Comprex: как устроен нагнетатель

Comprex: как устроен нагнетатель

Ударная волна делает газ твердым, как кувалда, и чем больше энергия газа, тем тяжелее эта кувалда становится. Уже больше ста лет ученые бьются над тем, чтобы могучий газовый молот заменил классический поршень в двигателе внутреннего сгорания.

Метод прямой передачи энергии между газами с различным давлением посредством ударной волны был запатентован в 1906 году британским инженером Робертом Кнауффом. Правда, дальше патента дело не пошло. У Кнауффа попросту не было математических инструментов, с помощью которых можно было корректно описать чрезвычайно кратковременные процессы, происходящие в зоне экстремального давления фронта волны.

Тем не менее идея не была забыта, и в 1928 году француз Антуан Лебрэ обнародовал концепцию «динамического обменника давления», представлявшего 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 горячих расширяющихся газов из некой камеры сгорания. По мере вращения барабана отверстия последовательно совмещались, обеспечивая необходимую цикличность процесса.

В ударно-волновом двигателе всего две детали: диск-ротор с S-образными каналами и корпус-статор с впускными и выпускными портами. 1. Топливно-воздушная смесь наполняет камеры вращающегося ротора. 2. Впускной порт закрывается, и горючая смесь в камерах разгоняется по мере вращения лопастей, образуется ударная волна, сжимающая смесь. 3. С ростом давления нарастает температура смеси. Происходит возгорание. 4. Расширяющиеся газы толкают ротор и выводятся через открывшийся выпускной порт.

Внутри каналов, по замыслу Лебрэ, должен был происходить обмен энергией между «заряженным» раскаленным газом и атмосферным воздухом, как между кием и бильярдным шаром. А что потом? А потом разогнанный до огромной скорости, но все еще холодный воздух 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.

Удачный дизайн машины Лебрэ стал эталоном для всех последующих систем такого типа. В ходе своих исследований изобретатель сумел сформулировать три важных свойства волновых роторных систем. Во‑первых, в момент контакта двух газов с различной энергией фронт ударной волны ведет себя как поршень, и чем выше разница исходных давлений и температуры, тем этот поршень тверже. В результате во время передачи «эстафетной палочки» газы просто не успевают смешиваться, а сжимаемый воздух — нагреваться.

Во-вторых, рабочие каналы ротора продуваются настолько эффективно, что ему не требуется принудительное охлаждение. Это дает возможность системе работать на максимально высоких перепадах температур и с точки зрения термодинамики иметь больший потенциал по КПД. В-третьих, скорость (до 370 м/с) ударно-волнового обмена практически исключает возникновение турболага — задержки отклика системы на подачу газа.

Изобретение Фрэнком Уиттлом в 1930 году газотурбинного двигателя и открывшиеся при этом перспективы использования волновых роторных нагнетателей как альтернативы компрессору с целью снижения расхода топлива и увеличения КПД подстегнуло исследования в этой области. Правда, результата пришлось ждать целое десятилетие.

Керосиновая крепость

Первым человеком в истории техники, сумевшим корректно рассчитать, построить и успешно испытать волновой обменник, стал инженер швейцарской компании Brown Boveri & Cie Клод Сейппел. Началось все с того, что в 1939 году Brown Boveri & Cie (BBC) получила выгодный заказ от британской Great Western Railways на разработку эффективного самоохлаждающегося нагнетателя к 2500-сильному газотурбинному двигателю (ГТД) для локомотивов проекта British Rail 18000.

Всего через год после получения техзадания группа Клода Сейппела положила на стол главы компании готовые чертежи и несколько заполненных патентных заявок, а уже в 1941 году первый экземпляр волнового обменника был установлен в заводской лаборатории. И это при том, что вычисления в те годы велись на арифмометрах и логарифмических линейках.

Вращающийся ротор нагнетателя COMPREX для дизельных двигателей приводится ременной передачей от коленчатого вала и одновременно служит и обменником давления, и механизмом газораспределения, и системой охлаждения. 1. Выхлопные газы из цилиндра направляются к впускному порту нагнетателя. 2. Ударная волна горячих газов сжимает холодный воздух, находящийся в продольных каналах ротора. 3. По мере вращения ротора сжатый воздух доставляется к окну впускного коллектора двигателя. 4. Горячие газы, «оттолкнувшись» от сжатого воздуха, под давлением выходят из выпускного порта нагнетателя. 5. Разрежение, образовавшееся в результате выхода горячих газов, всасывает в каналы ротора атмосферный воздух через впускной порт, одновременно охлаждая нагнетатель.

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

Тем не менее в производство система Сейппела не пошла, и изобретатель тут ни при чем. За четыре года двигателисты BBC так и не смогли настроить базовый агрегат на работу в паре со столь необычным нагнетателем. В итоге British Rail 18000 по прозвищу «Керосиновая крепость» построили по обычной компрессорной схеме, а огромный массив данных об обменниках давления до поры до времени был отправлен в архив.

Взрывной потенциал

В середине 1950-х на фоне бурного развития технологий ГТД идея сверхэффективного волнового наддува получила новый толчок к развитию. В 1952 году британская 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. Руководству Ruston-Hornsby удалось заполучить в свои ряды настоящего джокера — блестящего физика Рона Пирсона, ученика, коллегу и друга самого Фрэнка Уиттла. Пирсон с «закрытыми глазами» ориентировался в дебрях газодинамики и «на раз» решал сложнейшие технические задачи в области ГТД. Но самое главное — у него имелась концепция волновой роторной турбины (ВРТ) — ДВС совершенно нового типа, сочетающего достоинства газотурбинных и поршневых машин, но при этом лишенного их недостатков.

Система Hyprex устроена несколько сложнее, чем Comprex. Инженерам пришлось пойти на ряд хитростей, чтобы приспособить ударно-волновой наддув к бензиновому двигателю. 1. Каталитический нейтрализатор. 2. Дроссельная заслонка. 3. Воздушный фильтр. 4. Электродвигатель. 5. Всасывание. 6. Наддув. 7. Перепускной клапан. 8. Каталитический нейтрализатор. 9. Выпускной коллектор. 10. Камера сгорания. 11. Впрыск топлива. 12. Впускной коллектор. 13. Дроссельная заслонка. 14. Интеркулер.

Построенный «с нуля» всего за девять месяцев пятикилограммовый прототип ВРТ с дисковым барабаном диаметром 23 и длиной 7,6 см на 18000 оборотов «отгружал» на вал почти 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 использовал в роторе не прямолинейные, а спиралевидные каналы, служившие одновременно камерами сгорания для смеси воздуха и керосина. Благодаря этому во время расширения упругие волны газа, скользя по внешнему радиусу стенок, раскручивали ротор. Несмотря на примитивность механизма газораспределения прототип одинаково устойчиво работал во всем диапазоне оборотов, а на максимуме легко держал температуру до 800 °C.

И все-таки это была довольно сырая штука, требовавшая тщательной доработки. Слабенький КПД, топтавшийся между 12 и 20%, можно было поднять за счет улучшения сквозной продувки каналов, минимизации зазоров и удвоения количества рабочих циклов на оборот вала. Пирсон был готов браться за модернизацию машины, когда произошла нелепая авария. С честью выдержавший 900 часов непрерывной работы движок разрушился прямо на стенде из-за досадной поломки клапана подачи топлива. Перелив керосина мгновенно поднял обороты ротора до 25000 и подшипники, не рассчитанные на такую нагрузку, «поплыли» в считанные секунды. Лишь по счастливой случайности в момент аварии не пострадал никто из техников.


Компрекс и хайпрекс

Бензиновые двигатели оказались создателям Comprex Brown Boveri не по зубам. Проблема была решена только в конце 90-х годов. И тоже — в Швейцарии. Инженеры компании Swissauto WENKO в середине 90-х научились укрощать капризные ударные волны и создали «бензиновый» аналог Comprex. Прямоточный многосекционный ударно-волновой ротор под названием Hyprex пришлось «отвязать» от вала, оснастив собственным электроприводом. Независимое вращение и изогнутая конфигурация каналов системы обеспечивали высокое давление наддува при минимальной плотности потока отработанных газов на низких оборотах. А, как известно, эта часть диапазона всегда была слабым местом бензиновых силовых установок, в особенности малолитражных. Испытания Hyprex, проведенные в начале прошлого десятилетия на Renault Twingo, доказали высокий КПД, экономичность и экологическую чистоту волнового наддува. Тем не менее, интерес крупных автокомпаний к новинке оказался нулевым. И не потому, что турбонаддув лучше. Гораздо важнее то, что он дешевле и проще.


Самого Пирсона это нисколько не смутило. Чего не скажешь о его боссах. Сразу после случившегося, ссылаясь на недостаток средств и более актуальные задачи по ГТД, они заморозили проект. Несмотря на попытки ученого заинтересовать своим двигателем другие компании, стадия «глубокой заморозки» растянулась на четверть века. Когда же в 1980 году идеями Пирсона всерьез заинтересовался аэрокосмический гигант Pratt&Whittney, у изобретателя были уже совсем другие приоритеты. А вот научному наследию Клода Сейппела повезло гораздо больше.

Ударное турбо

Ровно через полвека после создания первого волнового роторного нагнетателя компания Brown Boveri при поддержке ученых из Федерального технологического института Цюриха (ETH) вывела на рынок легендарный Comprex — уникальную систему наддува для дизельных двигателей, «выращенную» на старой сейппеловской закваске. С турбонаддувом его роднит использование давления отработанных газов, а с механическим нагнетателем — ременной привод от двигателя. Но «давит» Comprex гораздо сильнее, чем его аналоги. А главное — делает это в режиме постоянной готовности, моментально отзываясь приростом момента на малейшее нажатие педали газа из самого «подвала» вплоть до красной зоны. 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 окна воздухозаборника и тракта высокого 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 горячих газов из камеры сгорания, и ее «твердый» фронт с огромной силой сжимает воздух.

Когда канал достигает окна тракта высокого давления, начинается самое интересное: заряд холодного сжатого воздуха устремляется в цилиндры, а вдогонку за ним расширяется облако выхлопного газа. Но так как в этот момент окно закрывается, горячая волна, как мячик, отскакивает от торцевой крышки и пулей вылетает в подоспевший с другой стороны канала выпускной порт. Возникающая при этом мощная волна разрежения засасывает внутрь ротора избыточную порцию воздуха, часть которого продувает канал насквозь, охлаждая стенки. За один оборот ротора Comprex совершает два цикла сжатия-расширения.

Чтобы работать нормально, Comprex должен быть достаточно горячим. Впрочем, прогрев устройства при открытых заслонках происходит практически мгновенно. А вот система охлаждения ему не нужна — для этого достаточно естественной продувки. Так как скорость вращения вала двигателя в реальных условиях постоянно меняется, возможные перепады давления выхлопа компенсируются особыми газовыми камерами-демпферами на внешней стороне статора. Незначительное количество «отработки», неизбежно попадающей в воздушный заряд, дизельным движкам идет только на пользу. Это плюсы волнового наддува. Но есть и минусы.

Во-первых, Comprex дорог. Во‑вторых, просто так взять и прикрутить его на любой понравившийся дизель невозможно, а процесс интеграции в силовую установку чрезвычайно сложен. В-третьих, обслуживание и ремонт такого необычного агрегата требует специальной подготовки. Именно по этим причинам эксперимент компании Mazda, в 1986 году принявшей Comprex на вооружение, зашел в тупик. Всего же японцы собрали 150 000 дизельных версий Capella 626 с двухлитровым мотором, оснащенных наддувом Comprex.

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

Герои волнового фронта

Дешевизна и простота — эти два фактора в массовой автоиндустрии бьют любые козыри. Нестандартные инновации, требующие изменения привычной последовательности технологических операций, часто принимаются в штыки. Но смельчаки, которых не пугает печальная история семейства Comprex, все-таки остались. Профессор Мичиганского университета Норберт Мюллер считает, что его волновой дисковый двигатель (ВДД) имеет реальные шансы стать лучшим и последним в обреченном на вымирание семействе ДВГ. «После него — только электричество, — вторит ему соавтор проекта Януш Пехна из варшавской Политехники. — ВДД будет фантастически экономичен, компактен и прост».

Куда уж проще — волновой дисковый двигатель состоит всего из двух деталей — прямоточного плоского ротора с узкими S-образными радиальными каналами и статора, выполняющего роль пассивного механизма газораспределения. Но по удельной мощности этот агрегат «порвет» любой навороченный наддувный поршневик. При обещанных 35 л.с. и массе до 20 кг по размерам ВДД сопоставим с кухонной сковородкой, а заливать в него можно любые жидкие и газообразные горючие углеводородные смеси.

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

Статья «В поисках компрексии» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2012).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.