Недостатки турбокомпрессора, касающиеся его разгонной характеристики и протекания крутя­щего момента двигателя, дают повод заниматься развитием дру­гих систем наддува, которые бы не имели этих недостатков.

Введенное швейцарской фирмой «Броун Бовери» (г. Баден) наименование «Компрекс» применяется для обозначения газодинамической машины, использующей действие волн дав­ления, в которой как и в турбокомпрессоре, но совершенно по другому принципу воздушный заряд сжимается за счет энергии выпускных газов. Это наименование означает, что речь идет о машине, объединяющей в себе процессы сжатия и расширения. Принцип действия этой системы основан на том, что волна дав­ления, проходящая через канал трубопровода, отражается на свободном конце отрицательно, т. е. как волна разрежения, а на закрытом конце как волна давления, и, наоборот, всасывающая волна на открытом конце отражается как волна давления, а на закрытом — как всасывающая.

Система наддува «Компрекс» состоит из ротора Р с осевыми каналами-ячейками трапецеидального сечения, открытыми с тор­цов (рис. 9.16). Ротор, укрепленный в подшипниках и окружен­ный кожухом, приводится через ременную передачу от коленча­того вала двигателя. Мощность, необходимая для вращения ро­тора, невелика, так как она расходуется только на преодоление трения в подшипниках и вентиляционных потерь. Воздушные и газовые каналы сходятся на торцевых сторонах корпуса: па­трубки низкого давления воздуха ВНД и высокого давления воздуха ВВД на одной стороне и патрубки для подвода газа высо­кого давления ГВД и низкого давления ГНД — на другой. Энергия для сжатия наддувочного воздуха отбирается у выпуск­ных газов. Процессы сжатия и расширения осуществляются под действием волн давления и расширения в каналах-ячейках ротора, проходящих мимо неподвижных патрубков, впускных и выпуск- пых для каждой из протекающих сред. Процессы, происходящие и роторе, лучше всего пояснить с помощью схематической раз­вертки боковой поверхности ротора (рис. 9.17), заимствованной из брошюры фирмы «Броун Бовери» SК-ТLТ 55057/1D. На этом же рисунке изображены впускные и выпускные каналы неподвиж­ного корпуса.

Газодинамический цикл начинается в 1 с того, что канал-ячейка заполняется свежим воздухом под действием атмосферного давления; вертикальные штрихи на рисунке обозначают, что скорость движения газов в этой зоне равна нулю. Отрабо­тавшие газы из двигателя М поступают в выпускной коллектор А, из которого под постоянным давлением перетекают в ячейки ро­тора (ГВД). Как только вследствие вращения ротора заполнен­ная воздухом низкого давления ячейка входит в контакт с па­трубком ГВД, возникает волна давления I, которая распростра­няется в ячейке со скоростью звука, сжимает находящийся в ней воздух и вытесняет его в направлении патрубка ВВД. Вслед за волной давления в ячейки ротора входит газ высокого давле­ния. Поскольку ротор вращается в направлении U, соединитель­ная линия фронта волны в отдельных ячейках проходит под углом к осевому направлению. Волна давления I достигает конца ячейки примерно в тот момент, когда открывается выход воздуха высо­кого давления (патрубок ВВД). Волна давления отражается от торца ячейки и возвращается в нее в виде волны давления II, которая дожимает свежий воздух. В зоне высокого давления сжатый воздух вытекает во впускной коллектор В, а из него поступает в двигатель М. Внезапная остановка газового потока у кромки, перекрывающей вход газов в ячейку из патрубка ГВД, создает волну разрежения III, которая снижает давление газов и уменьшает до нуля скорость их движения. В тот момент, когда правый конец ячейки проходит кромку, перекрывающую патру­бок ВВД, выпускные газы заполняют приблизительно две трети ячейки и отделяются от имеющегося воздуха зоной перемешива­ния. В зоне 2 давление ниже, чем в зоне высокого давления, но выше, чем атмосферное, поэтому газы вытекают из ячейки в вы­пускную трубу, как только ротор поворачивается в положение, при котором ячейка сообщается с патрубком отвода газов ГНД. Волна разрежения IV, возникающая в ячейке, достигает правого ее конца в тот момент, когда устанавливается сообщение с кана­лом ВНД. Эта волна разрежения и отраженные волны V, VI и VII создают повышенное давление у газового края ячейки, и газы вытекают в патрубок ГНД. При этом с воздушной стороны этой ячейки образуется разрежение, и она заполняется свежим воздухом. Когда выпускные газы и смесь газов с воздухом, естественно образующаяся при их непосредственном контакте, полностью вытекают из ячеек, цикл может начинаться вновь с 1.

Осуществление этого столь просто описанного способа на практике встретило ряд трудностей, которые преодолевались в процессе многолетнего развития.

Для обеспечения симметричного нагревания кожуха, необхо­димого для сохранения малых зазоров как с торцевой, так и с бо­ковой сторон, все каналы выполнены парными, как это показано на рис. 9.16.

При одном повороте ротора каждый канал соответственно дважды заполняется газом или воздухом и дважды опустошается. С целью лучшего решения проблем, связанных с тепловым рас­ширением, разделительные перегородки между ячейками выпол­нены не прямыми, а изогнутыми в виде буквы S. Кроме того, для снижения шума между разделительными перегородками пре­дусмотрены различные расстояния, т. е. ячейки имеют различную ширину.

Основная трудность заключалась в достижении высокой сте­пени наддува в более широком диапазоне частот вращения. Ро­тор приводится от коленчатого вала двигателя при постоянном передаточном отношении, т. е. при низкой частоте вращения дви­гателя ротор также имеет низкую частоту вращения. Время пробегания волн в каналах зависит только от температуры газа или воздуха, но температура газа зависит не от частоты вращения двигателя, а от крутящего момента. В соответствии с этим опти­мальные размеры ротора и его частота вращения могли быть определены только для одного скоростного режима двигателя. За счет специальных выемок, размещенных в определенных ме­стах на торцевых сторонах статора (между впускными и выпуск­ными каналами), фирме «Броун Бовери» удалось достичь наложения дополнительных волн давления на описанный выше про­стой цикл при отклонении условий работы от расчетных, что дает возможность применять этот способ наддува в широком диапа­зоне нагрузочных и скоростных режимов работы автомобильного двигателя.

Преимущества системы «Компрекс» лучше всего видны из сопоставления ее с системой турбонаддува. Автомобильный дизель типа DК швейцарской фирмы «Адольф Заурер» (г. Арбон) для сравнения испытывался как на стенде, так и на грузовом автомобиле с применением турбонаддува и системы «Компрекс» (рис. 9.18 и 9.19).

Шестицилиндровый рядный двигатель имеет диаметр цилиндра 128 мм и ход поршня 140 мм, что соответствует рабочему объему 10,8 л. Максимальная мощность двигателя без наддува составляет 210 л. с. при частоте вращения 2200 об/мин, а при применении наддува (той или иной системы) она дости­гает 300 л. е., т. е. повышается примерно на 43%. При турбонаддуве максимальный крутящий момент двигателя соответствует среднему эффективному давлению, равному 13 бар; максимум кривой изменения крутящего момента имеет место при частоте вращения 1400 об/мин, при более низких значениях n крутящий момент резко падает (рис. 9.18).

При использовании системы «Компрекс», как следует из рис. 9.19, наибольшему крутящему моменту двигателя соот­ветствует среднее эффективное давление р_е = 13,7 бар; макси­мум М_е достигается при n = 1100 об/мин, при более низких частотах вращения наблюдается лишь незначительное уменьше­ние крутящего момента. Таким образом, характер измене­ния крутящего момента в этом случае является более благо­приятным.

Еще большее различие между турбонаддувом и системой «Компрекс» наблюдается при работе двигателя на режиме раз­гона (рис. 9.20). Разгон ротора обменника давления при системе «Компрекс» — в отличие от ходовой части турбокомпрессора — при мгновенном набросе нагрузки двигателя не требуется, так как здесь наддув происходит посредством волн давления. Из рисунка видно, что давление наддува, равное 1 бар, достигается при системе «Компрекс» уже приблизительно через 1,1 с, в то время как при турбонаддуве — только через 6 с. При использо­вании системы «Компрекс» отпадает необходимость ограничения топливоподачи по давлению наддува в связи со снижением дымности.

Нужно заметить, что для изготовления ротора обменника давления не требуются материалы высокой жаропрочности, так как ротор попеременно соприкасается с газом и воздухом и вос­принимает среднюю температуру между этими двумя средами. То же относится и к кожуху, который выполняется неохлаждаемым.

Однако этим важным для автомобильных двигателей преиму­ществам противостоят и недостатки, которые до сих пор препят­ствовали широкому распространению системы «Компрекс»: большие габаритные размеры и более высокая стоимость, чем у турбокомпрессора. Поскольку ротор обменника давления при­водится от коленчатого вала двигателя, как правило, через ремен­ную передачу, размещение агрегата «Компрекс» на двигателе является не таким свободным, как турбокомпрессора. При серий­ном производстве таких агрегатов стоимость изготовления их может быть существенно уменьшена, в процессе дальнейшего развития можно ожидать и уменьшения габаритных размеров. По-видимому, затраты на снижение шума системы «Компрекс» будут несколько выше, чем при турбонаддуве.