Test drive Magic Fires: la storia della tecnologia dei compressori

In questa serie parleremo del rifornimento forzato e dello sviluppo di motori a combustione interna.

È un profeta nelle scritture del tuning automobilistico. È il salvatore del motore diesel. Per molti anni i progettisti di motori a benzina hanno trascurato questo fenomeno, ma oggi sta diventando onnipresente. È un turbocompressore... Meglio che mai.

Anche suo fratello, un compressore azionato meccanicamente, non ha intenzione di lasciare il palco. Inoltre, è pronto per un'alleanza che porterà a una perfetta simbiosi. Così, nel tumulto della rivalità tecnologica moderna, i rappresentanti di due correnti opposte preistoriche si sono uniti, dimostrando la massima che la verità rimane la stessa indipendentemente dalla differenza di opinioni.

Consumo 4500 l / 100 km e molto ossigeno

L'aritmetica è relativamente semplice e si basa esclusivamente sulle leggi della fisica... Supponendo che un'auto del peso di circa 1000 kg e con una resistenza aerodinamica senza speranza percorra 305 metri da fermo in meno di 4,0 secondi, raggiungendo una velocità di 500 km/h alla fine della sezione, la potenza del motore di questa vettura deve superare i 9000 cv. Gli stessi calcoli mostrano che all'interno di una sezione, l'albero motore rotante di un motore che gira a 8400 giri/min sarà in grado di girare solo circa 560 volte, ma ciò non impedirà al motore da 8,2 litri di assorbire circa 15 litri di carburante. Come risultato di un calcolo più semplice, diventa chiaro che, secondo la misura standard del consumo di carburante, il consumo medio di questa vettura è superiore a 4500 l / 100 km. In una parola: quattromilacinquecento litri. In effetti, questi motori non hanno sistemi di raffreddamento: sono raffreddati dal carburante ...

Non c'è niente di finzione in queste cifre ... Questi sono valori grandi, ma abbastanza reali dal mondo delle moderne gare di resistenza. Non è corretto riferirsi alle auto che partecipano a gare per la massima accelerazione come auto da corsa, poiché le surreali creazioni a quattro ruote, avvolte nel fumo blu, sono incomparabili anche con la crema della moderna tecnologia automobilistica utilizzata in Formula 1. Pertanto, lo faremo usa il nome popolare "dragsters". – Indubbiamente interessanti a modo loro, vetture uniche che regalano sensazioni uniche sia agli appassionati al di fuori della pista di 305 metri, sia ai piloti il ​​cui cervello, alla velocissima accelerazione di 5 g, assume probabilmente la forma di un'immagine bidimensionale colorata sul posteriore del cranio

Questi dragster sono forse la varietà più famosa e impressionante di sport motoristici popolari negli Stati Uniti, appartenente alla controversa classe Top Fuel. Il nome si basa sulle prestazioni estreme della sostanza chimica del nitrometano che le macchine infernali usano come carburante per i loro motori. Sotto l'influenza di questa miscela esplosiva, i motori funzionano in modalità sovraccarico e in poche gare si trasformano in un mucchio di metallo non necessario e, a causa della propensione del carburante a esplodere continuamente, il suono del loro funzionamento ricorda il ruggito isterico di una bestia che conta gli ultimi istanti della tua vita. I processi nei motori possono essere paragonati solo a un caos assoluto e incontrollabile che rasenta la ricerca dell'autodistruzione fisica. Di solito uno dei cilindri si guasta alla fine della prima sezione. La potenza dei motori utilizzati in questo folle sport raggiunge valori che nessun dinamometro al mondo può misurare, e l'abuso delle macchine supera davvero tutti i limiti dell'estremismo ingegneristico ...

Ma torniamo al cuore della nostra storia e diamo uno sguardo più da vicino alle proprietà del carburante nitrometano (miscelato con una piccola percentuale di metanolo di bilanciamento), che è senza dubbio la sostanza più potente utilizzata in qualsiasi forma di corsa automobilistica. attività. Ogni atomo di carbonio nella sua molecola (CH3NO2) ha due atomi di ossigeno, il che significa che il carburante porta con sé la maggior parte dell'ossidante necessario per la combustione. Per lo stesso motivo, il contenuto energetico per litro di nitrometano è inferiore a quello per litro di benzina, ma con la stessa quantità di aria fresca che il motore può aspirare nelle camere di combustione, il nitrometano fornirà molta più energia totale durante la combustione. ... Ciò è possibile perché esso stesso contiene ossigeno e quindi può ossidare la maggior parte dei componenti del combustibile idrocarburico (solitamente non combustibile in assenza di ossigeno). In altre parole, il nitrometano ha 3,7 volte meno energia della benzina, ma con la stessa quantità di aria, 8,6 volte più nitrometano può essere ossidato della benzina.

Chiunque abbia familiarità con i processi di combustione in un motore automobilistico sa che il vero problema con la "spremitura" di più potenza da un motore a combustione interna non è aumentare il flusso di carburante nelle camere: per questo sono sufficienti potenti pompe idrauliche. raggiungere pressioni estremamente elevate. La vera sfida è fornire abbastanza aria (o ossigeno) per ossidare gli idrocarburi e garantire la combustione più efficiente possibile. Ecco perché il carburante dragster utilizza nitrogetan, senza il quale sarebbe del tutto impensabile ottenere risultati di questo ordine con un motore con una cilindrata di 8,2 litri. Allo stesso tempo, le auto funzionano con miscele abbastanza ricche (in determinate condizioni, il nitrometano può iniziare a ossidarsi), per cui parte del carburante viene ossidato nei tubi di scarico e forma impressionanti luci magiche sopra di essi.

Coppia 6750 Newton metri

La coppia media di questi motori raggiunge i 6750 Nm. Probabilmente avrai già notato che c'è qualcosa di strano in tutta questa aritmetica... Il fatto è che per raggiungere i valori limite indicati, ogni secondo un motore a 8400 giri deve aspirare non più, non meno di 1,7 metri cubi di aria fresca. C'è solo un modo per farlo: il riempimento forzato. Il ruolo principale in questo caso è svolto da un enorme gruppo meccanico classico tipo Roots, grazie al quale la pressione nei collettori del motore dragster (ispirato alla preistorica Chrysler Hemi Elephant) raggiunge la cifra sbalorditiva di 5 bar.

Per capire meglio quali carichi sono coinvolti in questo caso, prendiamo come esempio una delle leggende dell'età d'oro dei compressori meccanici: un V3,0 da corsa da 12 litri. Mercedes W154. La potenza di questa macchina era di 468 CV. con., ma va tenuto presente che l'azionamento del compressore ha richiesto ben 150 CV. con., non raggiungendo i 5 bar specificati. Se ora aggiungiamo 150mila s al conto, arriveremo alla conclusione che il W154 aveva davvero un incredibile 618 CV per l'epoca. Potete giudicare voi stessi quanta potenza reale raggiungono i motori della classe Top Fuel e quanta di essa viene assorbita dall'azionamento meccanico del compressore. Naturalmente, l'uso di un turbocompressore in questo caso sarebbe molto più efficiente, ma il suo design non è in grado di far fronte all'estremo carico termico dei gas di scarico.

Inizio della contrazione

Per la maggior parte della storia dell'automobile, la presenza di un'unità di accensione forzata nei motori a combustione interna è stata un riflesso della tecnologia più recente per la fase di sviluppo corrispondente. Questo è stato il caso nel 2005 quando il prestigioso premio per l'innovazione tecnologica nell'industria automobilistica e sportiva, dal nome del fondatore della rivista, Paul Peach, è stato consegnato al responsabile dello sviluppo del motore VW Rudolf Krebs e al suo team di sviluppo. applicazione della tecnologia Twincharger in un motore a benzina da 1,4 litri. Grazie al riempimento forzato combinato dei cilindri mediante un sistema meccanico sincrono e un turbocompressore, il gruppo coniuga sapientemente la distribuzione uniforme della coppia e l'elevata potenza tipica dei motori ad aspirazione naturale di grande cilindrata con l'efficienza e l'economia dei piccoli motori. Undici anni dopo, il motore TSI da 11 litri di VW (con cilindrata leggermente aumentata per compensare la sua contrazione efficiente dovuta al ciclo Miller utilizzato) ora dispone di una tecnologia turbocompressore VNT molto più avanzata ed è nuovamente nominato per un Paul Peach Award.

Nel 911, infatti, è stata lanciata la prima vettura di serie con motore a benzina e turbocompressore a geometria variabile, la Porsche 2005 Turbo. Entrambi i compressori, sviluppati congiuntamente dagli ingegneri di ricerca e sviluppo Porsche e dai loro colleghi di Borg Warner Turbo Systems, VW utilizzano l'idea ben nota e consolidata di geometria variabile nelle unità turbodiesel, che non è stata implementata nei motori a benzina a causa di un problema con temperatura media dei gas di scarico più alta (circa 200 gradi rispetto al diesel). Per questo, sono stati utilizzati materiali compositi resistenti al calore dell'industria aerospaziale per le palette di guida del gas e un algoritmo di controllo ultrarapido nel sistema di controllo. Conseguimento degli ingegneri VW.

L'età d'oro del turbocompressore

Dall'interruzione della 745i nel 1986, BMW ha difeso a lungo la propria filosofia di design per i motori a benzina, secondo la quale l'unico modo "ortodosso" per ottenere più potenza era quello di far funzionare il motore ad alti regimi. Niente eresie e flirt con compressori meccanici alla Mercedes (C 200 Kompressor) o Toyota (Compressore Corolla), nessun pregiudizio verso i turbocompressori VW o Opel. I costruttori di motori di Monaco preferivano il riempimento ad alta frequenza e la normale pressione atmosferica, l'uso di soluzioni ad alta tecnologia e, in casi estremi, una cilindrata maggiore. Gli esperimenti sui compressori basati sui motori bavaresi sono stati quasi completamente trasferiti ai "fachiri" dalla società di tuning Alpina, che è vicina alla preoccupazione di Monaco.

Oggi BMW non produce più motori a benzina aspirati e la gamma di motori diesel include già un motore turbo a quattro cilindri. Volvo utilizza una combinazione di rifornimento con un meccanico e un turbocompressore, Audi ha creato un motore diesel con una combinazione di un compressore elettrico e due turbocompressori a cascata, Mercedes ha un motore a benzina con un elettrico e un turbocompressore.

Tuttavia, prima di parlarne, andremo indietro nel tempo per trovare le radici di questa transizione tecnologica. Impareremo come i produttori americani hanno cercato di utilizzare la tecnologia turbo per compensare la riduzione delle cilindrate causata dalle due crisi petrolifere degli anni Ottanta e come hanno fallito in questi tentativi. Parleremo dei tentativi infruttuosi di Rudolf Diesel di creare un motore a compressore. Ricorderemo la gloriosa era dei motori a compressore negli anni '20 e '30, così come i lunghi anni dell'oblio. Certo, non ci mancherà la comparsa dei primi modelli di serie di turbocompressori dopo la prima grande crisi petrolifera degli anni '70. O per il sistema composto Scania Turbo. In breve, vi parleremo della storia e dell'evoluzione della tecnologia dei compressori...

(da seguire)

Testo: Georgy Kolev