Provkör Magic Fires: historien om kompressorteknik

I den här serien kommer vi att prata om tvungen tankning och utveckling av förbränningsmotorer.

Han är en profet i skrifterna om bilinställning. Han är dieselmotorns räddare. I många år försummade bensinmotordesigners detta fenomen, men idag blir det allestädes närvarande. Det är en turboladdare... Bättre än någonsin.

Hans bror, en kraftdriven kompressor, har inte heller planer på att lämna scenen. Dessutom är han redo för en allians som leder till perfekt symbios. Under turbulensen av modern teknisk rivalitet har representanter för två förhistoriska motströmmar alltså förenats och bevisat maximalt att sanningen förblir densamma oavsett skillnader i åsikter.

Förbrukning 4500 l / 100 km och mycket syre

Aritmetiken är relativt enkel och enbart baserad på fysikens lagar... Förutsatt att en bil som väger runt 1000 kg och med hopplöst aerodynamiskt motstånd färdas 305 meter från stillastående på mindre än 4,0 sekunder och når en hastighet på 500 km/h i slutet av avsnittet måste motoreffekten för denna bil överstiga 9000 hk. Samma beräkningar visar att inom en sektion kommer den snurrande vevaxeln på en motor som snurrar vid 8400 rpm bara att kunna svänga cirka 560 gånger, men det kommer inte att hindra 8,2-litersmotorn från att absorbera cirka 15 liter bränsle. Som ett resultat av ytterligare en enkel beräkning blir det klart att, enligt standardmåttet för bränsleförbrukning, är den genomsnittliga förbrukningen för denna bil mer än 4500 l / 100 km. I ett ord - fyra tusen femhundra liter. Faktum är att dessa motorer inte har kylsystem - de kyls av bränsle ...

Det finns inget fiktion i dessa figurer ... Det här är stora, men ganska verkliga värden från den moderna dragracingens värld. Det är knappast korrekt att hänvisa till bilar som deltar i tävlingar för maximal acceleration som racerbilar, eftersom de surrealistiska fyrhjuliga skapelserna, höljda i blå rök, är ojämförliga även med gräddan av modern bilteknik som används i Formel 1. Därför kommer vi att använd det populära namnet "dragsters". – Utan tvekan intressanta på sitt sätt, unika bilar som ger unika sensationer både till fans utanför 305-metersbanan och till piloter vars hjärna, med en snabb acceleration på 5 g, troligen tar formen av en färgad tvådimensionell bild på baksidan av skallen

Dessa dragsters är förmodligen den mest kända och mest imponerande formen av populär motorsport i USA, som tillhör den kontroversiella Top Fuel-klassen. Namnet är baserat på den extrema prestandan hos den nitrometankemikalie som heliga maskiner använder som bränsle för sina motorer. Under påverkan av denna explosiva blandning fungerar motorerna i överbelastningsläge och på bara några få tävlingar förvandlas till en hög av onödig metall, och på grund av bränslens benägenhet att kontinuerligt detonera, liknar ljudet av deras drift det hysteriska bruset av ett odjur som räknar de sista ögonblicken i ditt liv. Processer i motorer kan endast jämföras med absolut okontrollerbart kaos som gränsar till strävan efter fysisk självförstörelse. Vanligtvis misslyckas en av cylindrarna vid slutet av det första avsnittet. Kraften hos motorerna som används i den här galna sporten når värden som ingen dynamometer i världen kan mäta, och missbruk av maskiner överskrider verkligen alla gränser för teknisk extremism ...

Men låt oss komma tillbaka till kärnan i vår berättelse och titta närmare på egenskaperna hos nitrometanbränsle (blandat med några procent balanserande metanol), vilket utan tvekan är det mest kraftfulla ämnet som används i någon form av bilracing. aktivitet. Varje kolatom i sin molekyl (CH3NO2) har två syreatomer, vilket innebär att bränslet bär med sig det mesta av oxidationsmedlet som krävs för förbränning. Av samma anledning är energiinnehållet per liter nitrometan lägre än per liter bensin, men med samma mängd frisk luft som motorn kan suga in i förbränningskamrarna kommer nitrometan att ge betydligt mer total energi under förbränningen. ... Detta är möjligt eftersom det i sig innehåller syre och därför kan oxidera de flesta kolvätebränslekomponenterna (vanligtvis icke brännbara i frånvaro av syre). Med andra ord har nitrometan 3,7 gånger mindre energi än bensin, men med samma mängd luft kan 8,6 gånger mer nitrometan oxideras än bensin.

Alla som är bekanta med förbränningsprocesser i en bilmotor vet att det verkliga problemet med att "pressa" mer kraft ur en förbränningsmotor inte är att öka flödet av bränsle in i kamrarna - det räcker med kraftfulla hydraulpumpar för detta. nå extremt högt tryck. Den verkliga utmaningen är att tillhandahålla tillräckligt med luft (eller syre) för att oxidera kolvätena och säkerställa en så effektiv förbränning som möjligt. Det är därför dragsterbränsle använder nitrogetan, utan vilket det skulle vara helt otänkbart att uppnå resultat av denna ordning med en motor med en cylindervolym på 8,2 liter. Samtidigt arbetar bilarna med ganska rika blandningar (under vissa förhållanden kan nitrometan börja oxidera), på grund av vilket en del av bränslet oxideras i avgasrören och bildar imponerande magiska ljus ovanför dem.

Vridmoment 6750 Newton meter

Det genomsnittliga vridmomentet för dessa motorer når 6750 Nm. Du har säkert redan märkt att det finns något konstigt i all denna aritmetik ... Faktum är att för att nå de angivna gränsvärdena måste en motor som går med 8400 rpm varje sekund suga in inte mer, inte mindre än 1,7 kubikmeter av frisk luft. Det finns bara ett sätt att göra detta - påtvingad fyllning. Huvudrollen i det här fallet spelas av en enorm klassisk mekanisk enhet av Roots-typ, tack vare vilken trycket i dragstermotorns grenrör (inspirerad av den förhistoriska Chrysler Hemi Elephant) når svindlande 5 bar.

För att bättre förstå vilka belastningar som är inblandade i det här fallet, låt oss som exempel ta en av legenderna om guldåldern för mekaniska kompressorer - en 3,0-liters racing V12. Mercedes-Benz W154. Effekten av denna maskin var 468 hk. med., men man ska ha i åtanke att kompressordriften tog hela 150 hk. med., som inte når de angivna 5 bar. Om vi ​​nu lägger till 150 tusen s på kontot kommer vi fram till att W154 verkligen hade otroliga 618 hk för sin tid. Du kan själv bedöma hur mycket kraft motorerna i Top Fuel-klassen uppnår och hur mycket av den som absorberas av den mekaniska kompressorns drivning. Naturligtvis skulle användningen av en turboladdare i detta fall vara mycket effektivare, men dess design kunde inte klara av den extrema värmebelastningen från avgaserna.

Start av sammandragning

Under större delen av bilens historia har närvaron av en tändenhet i förbränningsmotorer varit en återspegling av den senaste tekniken för motsvarande utvecklingsstadium. Detta var fallet 2005 då det prestigefyllda priset för teknisk innovation inom bil- och sportindustrin, uppkallat efter tidningens grundare, Paul Peach, delades ut till VW Engine Development Head Rudolf Krebs och hans utvecklingsteam. tillämpning av Twincharger-teknik i en 1,4-liters bensinmotor. Tack vare den kombinerade tvingade påfyllningen av cylindrarna med hjälp av ett synkront mekaniksystem och en turboladdare kombinerar enheten skickligt den enhetliga vridmomentfördelningen och den höga effekten som är typisk för naturliga aspirerade motorer med en stor förskjutning med ekonomin och ekonomin hos små motorer. Elva år senare har VW: s 11-liters TSI-motor (med en något ökad slagvolym för att kompensera för dess effektiva sammandragning på grund av den använda Miller-cykeln) nu mycket mer avancerad VNT-turboladdare och nomineras återigen till ett Paul Peach Award.

Faktum är att den första produktionsbilen med bensinmotor och turboladdad variabel geometri, Porsche 911 Turbo släpptes 2005. Båda kompressorerna, gemensamt utvecklade av Porsche FoU-ingenjörer och deras kollegor på Borg Warner Turbo Systems, använder VW den välkända och sedan länge etablerade idén om variabel geometri i turbodieselaggregat, som inte har implementerats i bensinmotorer på grund av ett problem med högre (cirka 200 grader jämfört med diesel) genomsnittlig avgastemperatur. För detta användes värmebeständiga kompositmaterial från flygindustrin för gasstyrskovlar och en ultrasnabb styralgoritm i styrsystemet. Prestation av VW -ingenjörer.

Turboladdarens guldålder

Sedan avbrottet av 745i 1986 har BMW länge försvarat sin egen designfilosofi för bensinmotorer, enligt vilket det enda "ortodoxa" sättet att uppnå mer kraft var att köra motorn vid höga varvtal. Inga kätterier och flört med mekaniska kompressorer a la Mercedes (C 200 Kompressor) eller Toyota (Corolla Compressor), ingen snedvridning mot VW eller Opel turboladdare. Münchens motorbyggare föredrog högfrekvent fyllning och normalt atmosfärstryck, användning av högteknologiska lösningar och i extrema fall en större förskjutning. Kompressorförsök baserade på bayerska motorer överfördes nästan helt till "fakirerna" av tuningföretaget Alpina, som ligger nära München -koncernen.

Idag tillverkar BMW inte längre naturliga bensinmotorer, och dieselmotorsortimentet innehåller redan en fyrcylindrig turboladdad motor. Volvo använder en kombination av tankning med en mekanisk och turboladdare, Audi har skapat en dieselmotor med en kombination av en elektrisk kompressor och två kaskadturboladdare, Mercedes har en bensinmotor med en elektrisk och en turbo.

Men innan vi pratar om dem kommer vi att gå tillbaka i tiden för att hitta rötterna till denna tekniska övergång. Vi kommer att lära oss hur amerikanska tillverkare försökte använda turboteknik för att kompensera för minskningen av motorstorlekar till följd av de två oljekriserna på åttiotalet och hur de misslyckades i dessa försök. Vi kommer att prata om Rudolf Diesels misslyckade försök att skapa en kompressormotor. Vi kommer att minnas den härliga eran av kompressormotorer på 20- och 30-talen, såväl som de långa åren av glömska. Naturligtvis kommer vi inte att missa utseendet på de första produktionsmodellerna av turboladdare efter den första stora oljekrisen på 70-talet. Eller för Scania Turbo compoundsystem. Kort sagt - vi kommer att berätta om historien och utvecklingen av kompressorteknik ...

(att följa)

Text: Georgy Kolev