Как уменьшив объем двигателя увеличить его мощность [на примере Audi R18]

Как одна моно турбина 24 часа Ле-Мана помогла выиграть

16-17 июня 2012 года, на гонках 24 часа Ле-Мана, Audi в первый раз опробовала новый 3,7-литровый двигатель V-6 DTI с необычно спроектированным одним турбокомпрессором и технологией VTG. Двигатель был установлен в Audi R18.
«Нам должно быть стыдно, что у широкой общественности никогда не было возможности следить за техническим прогрессом наших инженеров», размышляет глава Audi Motorsport, доктор Вольфганг Ульрих.  По его словам, инженерных идей у команды Audi много, но правила гонок, ограничивающие объем двигателей в машинах-участниках, сдерживают прогресс в сокращении времени прохождения круга.
Впервые Audi выиграла гонку 24 часа Ле-Ман с двигателем TDI в 2006 году.  Гоночному автомобилю класса LMP1 Audi R10 DTI удалось проехать свой самый быстрый круг за 3 минуты 31.211 секунды. После 2006 года администрация гонок 24 часа Ле-Мана наложила ограничения на порог объема двигателя в машинах-участниках.  Несмотря на это, в 2011 году, номинально менее мощный Audi R18 DTI отметил десятое участие бренда в гонках Ле-Ман выигрышем, побив рекорд минимального времени прохождения круга 3 минутами 25.289 секундами. Ауди доказала, что сила двигателя не всегда решает исход гонки.  А каковы бы были результаты, не наложи администрация Ле-Мана ограничения на объем двигателей? Отметим, что R18 успел отличиться и аварией созданной на этих гонках, подробнее тут.

«На скорость прохождения круга влияет много факторов», подчеркивает д-р Ульрих. «Облегченное шасси, улучшенный двигатель и аэродинамика, играют такую же роль, как и погода, гонщик и гоночная ситуация. Тем не менее, гоночные двигатели DTI яркий пример того, как без увеличения объема двигателя, можно улучшить его коэффициент полезного действия». В 2006 году Audi выиграл с двигателем V-12 объемом 5,5-литров. Теперь, в самой новой модели Audi R18 с цифровым зеркалом заднего вида, работают только шесть цилиндров. По новым правилам, допустимый объем двигателя сократили до 3,7 литра. Получается, что имея на шесть цилиндров меньше, с уменьшенным на 32% объемом, Audi R18 c 3,7-литровым двигателем V-6 DTI в 2011 году сократил минимальное время круга на 2,8%.
О том, какие улучшения придумывают инженеры, чтобы улучшить КПД, Zap-Online.ru уже писали здесь.

Конечно победа R18 в гонке 2011 года заслуга не только двигателя, но и ультралегких материалов корпуса машины. Фотографии коробки передач и кабины выполненных из углепластика найдете в конце статьи.

Как, сократив объем двигателя и количество цилиндров, Audi удалось улучшить его работу

«Для увеличения мощности при уменьшенном объеме двигателя, камере сгорания приходится работать с более высокими давлением и температурами, чем в двигателе 5,5 литров», объясняет Ульрих Баретски, глава отдела развития двигателей в Audi Sport. «Это привело к увеличению отдачи от работы поршней в цилиндрах». Теперь каждый из цилиндров вырабатывает на 60% больше силы, чем в движке 2006 года стоявшем в Audi R10.
Для улучшения двигателя разработчики в Audi Sport пошли на освоение незнакомых территорий. Концепт двигателя Audi R18 долго держался в секрете. Инженеры разработали центральную моно турбо систему внутри V-образного двигателя, которая в сочетании с внутренними впускными коллекторами делает работу законов физики особенно эффективным. Одна большая турбина повышает общий КПД двигателя.

Моно турбина

Объединение всего потока выхлопных газов в одной турбине приводит к более высокой производительности турбины и более равномерной нагрузке за счет выбросов выхлопных газов.  В чрезвычайно коротких патрубках выхлопной системы перед турбонаддувом, теряется меньше тепловой энергии.  Это увеличивает производительность плюс температуру выхлопных газов турбины из-за более высокого содержания энергии в выхлопных газах и дает необходимую мощность компрессору, которому для эффективного сгорания топлива необходимо сжать около 2000 кубических метров воздуха в час.  Так, моно турбокомпрессор получает и пропускает через себя такое же количество надувочного воздуха мощностью более 375 кВт (510 л.с.), что и два турбокомпрессора в V10 TDI мощностью 404 кВт (550 л.с.).

Моно турбина, вид сверху

Уникальный дизайн улитки турбины долго держался в секрете. Выпускные коллекторы, расположенные внутри компактного двигателя V6, направлены вниз и позволяют выхлопным газам поступать радиально в горячую улитку с обеих сторон. Корпус турбинного колеса имеет два входа для потока выхлопных газов и один осевой выход. Сторона улитки компрессора (холодная сторона) схожа по конструкции. Вентилятор всасывает атмосферный воздух в осевом направлении из центрального притока. После сжатия, воздух снова выходит с двух сторон, чтобы оптимально питать оба ряда V-образно стоящих цилиндров. Он охлаждается в двух промежуточных охладителях перед тем, как быть направленным в камеры сгорания двигателя V6.

Моно турбина, вид сбоку

Изменяемая геометрия турбины (VTG)

Изменяемая геометрия турбины (VTG – от англ. Variable Turbine Geometry) стала еще одним ключом к технологическому прорыву. VTG регулирует поток выхлопных газов, чтобы турбина постоянно могла подстраиваться под разные условия работы, например, при изменении нагрузки. Поток выхлопных газов регулируется лопатками на турбинном колесе. Лопатки меняют углы увеличивая или уменьшая поток газов раскручивающих турбину. Это гарантирует отсутствие задержек в отклике дроссельной заслонки и мощности. «Без VTG идея компактного, уменьшенного в размерах двигателя с одним турбонаддувом была бы немыслима», говорит Ульрих Баретски. «Отдача одного, пусть и увеличенного в размерах наддува без VTG была бы слишком низкой. Только благодаря изменяемой геометрии турбины удалось решить эту проблему».

Моно турбина, вид сзади

Проблемы, с которыми столкнулись конструкторы

«В  моно турбине созданного двигателя экстремально высокая температура», объясняет Ульрих Баретски. «Температуру в 1050 градусов по Цельсию в турбине и в VTG выдержит только сталь из высокотемпературных жаропрочных сплавов». Кроме того, возникала опасность химической коррозии, известной как накипь. В ходе проектирования двигателя, команда следила за люфтами подшипников и зазорами. «Термостойкая технология, выдерживающая расширение метала при высоких температурах, также не должна допускать появления зазоров внутри при низких температурах», объясняет инженер. Все эти проблемы Audi решила совместно с давним партнером по турбокомпрессорам – Honeywell Garrett.
Во время переключения передач, которое длится около 30 миллисекунд без включения сцепления, впрыск топлива в двигатель снижается и возникает риск потери давления наддува. Однако, благодаря сложной электронной стратегии переключения передач и чувствительному приводу, система Audi VTG не дает упасть давлению наддува в турбине. Организаторы гонок 24 часа Ле-Мана Западный автомобильный клуб (Automobile Club de l'Ouest, ACO) были поражены. Когда технические стюарды ACO считали данные двигателя, они не обнаружили никаких признаков падения давления наддува во время переключения передач.

Турбина и двигатель Ауди в сборе

Планы по уменьшению размеров двигателей и увеличению мощности

В будущем Audi будет проектировать автомобили с двигателями небольших размеров, с уменьшенными рабочими объемами. Это значит, что, как и в V-6 DTI 3.7, в них увеличиться максимальное давление и температура сжигания топлива. Это также относится и к давлению впрыска топлива, которое в текущих высокопроизводительных двигателях вырастет до 2 000 бар, в то время как давление впрыска в двигателе Audi R18, уже превысило 2 600 бар. Это снижает расход топлива, коэффициент CO2 в выхлопных газах, увеличивает производительность, но также повышает тепловые и механические нагрузки, особенно в камере сгорания. Audi Sport разработали специальный метод расчета нагрузки на головки цилиндра, работающих на максимуме. Эти данные будут полезны для развития новых идей в Audi AG Technical Development.
Признание двигателя V-6 3.7l DTI «Лучшим Гоночным Двигателем 2011 года», стал наградой команде инженеров за проделанную работу.

Коробка передач из углепластика

Корпус Audi R18 из углепластика