporem aerodynamicznym pokonuje 305 metrów od zatrzymania w mniej niż 4,0 sekundy, osiągając na końcu prędkość 500 km/h sekcji moc silnika tego samochodu musi przekraczać 9000 KM. Te same obliczenia pokazują, że w obrębie sekcji obracający się wał korbowy silnika obracającego się z prędkością 8400 obr./min będzie w stanie obrócić się tylko około 560 razy, ale to nie powstrzyma 8,2-litrowego silnika przed wchłonięciem około 15 litrów paliwa. W wyniku jeszcze jednego prostego obliczenia staje się jasne, że zgodnie ze standardową miarą zużycia paliwa średnie zużycie tego samochodu wynosi ponad 4500 l / 100 km. Jednym słowem - cztery tysiące pięćset litrów. W rzeczywistości te silniki nie mają układów chłodzenia - są chłodzone paliwem ...
W tych liczbach nie ma nic z fikcji… To duże, ale całkiem realne wartości ze świata współczesnych drag racingów. Określanie samochodów biorących udział w wyścigach o maksymalne przyspieszenie jako samochodów wyścigowych jest mało poprawne, ponieważ surrealistyczne, spowite błękitnym dymem kreacje czterokołowców nie mają sobie równych nawet ze śmietanką nowoczesnej motoryzacyjnej technologii stosowanej w Formule 1. używaj popularnej nazwy „dragsters”. – Niewątpliwie ciekawe na swój sposób, wyjątkowe samochody, dostarczające niepowtarzalnych wrażeń zarówno kibicom poza 305-metrowym torem, jak i pilotom, których mózg przy dużym przyspieszeniu 5 g prawdopodobnie przybiera postać kolorowego dwuwymiarowego obrazu na tył czaszki
Te dragstery są prawdopodobnie najbardziej znaną i najbardziej imponującą odmianą popularnych sportów motorowych w Stanach Zjednoczonych, należącą do kontrowersyjnej klasy Top Fuel. Nazwa opiera się na ekstremalnych właściwościach nitrometanu, który piekielne maszyny wykorzystują jako paliwo do swoich silników. Pod wpływem tej wybuchowej mieszanki silniki pracują w trybie przeciążenia i już po kilku wyścigach zamieniają się w kupę zbędnego metalu, a ze względu na skłonność paliwa do ciągłej detonacji, dźwięk ich działania przypomina histeryczny ryk bestii odliczającej ostatnie chwile życia. Procesy w silnikach można porównać tylko z absolutnym niekontrolowanym chaosem graniczącym z dążeniem do fizycznego samozniszczenia. Zwykle jeden z cylindrów ulega awarii pod koniec pierwszej sekcji. Moc silników używanych w tym szalonym sporcie osiąga wartości, których żaden dynamometr na świecie nie jest w stanie zmierzyć, a nadużywanie maszyn naprawdę przekracza wszelkie granice ekstremizmu inżynieryjnego ...
Wróćmy jednak do sedna naszej historii i przyjrzyjmy się bliżej właściwościom paliwa nitrometanowego (zmieszanego z kilkunastoprocentowym równoważącym metanolem), który jest bez wątpienia najpotężniejszą substancją stosowaną w każdej formie wyścigów samochodowych. czynność. Każdy atom węgla w swojej cząsteczce (CH3NO2) ma dwa atomy tlenu, co oznacza, że paliwo niesie ze sobą większość utleniacza potrzebnego do spalania. Z tego samego powodu zawartość energii na litr nitrometanu jest niższa niż na litr benzyny, ale przy takiej samej ilości świeżego powietrza, jaką silnik może zassać do komór spalania, nitrometan zapewni znacznie większą całkowitą energię podczas spalania. ... Jest to możliwe, ponieważ sam zawiera tlen i dlatego może utleniać większość składników paliwa węglowodorowego (zwykle jest niepalny w przypadku braku tlenu). Innymi słowy, nitrometan ma 3,7 razy mniej energii niż benzyna, ale przy tej samej ilości powietrza można utlenić 8,6 razy więcej nitrometanu niż benzyna.
Każdy, kto zna procesy spalania w silniku samochodowym, wie, że prawdziwym problemem „wyciśnięcia” większej mocy z silnika spalinowego nie jest zwiększenie dopływu paliwa do komór – wystarczą do tego mocne pompy hydrauliczne. osiągając bardzo wysokie ciśnienie. Prawdziwym wyzwaniem jest zapewnienie wystarczającej ilości powietrza (lub tlenu) do utlenienia węglowodorów i zapewnienia możliwie najbardziej wydajnego spalania. Dlatego w paliwie dragster zastosowano nitrogetan, bez którego osiągnięcie wyników tego rzędu przy silniku o pojemności 8,2 litra byłoby zupełnie nie do pomyślenia. Jednocześnie samochody pracują na dość bogatych mieszankach (w pewnych warunkach nitrometan może zacząć się utleniać), dzięki czemu część paliwa utlenia się w rurach wydechowych i tworzy nad nimi imponujące magiczne światła.
Moment obrotowy 6750 niutonometrów
Średni moment obrotowy tych silników sięga 6750 Nm. Pewnie już zauważyliście, że w tej całej arytmetyce jest coś dziwnego… Faktem jest, że aby osiągnąć wskazane wartości graniczne, w każdej sekundzie silnik pracujący na 8400 obr./min musi zasysać nie więcej, nie mniej niż 1,7 metra sześciennego świeże powietrze. Jest na to tylko jeden sposób - wymuszone napełnianie. Główną rolę w tym przypadku odgrywa potężna, klasyczna jednostka mechaniczna typu Roots, dzięki której ciśnienie w kolektorach silnika dragstera (inspirowanego prehistorycznym Chryslerem Hemi Elephant) osiąga zawrotne 5 barów.
Aby lepiej zrozumieć, jakie obciążenia występują w tym przypadku, weźmy jako przykład jedną z legend złotego wieku sprężarek mechanicznych - 3,0-litrowy wyścigowy silnik V12. Mercedes-Benz W154. Moc tej maszyny wynosiła 468 KM. z., ale należy pamiętać, że napęd sprężarki zajął aż 150 KM. z., nie osiągając określonego 5 barów. Jeśli teraz dodamy do tego 150 tys. s, dojdziemy do wniosku, że W154 naprawdę miał niesamowite jak na swoje czasy 618 KM. Sami możecie ocenić, ile realnej mocy osiągają silniki klasy Top Fuel i ile z niej pochłania mechaniczny napęd sprężarki. Oczywiście zastosowanie turbosprężarki w tym przypadku byłoby znacznie wydajniejsze, ale jej konstrukcja nie była w stanie poradzić sobie z ekstremalnym obciążeniem cieplnym ze spalin.
Początek skurczu
Przez większą część historii samochodu obecność układu wymuszonego zapłonu w silnikach spalinowych była odzwierciedleniem najnowszej technologii na odpowiednim etapie rozwoju. Tak było w 2005 roku, kiedy to prestiżowa nagroda za innowacje technologiczne w przemyśle motoryzacyjnym i sporcie, nazwana na cześć założyciela magazynu Paul Peach, została wręczona szefowi działu rozwoju silników VW Rudolfowi Krebsowi i jego zespołowi rozwojowemu. zastosowanie technologii Twincharger w 1,4-litrowym silniku benzynowym. Dzięki połączonemu wymuszonemu napełnianiu cylindrów za pomocą synchronicznego układu mechaniki i turbosprężarki, jednostka umiejętnie łączy równomierny rozkład momentu obrotowego i dużą moc typową dla silników wolnossących o dużej pojemności skokowej z ekonomią i oszczędnością małych silników. Jedenaście lat później 11-litrowy silnik TSI VW (o nieco zwiększonej pojemności skokowej w celu skompensowania jego efektywnego skurczu spowodowanego zastosowanym cyklem Millera) jest teraz wyposażony w znacznie bardziej zaawansowaną technologię turbosprężarki VNT i jest ponownie nominowany do nagrody Paul Peach Award.
W rzeczywistości, pierwszy seryjny samochód z silnikiem benzynowym i turbodoładowaną zmienną geometrią, Porsche 911 Turbo został wydany w 2005 roku. Obie sprężarki, opracowane wspólnie przez inżynierów Porsche R&D i ich kolegów z Borg Warner Turbo Systems, VW wykorzystują znaną i ugruntowaną ideę zmiennej geometrii w jednostkach turbodiesla, która z powodu problemu nie została zaimplementowana w silnikach benzynowych z wyższą (około 200 stopni w porównaniu do oleju napędowego) średnią temperaturą spalin. W tym celu w kierownicach gazu zastosowano żaroodporne materiały kompozytowe z przemysłu lotniczego oraz ultraszybki algorytm sterowania w systemie sterowania. Osiągnięcie inżynierów VW.
Złoty wiek turbosprężarki
Od czasu wycofania modelu 745i w 1986 r. BMW od dawna broniło własnej filozofii projektowania silników benzynowych, zgodnie z którą jedynym „ortodoksyjnym” sposobem uzyskania większej mocy była praca silnika przy wysokich obrotach. Żadnych herezji i flirtów z mechanicznymi sprężarkami a la Mercedes (C 200 Kompressor) lub Toyota (Corolla Compressor), żadnych uprzedzeń w stronę turbosprężarek VW czy Opla. Konstruktorzy silników w Monachium preferowali napełnianie o wysokiej częstotliwości i normalne ciśnienie atmosferyczne, stosowanie zaawansowanych technologicznie rozwiązań, aw skrajnych przypadkach większą pojemność skokową. Eksperymenty z kompresorami oparte na silnikach bawarskich zostały prawie całkowicie przekazane „fakirom” przez firmę tuningową Alpina, która jest bliska koncernowi monachijskiemu.
Dziś BMW nie produkuje już wolnossących silników benzynowych, a gama silników wysokoprężnych obejmuje już czterocylindrowy silnik z turbodoładowaniem. Volvo stosuje połączenie tankowania z mechaniczną i turbosprężarką, Audi stworzyło silnik wysokoprężny z połączeniem elektrycznej sprężarki i dwóch kaskadowych turbosprężarek, Mercedes ma silnik benzynowy z elektrycznym i turbosprężarką.
Zanim jednak o nich opowiemy, cofniemy się w czasie, aby znaleźć korzenie tej technologicznej transformacji. Dowiemy się, jak amerykańscy producenci próbowali wykorzystać technologię turbodoładowania, aby zrekompensować zmniejszenie rozmiarów silników w wyniku dwóch kryzysów naftowych w latach osiemdziesiątych i jak im się to nie udało. Porozmawiamy o nieudanych próbach Rudolfa Diesela stworzenia silnika sprężarkowego. Wspominać będziemy chwalebną erę silników kompresorowych lat 20-tych i 30-tych oraz długie lata zapomnienia. Oczywiście nie ominie nas pojawienie się pierwszych modeli produkcyjnych turbosprężarek po pierwszym dużym kryzysie naftowym lat 70-tych. Lub do układu złożonego Scania Turbo. W skrócie - opowiemy Ci o historii i ewolucji technologii sprężarek...
(podążać)
Tekst: Georgy Kolev
