Ударна хвиля робить газ твердим, як кувалда, і чим більше енергія газу, тим важче ця кувалда стає. Вже більше ста років вчені б'ються над тим, щоб могутній газовий молот замінив класичний поршень в двигуні внутрішнього згоряння.
Метод прямої передачі енергії між газами з різним тиском за допомогою ударної хвилі був запатентований в 1906 році британський інженер Робертом Кнауффом. Правда, далі патенту справа не пішла. У Кнауффа просто не було математичних інструментів, за допомогою яких можна було коректно описати надзвичайно короткочасні процеси, що відбуваються в зоні екстремального тиску фронту хвилі.
Проте ідея не була забута, і в 1928 році француз Антуан Лебре оприлюднив концепцію «динамічного обмінника тиску», який представляв собою барабан з поздовжніми каналами, закритий нерухомими торцевими пластинами-статорами. У пластинах були розташовані впускні і випускні порти: з одного боку для холодного атмосферного повітря, з іншого - для гарячих розширюються газів з якоїсь камери згоряння. У міру обертання барабана отвори послідовно поєднувалися, забезпечуючи необхідну циклічність процесу.
У ударно-хвильовому двигуні всього дві деталі: диск-ротор з S-образними каналами і корпус-статор з впускними і випускними портами. 1. Паливно-повітряна суміш наповнює камери обертового ротора. 2. Впускний порт закривається, і горюча суміш в камерах розганяється в міру обертання лопатей, утворюється ударна хвиля, що стискає суміш. 3. З ростом тиску наростає температура суміші. Відбувається загоряння. 4. Розширюються гази штовхають ротор і виводяться через що відкрився випускний порт.
Усередині каналів, за задумом Лебре, повинен був відбуватися обмін енергією між «зарядженим» розпеченим газом і атмосферним повітрям, як між києм і більярдною кулею. А що потім? А потім розігнаний до величезній швидкості, але все ще холодне повітря через випускний порт повинен був спрямовуватися на гіпотетичні турбінні лопатки, а відпрацьований (і став «повільним») газ - віддалятися в випускний тракт. Природне продовження процесу - наскрізна продування розрідженого каналу і наповнення його свіжою порцією повітря в момент закриття випускного порту. І все це в тисячні частки секунди.
Вдалий дизайн машини Лебре став еталоном для всіх наступних систем такого типу. В ході своїх досліджень винахідник зумів сформулювати три важливих властивості хвильових роторних систем. По-перше, в момент контакту двох газів з різною енергією фронт ударної хвилі поводиться як поршень, і чим вище різниця вихідних тисків і температури, тим цей поршень твердіше. В результаті під час передачі «естафетної палички» гази просто не встигають змішуватися, а стискається повітря - нагріватися.
По-друге, робочі канали ротора продуваються настільки ефективно, що йому не потрібно примусове охолодження. Це дає можливість системі працювати на максимально високих перепадах температур і з точки зору термодинаміки мати більший потенціал по ККД. По-третє, швидкість (до 370 м / с) ударно-хвильового обміну практично виключає виникнення турболага - затримки відгуку системи на подачу газу.
Винахід Френком Уиттл в 1930 році газотурбінного двигуна і що відкрилися при цьому перспективи використання хвильових роторних нагнітачів як альтернативи компресора з метою зниження витрати палива і збільшення ККД підстьобнуло дослідження в цій області. Правда, результату довелося чекати аж десять років.
гасова фортеця
Першою людиною в історії техніки, який зумів коректно розрахувати, побудувати і успішно випробувати хвильової обмінник, став інженер швейцарської компанії Brown Boveri & Cie Клод Сейппел. Почалося все з того, що в 1939 році Brown Boveri & Cie (BBC) отримала вигідне замовлення від британської Great Western Railways на розробку ефективного самоохлаждающегося нагнітача до 2500-сильному газотурбінного двигуна (ГТД) для локомотивів проекту British Rail 18000.
Всього через рік після отримання техзавдання група Клода Сейппела поклала на стіл глави компанії готові креслення і кілька заповнених патентних заявок, а вже в 1941 році перший екземпляр хвильового обмінника був встановлений в заводській лабораторії. І це при тому, що обчислення в ті роки велися на арифмометрах і логарифмічних лінійках.
Обертовий ротор нагнітача COMPREX для дизельних двигунів наводиться ремінною передачею від колінчастого вала і одночасно служить і обмінником тиску, і механізмом газорозподілу, і системою охолодження. 1. Вихлопні гази з циліндра направляються до впускного порту нагнітача. 2. Ударна хвиля гарячих газів стискає холодне повітря, що знаходиться в поздовжніх каналах ротора. 3. У міру обертання ротора стиснене повітря доставляється до вікна впускного колектора двигуна. 4. Гарячі гази, «відштовхнувшись» від стисненого повітря, під тиском виходять з випускного порту нагнітача. 5. Розрідження, що утворилося в результаті виходу гарячих газів, всмоктує в канали ротора атмосферне повітря через впускний порт, одночасно охолоджуючи нагнітач.
Згідно з розрахунками Сейппела, хвильової наддув з приводом від вала повинен був підняти потужність силової установки на 80% при одночасному зниженні витрат гасу на чверть. У тестах 1941-1943 років нагнітач барабанного типу з 30 каналами і двома портами на кожній з торцевих кришок продемонстрував феноменальну надійність. Його ККД в діапазоні оборотів близько 6000 досягав 69%, а безпосередньо процес стиснення-розширення протікав з ККД 83% при передавальному співвідношенні тиску 3: 1.
Проте в виробництво система Сейппела не пішла, і винахідник тут ні при чому. За чотири роки двигуністи BBC так і не змогли налаштувати базовий агрегат на роботу в парі з такою незвичайною нагнітачем. В результаті British Rail 18000 на прізвисько «Гасова фортеця» побудували за звичайною компресорної схемою, а величезний масив даних про обмінниках тиску до пори до часу був відправлений в архів.
вибуховий потенціал
В середині 1950-х на тлі бурхливого розвитку технологій ВМД ідея надефективного хвильового наддуву отримала новий поштовх до розвитку. У 1952 році британська компанія Ruston-Hornsby приступила до розробки серії компактних ВМД для важкого промислового обладнання потужністю від 1 до 10 МВт, якими планувалося замінити громіздкі дизельні агрегати. Керівництву Ruston-Hornsby вдалося роздобути у свої ряди справжнього джокера - блискучого фізика Рона Пірсона, учня, колегу і друга самого Френка Уиттла. Пірсон з «закритими очима» орієнтувався в нетрях газодинаміки і «на раз» вирішував найскладніші технічні завдання в області ВМД. Але найголовніше - у нього була концепція хвильової роторної турбіни (ДРТ) - ДВС абсолютно нового типу, що поєднує переваги газотурбінних і поршневих машин, але при цьому позбавленого їх недоліків.
Система Hyprex влаштована трохи складніше, ніж Comprex. Інженерам довелося піти на ряд хитрощів, щоб пристосувати ударно-хвильової наддув до бензиновому двигуну. 1. Каталізатор. 2. Дроссельная заслінка. 3. Повітряний фільтр. 4. Електродвигун. 5. Всмоктування. 6. Наддув. 7. Пропускний клапан. 8. Каталізатор. 9. Випускний колектор. 10. Камера згоряння. 11. Уприскування палива. 12. Впускний колектор. 13. Дроссельная заслінка. 14. Интеркулер.
Побудований «з нуля» всього за дев'ять місяців п'ятикілограмовий прототип ДРТ з дисковим барабаном діаметром 23 і довжиною 7,6 см на 18000 обертів «відвантажував» на вал майже 35 к.с. І це при тому, що на один оборот ротора припадав лише один робочий цикл стиснення-розширення.
На відміну від Лебре і Сейппела, Пірсон використовував в роторі не прямолінійно, а спіралеподібні канали, що служили одночасно камерами згоряння для суміші повітря і гасу. Завдяки цьому під час розширення пружні хвилі газу, ковзаючи по зовнішньому радіусу стінок, розкручували ротор. Незважаючи на примітивність механізму газорозподілу прототип однаково стійко працював у всьому діапазоні оборотів, а на максимумі легко тримав температуру до 800 ° C.
І все-таки це була досить сира штука, що вимагала ретельного доопрацювання. Слабенький ККД, топтали між 12 і 20%, можна було підняти за рахунок поліпшення наскрізний продувки каналів, мінімізації зазорів і подвоєння кількості робочих циклів на оборот валу. Пірсон був готовий братися за модернізацію машини, коли сталася безглузда аварія. З честю витримав 900 годин безперервної роботи движок зруйнувався прямо на стенді через прикру поломки клапана подачі палива. Перелив гасу миттєво підняв обороти ротора до 25000 і підшипники, які не розраховані на таке навантаження, «попливли» в лічені секунди. Лише завдяки щасливому випадку в момент аварії не постраждав ніхто з техніків.
Компрекс і хайпрекс
Бензинові двигуни виявилися творцям Comprex Brown Boveri не по зубах. Проблема була вирішена тільки в кінці 90-х років. І теж - в Швейцарії. Інженери компанії Swissauto WENKO в середині 90-х навчилися приборкувати примхливі ударні хвилі і створили «бензиновий» аналог Comprex. Прямоточний багатосекційний ударно-хвильової ротор під назвою Hyprex довелося «відв'язати» від валу, оснастивши власним електроприводом. Незалежне обертання і вигнута конфігурація каналів системи забезпечували високий тиск наддуву при мінімальній щільності потоку відпрацьованих газів на низьких оборотах. А, як відомо, ця частина діапазону завжди була слабким місцем бензинових силових установок, особливо малолітражних. Випробування Hyprex, проведені на початку минулого десятиліття на Renault Twingo, довели високий ККД, економічність і екологічну чистоту хвильового наддуву. Проте, інтерес великих автокомпаній до новинки виявився нульовим. І не тому, що турбонаддув краще. Набагато важливіше те, що він дешевше і простіше.
Самого Пірсона це анітрохи не збентежило. Чого не скажеш про його босів. Відразу після того, що сталося, посилаючись на брак коштів і більш актуальні завдання по ВМД, вони заморозили проект. Незважаючи на спроби вченого зацікавити своїм двигуном інші компанії, стадія «глибокої заморозки» розтягнулася на чверть століття. Коли ж в 1980 році ідеями Пірсона всерйоз зацікавився аерокосмічний гігант Pratt & Whittney, у винахідника були вже зовсім інші пріоритети. А ось наукової спадщини Клода Сейппела пощастило набагато більше.
ударне турбо
Рівно через півстоліття після створення першого хвильового роторного нагнітача компанія Brown Boveri за підтримки вчених з Федерального технологічного інституту Цюріха (ETH) вивела на ринок легендарний Comprex - унікальну систему наддуву для дизельних двигунів, «вирощену» на старій сейппеловской заквасці. З турбонаддувом його ріднить використання тиску відпрацьованих газів, а з механічним нагнітачем - ремінний привід від двигуна. Але «тисне» Comprex набагато сильніше, ніж його аналоги. А головне - робить це в режимі постійної готовності, моментально відгукуючись приростом моменту на щонайменше натиснення педалі газу з самого «підвалу» аж до червоної зони. Відбираючи з вала не більше 2% потужності, Comprex повертає в справу 75% низькою теплової енергії.
До двигуна він приєднується паралельно. В одному з торців корпусу розташовані вікна повітрозабірника і тракту високого тиску, а в протилежному - впускний і випускний порти. Між ними - ротор барабанного типу з вузькими і глибокими прямолінійними каналами. Канали по черзі проходять повз вікна повітрозабірника і поповнюються свіжою порцією повітря. Відразу після цього через протилежну торцеву пластину статора в канали вривається ударна хвиля гарячих газів з камери згоряння, і її «твердий» фронт з величезною силою стискає повітря.
Коли канал досягає вікна тракту високого тиску, починається найцікавіше: заряд холодного стисненого повітря спрямовується в циліндри, а навздогін за ним розширюється хмара вихлопного газу. Але так як в цей момент вікно закривається, гаряча хвиля, як м'ячик, відскакує від торцевої кришки і кулею вилітає в зреагувала з іншого боку каналу випускний порт. Виникає при цьому потужна хвиля розрідження засмоктує всередину ротора надлишкову порцію повітря, частина якого продуває канал наскрізь, охолоджуючи стінки. За один оборот ротора Comprex робить два циклу стиснення-розширення.
Щоб працювати нормально, Comprex повинен бути досить гарячим. Втім, прогрів пристрою при відкритих засувках відбувається практично миттєво. А ось система охолодження йому не потрібна - для цього достатньо природної продувки. Так як швидкість обертання валу двигуна в реальних умовах постійно змінюється, можливі перепади тиску вихлопу компенсуються особливими газовими камерами-демпферами на зовнішній стороні статора. Незначна кількість «відпрацювання», неминуче потрапляє в повітряний заряд, дизельним двигунам йде тільки на користь. Це плюси хвильового наддуву. Але є і мінуси.
По-перше, Comprex доріг. По-друге, просто так взяти і прикрутити його на будь-який вподобаний дизель неможливо, а процес інтеграції в силову установку надзвичайно складний. По-третє, обслуговування та ремонт такого незвичайного агрегату вимагає спеціальної підготовки. Саме з цих причин експеримент компанії Mazda, в 1986 році прийняла Comprex на озброєння, зайшов в глухий кут. Всього ж японці зібрали 150 000 дизельних версій Capella 626 з дволітровим мотором, оснащених наддувом Comprex.
Швейцарську чудо-машинку тестували багато, але, проаналізувавши досвід Mazda, відмовлялися ризикувати. А ось в промислових дизелях подібні системи використовуються активно, включаючи Comprex вільного обертання зі спіралевіднимі каналами, не пов'язаний з валом двигуна ременем.
Герої хвильового фронту
Дешевизна і простота - ці два фактори в масової автоіндустрії б'ють будь-які козирі. Нестандартні інновації, що вимагають зміни звичної послідовності технологічних операцій, часто приймаються в багнети. Але сміливці, яких не лякає сумна історія сімейства Comprex, все-таки залишилися. Професор Мічиганського університету Норберт Мюллер вважає, що його хвильової дисковий двигун (вдд) має реальні шанси стати кращим і останнім в приреченому на вимирання сімействі ДВГ. «Після нього - тільки електрика, - вторить йому співавтор проекту Януш Пехньо з варшавської Політехніки. - вдд буде фантастично економічний, компактний і простий ».
Куди вже простіше - хвильової дисковий двигун складається всього з двох деталей - прямоточного плоского ротора з вузькими S-образними радіальними каналами і статора, що виконує роль пасивного механізму газорозподілу. Але за питомою потужністю цей агрегат «порве» будь-який наворочений наддувний поршневік. При обіцяних 35 к.с. і масі до 20 кг за розмірами вдд можна порівняти з кухонними сковорідкою, а заливати в нього можна будь-які рідкі і газоподібні горючі вуглеводневі суміші.
Автори проекту стверджують, що демоверсія мотора, яка буде побудована відповідно до умов наданого агентством APRA-E гранту в $ 2,5 млн, буде мати ККД 30%. На наступному етапі Мюллер і Пехньо обіцяють вичавити з вдд не менше 65% при 4 - 5-кратному перевазі по витраті палива над передовими поршневими двигунами. Погодьтеся, це непогане резюме для здобувача вакансії бортового генератора до гібридних легковикам.
Стаття «В пошуках компрексіі» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2012 ).
А що потім?