Comprex: как устроен нагнетатель

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.