Двигатели с переменной степенью сжатия реферат

Обновлено: 02.07.2024

Определение области детонационного сгорания в бензиновых двигателях внутреннего сгорания. Обзор схемы подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах сжатия. Применение механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха и экономия топлива.

Рубрика	Транспорт
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	10.03.2019
Размер файла	116,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

СИСТЕМЫ ИЗМЕНЕНИЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Андреев Н.В., Волков Е. А.

В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания. Эти ограничения имеют особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации. Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности необходимо снижать степень сжатия, но если степень сжатия будет малой для всех диапазонов работы двигателя, это приведет к снижению мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках. При этом значения степени сжатия выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Заведомо ухудшая экономичность двигателей, это особенно сильно проявляется при работе на частичных нагрузках. Снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить эту задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.

В 2000 году в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия. Его уникальные особенности позволяют достигать мощности в 225 л.с. при рабочем объеме в 1,6 л. и сохранять расход топлива сравнимого с вдвое меньшим двигателем.

Возможность бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте [1].

Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, единым блоком, а не раздельно как у обычных двигателей. Отдельный блок представляет собой также блок-картер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на расположенную в блоке ось , служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна управляемого эксцентриковым валом . Для герметизации моноблока и блоккартера предусмотрен гофрированный резиновый чехол [2].

Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блоккартера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия [1,2].

При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается. Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной оси - 4%.

На минимальной частоте вращения коленчатого вал и сбросе подачи топлива, а также при малых нагрузках, моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия - 14). Система наддува отключается, и воздух поступает в двигатель напрямую. Под нагрузкой, за счет поворота эксцентрикового вала, шатун отклоняет моноблок в сторону, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия - 8). При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением.

Рис.2 Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах:1 - дроссельная заслонка; 2 - перепускной клапан; 3 - сцепление; а - на малой частоте вращения коленчатого вала; б - на нагрузочных режимах

Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого вала, степени нагрузки, вида топлива и др. параметров.

В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува 2,8 кгс/см2 [2].

Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.

На будущем кроссовере Infiniti представит первый серийный двигатель с изменяемой степенью сжатия.

Новый двухлитровый турбомотор получил коленчатый вал, на который надето коромысло. Слева к нему крепится шатун, справа -- рычаг, управляемый электромотором. Движение рычага меняет положение шатуна относительно коленчатого вала и физически изменяет степень сжатия -- от 8:1 (для высокой производительности) до 14:1 (для высокой эффективности).

Новый мотор на 27 процентов эффективней 3,5-литрового бензинового V6. Также, в производстве он будет дешевле, чем турбо-дизеля.

Двигатель сможет работать максимально эффективно во всем диапазоне оборотов и нагрузок, всегда находясь на грани детонации и при идеальном угле опережения зажигания.

воздух сжатие сгорание топливо двигатель

3.Первый серийный двигатель с изменяемой степенью сжатия //

4.В.П.Алексеев, В.Ф.Воронин, Л.В.Греков и другие Двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1990. 284 с.

Подобные документы

Модернизация двигателя внутреннего сгорания автомобиля ВАЗ-2103. Особенности конструкции двигателя: тип, степень сжатия, вид и марка топлива. Тепловой расчет, коэффициент теплоиспользования. Расчет механических потерь и эффективных показателей двигателя.

курсовая работа [452,2 K], добавлен 30.09.2015

Топливо, состав горючей смеси и продуктов сгорания. Параметры окружающей среды. Процесс сжатия, сгорания и расширения. Кинематика и динамический расчет кривошипно-шатунного механизма. Четырёхцилиндровый двигатель для легкового автомобиля ЯМЗ-236.

курсовая работа [605,6 K], добавлен 23.08.2012

Техническое описание двигателя КамАЗ. Рабочий процесс и динамика двигателя внутреннего сгорания, его скоростные, нагрузочные и многопараметровые характеристики. Определение показателей процесса наполнения, сжатия и сгорания, расширения в двигателе.

курсовая работа [303,6 K], добавлен 26.08.2015

Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания. Параметры рабочего тела и остаточных газов. Процессы впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. Внешние скоростные характеристики, построение индикаторной диаграммы. Расчет поршневой и шатунной группы.

курсовая работа [4,2 M], добавлен 17.07.2013

Выбор главных двигателей и параметров, определение суммарной мощности. Теплота сгорания топлива. Процесс наполнения, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. Динамический расчёт двигателя, коленчатого вала и шатунной шейки. Расчет системы охлаждения.

Порой создаётся впечатление, что нынешние ДВС уже достигли своего максимума по эффективности, производительности и экономичности. Это конец эволюции, за которым должен начаться виток развития новых моторов.

Но так только кажется. В действительности в настоящее время осуществляется серийный выпуск целого ряда обновлённых и модернизированных ДВС, способных работать на бензине, дизельном топливе, на газе и на комбинированном топливе, что реализовано на гибридных автомобилях.

За последние годы инженерам удалось внедрить систему высокоточного впрыска, увеличить мощность двигателя без увеличения его рабочего объёма, применить системы турбонаддува, повысить численной клапанов, использовать изменение фаз газораспределения и многое другое.

В результате проведённых доработок удалось заметно улучшить параметры работы ДВС, снизить их токсичность, поднять производительность. Параллельно с доработкой существующих моторов, конструкторы пытаются создать нечто новое. Некоторые проекты существуют только на бумаге, а другим удалось успешно реализовать. Именно к последней категории относятся двигатели с изменяемой или переменной степенью сжатия (ПСС).

Зачем используется ПСС

Опытным автомобилистам наверняка знакомо понятие степени сжатия в двигателе. Но стоит уточнить, что это отношение объёма над рабочим поршнем двигателя, который опускается до своей нижней мёртвой точки, к объёму, когда этот поршень достигает уже верхней мёртвой точки.

Если говорить простым языком, то степень сжатия определяет силу сжимания смеси топливо и воздуха в цилиндрах силового агрегата. И тут важно понимать, что при сильном сжатии топливовоздушная смесь способна лучше воспламеняться и полностью выгорать. Увеличивая этот параметр, коэффициент полезного действия ДВС будет расти, улучшится отдача движка, снизится расход топлива.

Но у такого эффекта есть и обратная сторона. Она связана с возможным эффектом детонации. При нормальных условиях топливовоздушная смесь, сжимающаяся в цилиндрах, при воспламенении должна не взрываться, а именно гореть. Параллельно процесс воспламенения должен начинать и заканчиваться строго в определённые моменты времени.

Топливо обладает особой характеристикой, которая называется детонационной устойчивостью. То есть это способность горючего сопротивляться эффекту детонации. Если степень сжатия чрезмерно повысить, бензин или дизель может сдетонировать, то есть взорваться, что происходит в условиях определённых режимов работы ДВС.

Результатом детонации становятся неконтролируемые процессы, при которых топливо в цилиндрах будет сгорать путём взрывов. Это приводит к ускоренному износу компонентов двигателя, создают ударных волн, существенному увеличению температуры ДВС со всеми вытекающими последствиями. В связи с этим создавать для мотора условия, при которых степень сжатия постоянно будет высокой, нельзя.

Единственным объективно эффективным решением сложившейся ситуации становится гибкое изменение параметров в зависимости от конкретного режима работы силовой установки. То есть изменение степени сжатия в тех или иных условиях. Это даёт реальную возможность повысить эффективность мотора, улучшить качество сжигания топливовоздушной смеси, повысить показатели экономичности и добиться лучшей эффективности. А поскольку повышение параметров сжатия происходит кратковременно и только в заданных режимах работы двигателя, никаких разрушительных последствий не наблюдается.

Преимущества моторов с изменяемой степенью сжатия выглядят очевидными. Но на практике создать подобный мотор было крайне сложно. Некоторым автокомпаниям в итоге это удалось. В их числе стоит отметить таких производителей как Infiniti, Peugeot, Saab, Volkswagen и пр.

Принцип работы

Главной особенностью и преимуществом двигателей с переменной степенью сжатия можно считать возможность значительно повышать показатели производительности, параллельно уменьшая расход топлива.

Если говорить максимально простым языком, учитывается конкретный текущий режим работы двигателя и нагрузки на него, что позволяет сжимать и воспламенять топливовоздушную смесь в наиболее оптимальных и подходящих условиях.

В момент, когда на силовую установку действуют минимальные нагрузки, внутрь рабочих цилиндров осуществляется подача так называемой обеднённой смеси. То есть она включается в себя большее количество воздуха и меньшее количество топлива. Подобная бедная смесь оптимально работает, когда степень сжатия достаточно высокая. Сильное сжимание способствует эффективному сгоранию даже небольшого объёма горючего, смешанного с воздухом.

Если же нагрузки на двигатель увеличиваются, тогда в цилиндры подаётся уже богатая смесь, в которой преобладает бензин. Но при сохранении того же показателя степени сжатия, но с обогащённой смесью, во время работы мотора существенно возрастает риск возникновения эффекта детонации. Такая ситуация и требует динамичного снижения степени сжатия.

В настоящее время активно применяются силовые агрегаты с постоянными значениями степени сжатия. Чтобы предотвратить возможную детонацию и защититься от неё, инженеры предусмотрели использование системы изменения угла опережения зажигания. Это позволяет как бы сдвинуть угол назад. Недостаток системы в том, что детонация предотвращается, но параллельно мотор теряет свою мощность и повышается расход.

В случае с двигателями, имеющими ПСС, необходимости в использовании угла опережения нет. Отсюда исключается потеря мощности в процессе работы.

Если говорить о реализации схемы изменяемой степени сжатия, то задача инженеров и конструкторов заключается в необходимости физически уменьшить размеры или рабочие объёмы силового агрегата (если быть точнее, то его камеры сгорания, где происходит сжатие топливовоздушной смеси), параллельно сохранив все его характеристики в виде мощности, крутящего момента и пр.

Достаточно большое количество автокомпаний работали над тем, чтобы реализовать нечто подобное. И многим удалось добиться серьёзных успехов.

При этом автопроизводители использовали разные способы реализации задумки. То есть у них управление степенью сжатия осуществлялось с помощью изменяемого объёма камеры сгорания, шатунов, коленвалов и пр.

Наиболее ранней считается разработка, в которой для двигателя предусмотрели дополнительный поршень, интегрированный в камеру сгорания. В этом случае переменная степень сжатия достигалась за счёт перемещения этого поршня, который в процессе своего движения мог менять объём.

Но у решения имелось слишком много недостатков. Главным их них считается необходимость установки в блок цилиндров дополнительных компонентов. Это сразу усложнило процесс производства двигателей, повысило их себестоимость. Параллельно разработчики столкнулись с проблемой изменённой формы камеры сгорания. Из-за этого поступающее внутрь топливо не могло равномерно и полноценно сгорать.

Учитывая объективные причины, проект в скором времени закрыли. Работы над ним не были завершены, поскольку проявилось слишком много очевидных недостатков. Аналогично неудачным оказался и другой проект, где инженеры попытались применять поршни, способные изменять свою высоту. Конструкторы применили разрезные поршни, которые на практике оказались чрезмерно тяжёлыми. Плюс возникли сложности с попытками реализовать систему управления подъёмом поршневой крышки.

Куда интереснее выглядят проекты нескольких автопроизводителей. Не все они закончились удачно и имеют шансы на реализацию в серийном производстве, но большие шаги вперёд им сделать удалось.

Volkswagen

Немецкий автоконцерн, опираясь на ошибки своих предшественников, трогать поршни и камеру сгорания не стал. Зато инженеры компании уделили внимание подъёму коленвала. То есть они хотели создать систему, которая позволила бы управлять высотой осуществляемого подъёма коленчатого вала.

В результате получилась схема, где опорные шейки коленвала разместили внутри специальных муфт. Причём применялись именно муфты эксцентрикового типа. Они приводились в движение с помощью шестерёнок, которые были непосредственно связаны с электромотором.

За счёт того, что эксцентрики осуществляли повороты, коленчатый вал опускался и поднимался. Тем самым менялась высота подъёма рабочих поршней относительно к головке блока. Это позволило уменьшить и увеличивать текущий объём камеры сгорания двигателя, параллельно меняя и сам показатель степени сжатия.

Ещё одна достаточно неплохая попытка предпринималась инженерами компании Saab. Их разработка отличалась тем, что степень сжатия они хотели изменить путём подъёма всего блока.

В какой-то момент создалось впечатление, что совсем скоро двигатель поступит в серийное производство. Мотор получил достаточно известную в своё время маркировку SVC. Это был двигатель с рабочим объёмом 1,6 литра с 5 цилиндрами и системой турбонаддува.

На выходе мощность силовой установки достигла 220 лошадиных сил с крутящим моментом свыше 300 Нм. За счёт своих нововведений уровень потребления мотором топлива удалось сократить практически на 35%. При этом мотор был всеядным, поскольку мог хорошо работать на высокооктановом 98 бензине, так и на обычном дешёвом АИ 76.

Решение инженеров компании Saab было следующим. Они разделили моторный блок цилиндров, что позволило получить условно две составляющие части двигателя. Вверху располагалась сама головка блока и цилиндровые гильзы, а место в нижней части отвели под коленчатый вал. Соединительным элементом между двумя частями ДВС стал шарнир подвижного типа и специальный механизм, работающий за счёт электрического привода.

Подобное решение позволило поднимать верхнюю часть блока цилиндров под углом. Этот угол подъёма составлял буквально несколько градусов, что позволило менять степень сжатия в достаточно широком диапазоне от 8 до 14 единиц. Для герметизации стыка использовался специальный кожух, выполненный на основе высокопрочной, но эластичной резины.

В теории всё выглядело очень перспективно и многообещающе. Но когда инженеры столкнулись с практической реализацией своей идеи, оказалось, что подвижный верхний блок и кожух не обладали достаточной надёжностью, прочностью и долговечностью. Они обещали стать слабым звеном двигателя. Не исключено, что именно эта причина послужила основой для отказа от серийного производства двигателя, где удалось реализовать системы изменяемой степени сжатия.

Peugeot

Следующими свои силы решили попробовать французские инженеры из автокомпании Peugeot. За основу разработчики Пежо взяли турбированный двигатель с рабочим объёмом 1,5 литра, которого обеспечили возможностью менять текущую степень сжатия. Диапазон изменения параметра составил 7-18 единиц. Такой двигатель на выходе давал 225 лошадиных сил, а его крутящий момент достигал 420 Нм.

В конструктивном плане двигатель получился очень сложным, здесь использовался разделённый шатун. В зоне его крепления к коленчатому валу шатун дополнительно получил специальное зубчатое коромысло. А на участке соединения поршня и шатуна инженеры применили зубчатую планку-рейку.

С другой стороны к установленному коромыслу фиксировалась поршневая рейка. Этот поршень отвечал за управление. Движение создавалась за счёт смазочной системы. Масло проходило путь, состоящий их множества каналов и клапанов. Дополнительно здесь задействовали электрический привод.

Если говорить коротко, то за счёт своего перемещения управляющий поршень воздействовал на коромысло. Это позволяло менять высоту подъёма главного цилиндрового поршня.

В дальнейшем проект заморозили, никаких намёков на разморозку и серийное производство такого мотора пока не появлялось.

Infiniti

Пока наиболее перспективным и многообещающим проектом является разработка компании Инфинити (Infiniti), которые создали собственный мотор, обладающий изменяемой степенью сжатия.

Этот двигатель получил маркировку VCT. Тут реализовала возможность менять параметры степени сжатия в диапазоне от 8 до 14 единиц. Базируется проект на применении специального траверсного механизма.

Инженеры создали подвижное соединение между нижней шейкой и шатуном. Плюс здесь задействовала рычажная система. Эти рычаги приводятся в движение за счёт работы электрического двигателя.

За процесс управления отвечает контроллер. Он посылает соответствующие сигналы исполнительному механизму, то есть электрическому мотору. Когда электродвигатель получает команду со стороны управляющего блока, начинается смещение тяги и рычаги меняют своё положение. Тем самым реализуется возможность изменения текущей высоты рабочего поршня.

На выходе у японских инженеров из компании Infiniti получился мощный турбированный бензиновый двигатель с рабочим объёмом 2,0 литра и 265 лошадиными силами. Главным достижением мотора стало сохранение высокой эффективности с отменными показателями экономичности. Если сравнивать с аналогичными силовыми установками, где степень сжатия постоянная, после реализации системы изменения степени сжатия экономия составила практически 30%.

Да, пока сами разработчики признают, что у двигателя есть ряд недостатков. Проявляются они в следующем:

конструкция получается достаточно сложной;
в процессе работы возникают усиленные вибрации;
надёжность пока хромает и уступает обычным ДВС с постоянной степенью сжатия;
повышенная себестоимость мотора и пр.

Но в настоящее время инженеры ведут активную работу над устранением имеющихся слабых сторон. Если им удастся решить хотя бы несколько проблем, что вполне реально и возможно, тогда прототип имеет все шансы стать серийным мотором для автомобилей компании. Исходя из оптимистичных прогнозов официальных представителей, на реализацию проекта требуется ещё 1-2 года. То есть существуют шансы, что в 2019 году мы увидим японский турбомотор с изменяемой степенью сжатия, устанавливаемый серийно на некоторые модели автомобилей Infiniti.

Учитывая всё сказанное ранее, можно с уверенностью сказать, что двигатели, имеющие переменную степень сжатия, обладают превосходными перспективами. Они способны без потери мощности улучшить столь значимые в настоящее время характеристики как экономичность и эффективность. Пока существуют некоторые проблемы и конструктивные ограничения, не позволяющие запустить моторы в серийное производство.

Это один из наиболее реальных способов снизить расход топлива на бензиновых турбомоторах, те самым составив жёсткую конкуренцию для дизельных турбированных двигателей.

Поскольку в настоящее время в мире наблюдается топливный кризис, а параллельно повышаются требования к экологическим стандартам, появление двигателя с улучшенной эффективностью сжигания топлива без необходимости ограничения мощности станет большим шагом вперёд в сфере разработки двигателей внутреннего сгорания.

В теории такие силовые установки, обладающие изменяемой степенью сжатия, способы обеспечить весомыми преимуществами современный турбированный бензиновый двигатель. А по расходу бензиновые моторы практически не будут уступать передовых дизельным турбодвигателям. Популярность последних становится всё более очевидной и заметной.

Многих потребителей привлекают ДВС, способные выдавать высокие обороты, прекрасный расход топлива и большую мощность одновременно. Пока это удалось реализовать на дизельных турбомоторах. Если разработчики не остановятся, и смогут найти решение имеющихся проблем, у дизеля появится серьёзный конкурент в лице экономичного, мощного и высокооборотистого бензинового турбодвигателя.

Как может показаться на первый взгляд, современный двигатель внутреннего сгорания достиг высшей ступени своей эволюции. На данный момент серийно выпускаются различные бензиновые и дизельные моторы, появились гибридные установки, дополнительно реализована возможность перевести двигатель на газ.

В списке наиболее значимых наработок за последние годы можно выделить: внедрение систем высокоточного впрыска под управлением сложной электроники, получение большой мощности без увеличения рабочего объема благодаря системам турбонаддува, увеличение количества клапанов на цилиндр, использование систем изменения фаз газораспределения и т.д.

Результатом стало заметное улучшение характеристик ДВС, а также снижение уровня токсичности отработавших газов. Однако это еще не все. Конструкторы и инженеры по всему миру продолжают не только активно работать над усовершенствованием уже имеющихся решений, но и пытаются создать абсолютно новую конструкцию.

Достаточно вспомнить попытки построить двигатель без коленвала и шатунов, избавиться от распредвала в устройстве ГРМ или динамично изменять степень сжатия двигателя. Сразу отметим, хотя одни проекты еще находятся в стадии разработки, другие уже стали реальностью. Например, двигатели с изменяемой степенью сжатия. Давайте рассмотрим особенности, преимущества и недостатки таких ДВС.

Изменение степени сжатия: зачем это нужно

Многие опытные водители знакомы с такими понятиями, как степень сжатия двигателя и октановое число для бензиновых моторов, а также цетановое число для дизельных. Для менее осведомленных читателей напомним, что степень сжатия представляет собой отношение объема над поршнем, который опущен в НМТ (нижняя мертвая точка) к тому объему, когда поршень поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка).

Если говорить о самой степени сжатия, фактически это показатель, который определяет, насколько сильно будет сжиматься топливно-воздушная смесь в цилиндрах двигателя. Если просто, хорошо сжатая смесь лучше воспламеняется и полноценнее сгорает. Получается, увеличение степени сжатия позволяет добиться роста КПД двигателя, получить улучшенную отдачу от мотора, снизить расход топлива и т.д.

Однако есть и нюансы. Прежде всего, это детонация двигателя. Опять же, если не вдаваться в подробности, в норме заряд топлива и воздуха в цилиндрах должен именно гореть, а не взрываться. Более того, воспламенение смеси должно начинаться и оканчиваться в строго заданные моменты.

Результат — неконтролируемый взрывной процесс сгорания в цилиндрах, быстрое разрушение деталей мотора ударной волной, значительный рост температуры в камере сгорания и т.д. Как видно, сделать постоянной высокую степень сжатия нельзя именно по этим причинам. При этом единственным выходом в данной ситуации является возможность гибко изменять данный показатель применительно к разным режимам работы двигателя.

Переменная степень сжатия двигателя: как это работает

Прежде всего, доступная возможность изменять степень сжатия позволяет в значительной мере увеличить производительность турбомоторов с одновременным уменьшением расхода топлива. В двух словах, в зависимости от режима работы и нагрузок на ДВС топливный заряд сжимается и сгорает в самых оптимальных условиях.

Что касается самой реализации схемы, фактически задача сводится к тому, что происходит физическое уменьшение рабочего объема двигателя, однако сохраняются все характеристики (мощность, момент и т.д.)

Сразу отметим, над таким решением трудились разные компании. В результате появились разные способы управления степенью сжатия, например, изменяемый объем камеры сгорания, шатуны с возможностью подъема поршней и т.д.

Одной из самых ранних разработок стало внедрение дополнительного поршня в камеру сгорания. Указанный поршень имел возможность перемещаться, одновременно изменяя объем. Минусом всей конструкции стала необходимость устанавливать дополнительные детали в БЦ. Также сразу проявились изменения формы камеры сгорания, горючее сгорало неравномерно и неполноценно.

По указанным причинам данный проект так и не был завершен. Такая же участь постигла и разработку, которая имела поршни с возможностью изменения их высоты. Указанные поршни разрезного типа оказались тяжелыми, еще добавились трудности касательно реализации управления высотой подъема крышки поршня и т.д.

Дальнейшие разработки уже не затрагивали поршни и камеру сгорания, максимум внимания был уделен вопросу подъема коленчатого вала. Другими словами, стояла задача реализовать управление высотой подъема коленвала.

Схема устройства такова, что опорные шейки вала расположены в специальных муфтах эксцентрикового типа. Указанные муфты приводятся в движение посредством шестерен, которые связаны с электрическим двигателем.

Проворот эксцентриков позволяет поднять или опустить коленчатый вал, что и приводит к изменению высоты подъема поршней по отношению к ГБЦ. В результате объем камеры сгорания увеличивается или уменьшается, одновременно меняется и степень сжатия.

Еще одной попыткой найти решение стал двигатель, в котором степень сжатия менялась посредством подъема всего блока цилиндров. Разработка принадлежит бренду Saab, а сам агрегат чуть даже не попал в серию. Двигатель известен как SVC, объем 1.6 литра, агрегат с 5 цилиндрами, оснащен турбонаддувом.

Инженеры Saab разделили блок цилиндров, выделив две условные части. В верхней находились головки и гильзы цилиндров, тогда как в нижней части коленчатый вал. Своеобразным соединением этих частей блока с одной стороны был подвижный шарнир, а с другой особый механизм, оснащенный электроприводом.

На практике сами детали для подъема верхней части блока, а также и сам защитный кожух оказались весьма слабыми элементами. Возможно, именно это помешало мотору попасть в серию и проект дальше закрыли.

Очередную разработку далее предложили инженеры из Франции. Турбомотор с рабочим объемом 1.5 литра получил возможность менять степень сжатия от 7 до 18 и выдавал мощность около 225 л.с. Моментная характеристика зафиксирована на отметке 420 Нм.

Конструктивно агрегат сложный, с разделенным шатуном. В той области, где шатун крепится к коленвалу, деталь оснастили особым зубчатым коромыслом. В месте соединения шатуна с поршнем также была внедрена планка-рейка зубчатого типа.

С другой стороной к коромыслу была прикреплена рейка поршня, который реализовывал управление. Система приводилась от системы смазки, рабочая жидкость проходила через сложную систему каналов, клапанов, а также имелся дополнительный электропривод.

Рекомендуем также прочитать статью о том, как форсировать двигатель. Из этой статьи вы узнаете о существующих доступных способах форсирования двигателя внутреннего сгорания для получения большей мощности, лучшего отклика на педаль газа, увеличения крутящего момента и т.д.

В двух словах, перемещение управляющего поршня оказывало воздействие на коромысло. В результате менялась и высота подъема основного поршня в цилиндре. Отметим, что двигатель также не стал серийным, а проект был заморожен.

Следующей попыткой создать двигатель с изменяемой степенью сжатия стало решение инженеров Infiniti, а именно двигатель VCT (от англ. Variable Compression Turbocharged). В этом моторе стало возможным менять степень сжатия от 8 до 14. Особенностью конструкции является уникальный траверсный механизм.

В основе лежит соединение шатуна с нижней шейкой, которое является подвижным. Также использована система рычагов, которые приводятся в действие от электродвигателя.

Управляет процессом контроллер, посылая сигналы на электродвигатель. Электромотор после получения команды от блока управления смещает тягу, а система рычагов реализует смену положения, что и позволяет менять высоту подъема поршня.

В результате агрегат Infiniti VCT с рабочим объемом 2.0 литра с мощностью около 265 л.с. позволил экономить почти 30% горючего сравнительно с аналогичными ДВС, которые при этом имеют постоянную степень сжатия.

Подведем итоги

С учетом приведенной выше информации становится понятно, что двигатели с переменной степенью сжатия способны обеспечить значительное снижение расхода топлива на бензиновых моторах с турбонаддувом.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое турбонаддув двигателя. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции турбины, принципах действия системы, а также о преимуществах и недостатках данного решения.

На фоне глобального топливного кризиса, а также постоянного ужесточения экологических норм эти моторы позволяют не только эффективно сжигать горючее, но и не ограничивать при этом мощность двигателя.

Другими словами, подобный ДВС вполне способен предложить все преимущества мощного бензинового высокооборотистого турбодвигателя. При этом по расходу топлива подобный агрегат может вплотную приблизиться к турбодизельным аналогам, которые сегодня популярны, в первую очередь, благодаря своей экономичности.

Форсирование двигателя. Плюсы и минусы доработки мотора без турбины. Главные способы форсирования: тюнинг ГБЦ, коленвал, степень сжатия, впуск и выпуск.

Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.

Особенности установки ГБО на мотор с турбонаддувом. Какое газобалонное оборудование лучше ставить на двигатели с турбиной. Советы и рекомендации.

Возможность установки турбокомпрессора на двигатель с карбюратором. Основные преимущества и недостатки турбонаддува на карбюраторном авто.

Влияние степени сжатия на мощность и другие характеристики мотора. Тюнинг и увеличение степени сжатия, а также понижение параметра в отдельных случаях.

Увеличение мощности атмосферного и турбированного двигателя. Глубокий или поверхностный тюнинг ДВС. Модификация впускной и выпускной системы. Прошивка ЭБУ.

Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Разбираемся, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.

Париж 2016: Infiniti готовит премьеру новаторского мотора

Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23.

Степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.

Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.

При малых нагрузках, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально.

Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней

Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем. Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.

Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня

Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия. Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.

Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.

Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров

Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании - опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.

Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло

На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.

Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора. Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.

Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а - поршень, b - шатун, с - траверса, d - коленвал, е - электродвигатель, f - промежуточный вал, g - тяга.

За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.

Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности. Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.

Каков итог?

Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.

Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.

Двигатель VC-T. Изображение: Nissan

Японский автопроизводитель Nissan Motor представил новый тип бензинового двигателя внутреннего сгорания, который по некоторым параметрам превосходит продвинутые современные дизельные двигатели.

Новый двигатель Variable Compression-Turbo (VC-T) способен при необходимости изменять степень сжатия газообразной горючей смеси, то есть изменять шаг хода поршней в цилиндрах ДВС. Этот параметр обычно является фиксированным. Судя по всему, VC-T станет первым в мире ДВС с изменяемой степенью сжатия смеси.

Степень сжатия — отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке (полный объём цилиндра) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке, то есть к объёму камеры сгорания.

Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность и увеличивает КПД двигателя, то есть способствует снижению расхода топлива.

В обычных бензиновых двигателях степень сжатия обычно составляет от 8:1 до 10:1, а в спортивных машинах и гоночных болидах может достигать 12:1 или больше. При повышении степени сжатия двигатель нуждается в топливе с бóльшим октановым числом.

Двигатель VC-T. Изображение: Nissan

На иллюстрации показана разница в шаге поршней на разной степени сжатия: 14:1 (слева) и 8:1 (справа). В частности, демонстрируется механизм изменения степени сжатия от 14:1 к 8:1. Он происходит таким образом.

В случае необходимости изменить степень сжатия активируется модуль Harmonic Drive и сдвигает рычаг актуатора.
Рычаг актуатора поворачивает приводной вал (Control Shaft на схеме).
Когда приводной вал поворачивается, он изменяет угол наклона многорычажной подвески (Multi-link на схеме)
Многорычажная подвеска определяет высоту, на которую каждый поршень способен подняться в своём цилиндре. Таким образом, изменяется степень сжатия. Нижняя мёртвая точка поршня, судя по всему, остаётся прежней.

Изменение степени сжатия в ДВС можно в каком-то смысле сравнить с изменением угла атаки в винтах регулируемого шага — концепции, которая много десятилетий применяется в воздушных и гребных винтах. Изменяемый шаг винта позволяет поддерживать эффективность движителя близкой к оптимальной вне зависимости от скорости движения носителя в потоке.

Двигатель Saab Variable Compression (SVC). Фото: Reedhawk

Двигатель VC-T обещают вывести на рынок в 2017 году с автомобилями марки Infiniti QX50. Официальная презентация назначена на 29 сентября на Парижском автосалоне. Этот двухлитровый четырёхцилиндровый двигатель будет обладать примерно такой же мощностью и крутящим моментом, что и 3,5-литровый двигатель V6, место которого займёт, но обеспечит экономию топлива 27%, по сравнению с ним.

Инженеры Nissan говорят также, что VC-T будет дешевле, чем современные продвинутые дизельные двигатели с турбонаддувом, и будет полностью соответствовать современным нормам на выбросы оксида азота и других выхлопных газов — такие правила действуют в Евросоюзе и некоторых других странах.

После Infiniti новыми двигателями планируется оснащать другие автомобили Nissan и, возможно, партнёрской компании Renault.

Двигатель VC-T. Изображение: Nissan

Можно предположить, что усложнённая конструкция ДВС в первое время вряд ли будет отличаться надёжностью. Есть смысл выждать несколько лет, прежде чем покупать автомобиль с двигателем VC-T, если только вы не хотите участвовать в тестировании экспериментальной технологии.

Читайте также: