Двигатель с изменяемой степенью сжатия: принцип работы и особенности

Двигатель с изменяемой степенью сжатия: принцип работы и особенности

Двигатель Nissan 2.0 VC-T: переменная степень сжатия по рецепту. НАМИ!

Будет ли серийный кроссовер Infiniti QX50 нового поколения похож на концепт-кар QX Sport Inspiration? Теперь это не столь важно: свое место в энциклопедиях Infiniti займет как первый автомобиль, оснащенный серийным двигателем с переменной степенью сжатия. Спроектированным по рецепту. НАМИ!

Таким концепт-кар Infiniti QX Sport Inspiration был показан этой весной на автосалоне в Пекине, серийный QX50 унаследует многие его черты

На обычную рядную «четверку» мотор 2.0 VC-T (Variable Compression Turbo) похож лишь «до пояса», а ниже у него хитроумный рычажный механизм. Шатун каждого цилиндра соединен с коленвалом не напрямую, а через подвижное коромысло — траверсу, которая своим противоположным концом связана с тягой электроактуатора. Перемещение этой тяги меняет наклон траверсы и, соответственно, расстояние между поршнем и шатунной шейкой коленвала, варьируя положение верхней мертвой точки (ВМТ).

Что это дает? Чем выше поднимается поршень, тем меньше объем камеры сгорания над ним. Топливовоздушная смесь сжимается сильнее, а сгорая и расширяясь, совершает бо́льшую работу. Соотношение между объемом камеры сгорания и полным объемом цилиндра как раз и есть степень сжатия. Чем она выше, тем больше теоретически достижимая эффективность сгорания топ­лива. Однако попутно растет и риск возникновения взрывного сгорания, то есть детонации, — особенно при высоких нагрузках. Именно поэтому применение наддува заставляет не повышать, а наоборот, понижать степень сжатия.

Новый турбомотор 2.0 VC-T при крайнем верхнем положении траверсы способен достигать очень высокой степени сжатия 14,0:1 — как у атмосферных «четверок» Skyactiv компании Mazda. Но если маздовские моторы так работают во всех режимах, то двигатель Nissan — только на малых оборотах при небольших нагрузках. При их увеличении механизм переходит в промежуточные положения, понижая степень сжатия, а на высоких оборотах или под полным дросселем автоматика сдвигает ВМТ вниз — и степень сжатия падает до минимума: 8,0:1.

Мотор 2.0 VC-T ­немного крупнее и тяжелее обычных турбочетверок, но существенно компакт­нее двигателей V6, которые он должен заменить

Интересно, что двигатель по неофициальной информации выдает примерно 270 л.с. и 390 Нм крутящего момента — то есть форсирован на уровне обычных двухлитровых турбомоторов «заряженных» машин. Куда важнее, что агрегат 2.0 VC-T сулит сокращение расхода топлива на 27% по сравнению с атмосферной «шестеркой» Nissan 3.5 серии VQ, — которую, судя по всему, и призван заменить. А еще мотористы компании Nissan уверяют, что такие двигатели с изменяемой степенью сжатия станут альтернативой дизелям: ведь при схожей экономичности они требуют менее сложных систем очистки выхлопа и легче впишутся в строгие экологические нормативы.

Почему же раньше японцев никто не довел такие двигатели до серийного воплощения на легковушках? Ведь впервые эту идею еще в 20-х годах прошлого века предложил британский инженер Гарри Рикардо. Полвека назад в Америке выпускали «переменный» танковый дизель Continental AVCR-1100, а в конце 90-х аналогичные исследования вели Daimler, Volvo, Audi, Porsche, Honda, Ford, Suzuki, Peugeot и Citroen, Lotus, российский институт НАМИ, немецкая компания FEV.

Но за это время не появилось даже единого мнения, какой механизм считать наиболее эффективным. Вариант с раздвижными поршнями (как на дизеле AVCR-1100) грозит сложнос­тями со смазкой и не позволяет точно контролировать степень сжатия. Телескопичес­кие шатуны или щеки коленвала снижают надежность. Вспомогательные поршни, которые открывают дополнительные полости в стенках камеры сгорания, варьируя ее объем, ставят под угрозу герметичность. Эксцент­рики в нижних или верхних головках шатунов осложняют индивидуальное управление цилиндрами, а смещение коленвала относительно всего блока цилиндров требует еще и «переходников» в трансмиссии.

В ниссановском двигателе траверса (а) вращается вместе с коленвалом, а дополнительная система рычагов (б) с приводом от электроактуатора (в) контролирует ее наклон. Когда необходим переход на высокую степень сжатия, актуатор поворачивается по часовой стрелке, меняя положение эксцентрикового вала, который в свою очередь опускает правое плечо траверсы, а та своим противоположным плечом смещает поршень (г) и шатун вверх. При переходе на низкую степень сжатия механизм работает в обратной последовательности — и ВМТ уходит вниз

Ну а Saab 16 лет назад даже приглашал журналистов на тесты компрессорной «пятерки» 1.6 SVC (АР №21, 2000) с наклонным моноблоком, который смещался относительно коленвала. Мотор получился темпераментным (225 л.с.), но шумным и капризным на низах. А главное — дорогим и сложным. Поэтому до конвейера дело тоже не дошло.

Под конец 2000-х надежды подавал еще и французский двигатель ­MCE-5 для автомобилей Peugeot и Citroen: в нем поршень с «шатуном» были монолитны и толкали кривошип через зубчатую передачу и коромысло, положение которого корректировал сервопривод. Но все достоинства этого механизма нивелировала невозможность унифицировать такой мотор с традиционными двигателями.

А схему с траверсой и управляющей тягой, которую собирается применить Nissan, в конце 80-х запатентовали в. советском институте НАМИ! Самый же ранний патент компании Nissan датирован 2001 годом — и описывает очень похожий механизм, хотя и переосмысленный: с иной геометрией расположения элементов и нижним креплением управляющего рычага.

В саабовском двигателе SVC эксцент­риковый вал приподнимал или опускал опоры одной из сторон моноблока, в который были объединены блок цилиндров и его головка. Объем камеры сгорания менялся, но попутно менялось и положение верхней части двигателя под капотом, что требовало доработки впускной и выпускной систем. Интересно, что Saab тоже предлагал изменять степень сжатия в диапазоне от 8,0:1 до 14,0:1, однако при самой высокой степени мотор работал как атмосферник: муфта отключала привод компрессора

Кстати, еще раньше на работы ­НАМИ обратил внимание концерн Daimler: в 2002—2003 годах из России в Штутгарт были отправлены три «траверсных» мотора на основе мерседесовского дизеля OM611 (2,15 л) и бензиновой двухлитровой «четверки» М111. Российский механизм позволял менять степень сжатия в пределах от 7,5:1 до 14,0:1, но очень скоро Daimler и НАМИ обнаружили, что выгода от него весьма эфемерна: эффективность повышалась на 20% при переходе от минимальной степени сжатия к обычной (10,0:1), а дальнейшее повышение до 14,0:1 давало всего 3,5% выигрыша.

Почему же Nissan с оптимизмом смот­рит на серийную перспективу? Несмотря на сложность нового кривошипно-шатунного механизма с возросшими потерями на трение, на прибавку лишних десяти килограммов и на ограничения по унификации, в производство двигатели 2.0 VC-T должны пойти в конце 2017 года. Возможно, потому, что надежда на гибриды не оправдалась: в Америке за этот год продано всего 2,5 тысячи гибридомобилей Nissan и Infiniti. Делать ставку на дизели после скандала с концерном Volkswagen тоже не вариант. А «переменный» мотор поможет не только отказаться от закупки двухлитровых турбочетверок у концерна Daimler, но и прибавит козырей по части имиджевой рекламы. Ведь таких агрегатов действительно не делает никто в мире!

Кстати, мотор с переменной степенью сжатия как нельзя лучше подходит для ездового цикла по измерению расхода топлива. И это тоже козырь.

Как работает двигатель с изменяемой степенью сжатия

В теории все довольно просто, однако реализовать идею на практике оказалось не так уж легко.

Идея создания бензинового мотора, где степень сжатия в цилиндрах была бы величиной непостоянной, не нова. Так, при разгоне, когда требуется наибольшая отдача двигателя, можно на несколько секунд пожертвовать его экономичностью, уменьшив степень сжатия, — это позволит предотвратить детонацию, самопроизвольное возгорание топливной смеси, которое может возникнуть при высоких нагрузках.

При равномерном движении степень сжатия, напротив, желательно повысить, чтобы добиться более эффективного сгорания топливной смеси и снижения расхода горючего — в этом случае нагрузка на мотор невелика и опасность возникновения детонации минимальна.

Читать еще:  Коробка dsg или powershift: особенности, отличия плюсы и минусы

Японские конструкторы стали первыми, кто сумел довести замысел до серийного образца.

Суть разработанной корпорацией Nissan технологии в том, чтобы, в зависимости от требуемой отдачи мотора, непрерывно изменять максимальную высоту подъема поршней (так называемую верхнюю мертвую точку — ВМТ), что в свою очередь приводит к уменьшению или росту степени сжатия в цилиндрах. Ключевой деталью этой системы является особое крепление шатунов, которые соединяются с коленчатым валом через подвижный блок коромысел. Блок в свою очередь связан с эксцентриковым управляющим валом и электромотором, который по команде электроники приводит этот хитрый механизм в движение, меняя наклон коромысел и положение ВМТ поршней во всех четырех цилиндрах одновременно.

В результате при разгоне степень сжатия уменьшается до 8:1, после чего мотор переходит в экономичный режим работы со степенью сжатия 14:1. Его рабочий объем при этом меняется от 1997 до 1970 см3. «Турбочетверка» развивает мощность 268 л. с. и крутящий момент в 380 Нм — ощутимо больше, чем 2,5‑литровый V6 предшественника (его показатели — 222 л. с. и 252 Нм), расходуя при этом на треть меньше бензина. Кроме того, VC-Turbo на 18 кг легче атмосферной «шестерки», занимает меньше места под капотом и достигает максимума крутящего момента в зоне более низких оборотов.

Кстати, система регулировки степени сжатия не только повышает эффективность работы мотора, но и снижает уровень вибраций. Благодаря коромыслам шатуны при рабочем ходе поршней занимают почти вертикальное положение, в то время как у обычных двигателей они ходят из стороны в сторону (из-за чего шатуны и получили свое название). В результате даже без уравновешивающих валов этот 4‑цилиндровый агрегат работает так же тихо и плавно, как V6.Но изменяемое положение ВМТ при помощи сложной системы рычагов — не единственная особенность нового мотора. Меняя степень сжатия, этот агрегат также способен переключаться между двумя рабочими циклам: классическим Отто, по которому функционирует основная масса бензиновых двигателей, и циклом Аткинсона, встречающимся в основном у гибридов. В последнем случае (при высокой степени сжатия) из-за большего хода поршней рабочая смесь сильнее расширяется, сгорая с большей эффективностью, в результате растет КПД и снижается расход бензина.

Помимо двух рабочих циклов, этот мотор также использует две системы впрыска: классический распределенный MPI и непосредственный GDI, который повышает эффективность сгорания топлива и позволяет избежать детонации при высоких степенях сжатия. Обе системы работают попеременно, а при высоких нагрузках — одновременно. Положительный вклад в повышение КПД двигателя вносит и особое покрытие стенок цилиндров, которое наносится методом плазменного напыления, а затем закаливается и хонингуется. В результате получается ультрагладкая «зеркальная» поверхность, на 44 % уменьшающая трение поршневых колец.

Еще одна уникальная особенность мотора VC-Turbo — это интегрированная в его верхнюю опору система активного подавления вибраций Active Torque Road, основой которой является возвратно-поступательный актуатор. Эта система управляется датчиком ускорений, фиксирующим колебания двигателя и в ответ генерирует гасящие вибрации в противофазе. Активные опоры в Infiniti впервые использовали в 1998 году на дизельном моторе, но та система оказалась слишком громоздкой, поэтому не получила распространения. Проект пролежал под сукном до 2009 года, пока японские инженеры не взялись за его усовершенствование. На то, чтобы решить проблему избыточного веса и размеров гасителя колебаний, ушло еще 8 лет. Но результат впечатляет: благодаря ATR 4‑цилиндровый агрегат нового Infiniti QX50 работает на 9 дБ тише, чем V6 его предшественника!

Двигатель SAAB с изменяемой степенью сжатия

За более чем столетний жизненный путь двигатель внутреннего сгорания (ДВС) настолько преобразился, что от родоначальника остался только принцип действия. Почти все этапы модернизации были направлены на повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя. Показатель КПД можно назвать универсальным. В нем скрыты многие характеристики – расход топлива, мощность, крутящий момент, состав выхлопных газов и т.д. Широкое применение новых технических идей – впрыск топлива, электронные системы зажигания и управления двигателем, 4, 5 и даже 6 клапанов на цилиндр – сыграло положительную роль в повышении КПД двигателей.

Тем не менее, как показал Женевский автосалон, до завершения процесса модернизации ДВС еще далеко. На этом популярном международном автошоу компания SAAB представила результат своего 15-летнего труда – опытный образец нового двигателя с изменяемой степенью сжатия – SAAB Variable Compression (SVC), ставший сенсацией в мире моторов.

Технология SVC и ряд других передовых и нетрадиционных с точки зрения существующих понятий о ДВС технических решений позволили снабдить новинку фантастическими характеристиками. Так, пятицилиндровый двигатель объемом всего 1,6 л, созданный для обычных серийных машин, развивает немыслимую мощность 225 л.с. и крутящий момент 305 Нм. Превосходными оказались и другие, особенно важные сегодня, характеристики – расход топлива при средних нагрузках снижен на целых 30%, на столько же уменьшен показатель выбросов СО2. Что касается СО, СН и NОx и т.д., то они, по утверждению создателей, соответствуют всем существующим и планируемым на ближайшее будущее нормам токсичности. В дополнение к этому переменная степень сжатия дает двигателю SVC возможность работать на различных марках бензина – от А-76 до Аи-98 – практически без ухудшения характеристик и исключая появление детонации.

Безусловно, существенная заслуга таких характеристик – в технологии SVC, т.е. в возможности изменять степень сжатия. Но перед тем, как познакомиться с устройством механизма, позволившим изменять эту величину, вспомним некоторые истины из теории конструкции ДВС.

Степень сжатия

Степень сжатия – это отношение суммы объемов цилиндра и камеры сгорания к объему камеры сгорания. С увеличением степени сжатия в камере сгорания повышаются давление и температура, что создает более благоприятные условия для воспламенения и сгорания горючей смеси и повышает эффективность использования энергии топлива, т.е. КПД. Чем степень сжатия выше, тем КПД больше.

Проблем с созданием бензиновых моторов с высокой степенью сжатия нет и не было. А не делают их по следующей причине. При такте сжатия у таких двигателей давление в цилиндрах повышается до очень больших величин. Это, естественно, вызывает повышение температуры в камере сгорания и создает благоприятные условия для появления детонации. А детонация, как мы знаем (см. стр. 26) – явление опасное. Во всех созданных до этого времени двигателях степень сжатия была постоянной и определялась в зависимости от давления и температурного режима в камере сгорания при максимальной нагрузке, когда расход топлива и воздуха максимальны. Работает двигатель в таком режиме не всегда, можно сказать, даже очень редко. На трассе или в городе, когда скорость практически постоянна, мотор работает при малых или средних нагрузках. В такой ситуации для более эффективного использования энергии топлива неплохо бы иметь и большую степень сжатия. Эту проблему решили инженеры SAAB – создатели технологии SVC.

Технология SVC

Прежде всего необходимо отметить, что в новом двигателе вместо традиционной головки блока и гильз цилиндров, которые отливались непосредственно в блоке или запрессовывались, имеется одна моноголовка, объединившая головку блока и гильзы цилиндров. Для изменения степени сжатия, а точнее, объема камеры сгорания моноголовка сделана подвижной. С одной стороны она посажена на вал, выполняющий функцию опоры, а с другой – опирается и приводится в движение отдельным кривошипно-шатунным механизмом. Радиус кривошипа обеспечивает смещение головки относительно вертикальной оси на 40. Этого вполне достаточно, чтобы изменять объем камеры для получения степени сжатия от 8:1 до 14:1.

Необходимую степень сжатия определяет электронная система управления двигателем SAAB Trionic, которая следит за нагрузкой, скоростью, качеством топлива и на основании этого управляет гидроприводом кривошипа. Так, при максимальной нагрузке устанавливается степень сжатия 8:1, а при минимальной – 14:1. Объединение гильз цилиндров с их головкой, кроме всего прочего позволило инженерам SAAB придать каналам рубашки охлаждения более совершенную форму, что повысило эффективность процесса отвода тепла от стенок камеры сгорания и гильз цилиндров.

Читать еще:  Замена выпускного коллектора ваз 2110

Подвижность гильз цилиндров и их головки потребовали внесения изменений в конструкцию блока двигателя. Плоскость стыка блока и головки стала ниже на 20 см. Что касается герметичности стыка, то она обеспечивается резиновой гофрированной прокладкой, которая сверху защищена от повреждений металлическим кожухом.

Мал, да удал

Для многих может стать непонятным, как в двигатель с таким небольшим объемом «зарядили» больше двухсот «лошадей» – ведь такая мощность может отрицательно сказаться на его ресурсе. Создавая двигатель SVC, инженеры руководствовались совсем другими задачами. Доведение моторесурса до требуемых норм – дело технологов. Что касается малого объема двигателя, то сделано в полном соответствии с теорией ДВС. Исходя из ее законов наиболее благоприятный режим работы двигателя с точки зрения повышения КПД – при большой нагрузке (на повышенных оборотах), когда дроссельная заслонка полностью открыта. В этом случае он максимально использует энергию топлива. А так как двигатели с меньшим рабочим объемом работают в основном при максимальных нагрузках, то и КПД у них выше.

Секрет превосходства малолитражных двигателей по показателю КПД объясняется отсутствием так называемых насосных потерь. Возникают они при небольших нагрузках, когда двигатель работает на малых оборотах и дроссельная заслонка лишь немного приоткрыта. В этом случае при такте впуска в цилиндрах создается большое разряжение – вакуум, оказывающий сопротивление движению поршня вниз и соответственно снижающий КПД. При полностью открытой дроссельной заслонке таких потерь нет, так как воздух поступает в цилиндры практически беспрепятственно.

Чтобы избежать насосных потерь на все 100%, в новом двигателе инженеры SAAB также использовали «наддув» воздуха под высоким давлением – 2,8 атм., с помощью механического нагнетателя – компрессора. Предпочтение компрессору было отдано по нескольким причинам: во-первых, ни один турбонагнетатель не способен создать такое давление наддува; во-вторых, реакция компрессора на изменение нагрузки практически мгновенная, т.е. нет замедления, характерного для турбонаддува. Наполнение цилиндров свежим зарядом в двигателе SAAB улучшили и с помощью популярного сегодня современного газораспределительного механизма, в котором на каждый цилиндр приходится по четыре клапана, и благодаря применению промежуточного охладителя воздуха (Intercooler).

Опытный образец двигателя SVC, по оценке немецкой компании по разработке моторов FEV Motorentechnie в Aachen, является вполне работоспособным. Но несмотря на положительную оценку, в серийное производство он будет запущен спустя некоторое время – после его доработки и доводки под запросы покупателей.

MCE-5 меняет степень сжатия

«Изменяемая степень сжатия» – технология, которая обеспечит будущее бензиновому двигателю еще лет на 30–50, а по характеристикам позволит ему значительно опередить дизельные моторы. Когда же появятся эти агрегаты и чем они лучше уже существующих?

Впервые мотор с изменяемой степенью сжатия засветился на Женевском автосалоне в 2000 году (см. «АЦ» № 14’2000). Тогда его представила компания Saab. Самый высокотехнологичный на то время двигатель Saab Variable Compression (SVC) с пятью цилиндрами имел рабочий объем 1,6 л, но развивал немыслимую для такого литража мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм. Превосходными оказались и другие характеристики – расход топлива при средних нагрузках снизился на целых 30%, на столько же уменьшился показатель выбросов СО2. Что касается СО, СН, NОx и т. д., то они, по утверждению создателей, соответствуют всем существующим и планируемым на ближайшее будущее нормам токсичности. К тому же изменяемая степень сжатия дала возможность этому мотору работать на различных марках бензина – от А-76 до А-98 – практически без ухудшения характеристик и без детонации. Несколько месяцев спустя подобный силовой агрегат представила и компания FEV Motorentechnik. Это был 1,8-литровый двигатель Audi A6, в котором показатель расхода топлива снизили на 27%.

Однако из-за сложности конструкции эти моторы в то время так и не пошли в серию, а с целью повышения коэффициента полезного действия (КПД) двигатель внутреннего сгорания усовершенствовали путем внедрения непосредственного впрыска топлива, изменяемой геометрии впускного тракта, интеллектуальных турбонаддувов и т. д. Параллельно велась активная работа над созданием гибридных силовых установок, электромобилей, развитием водородных топливных ячеек и новых способов хранения водорода. Тем не менее, потенциал, заложенный в моторы с изменяемой степенью сжатия, не давал покоя многим инженерам. В результате появилось множество механизмов реализации этой идеи «в металле».

Наиболее близким к ее осуществлению сегодня является французский проект двигателя MCE-5, который стартовал еще в 1997 году. Родившаяся тогда концепция имела массу недостатков, устранять которые пришлось почти десять лет. В этом году данный мотор презентовали «в металле», как и саабовский в 2000-м на Женевском автосалоне.

овинка с четырьмя цилиндрами имеет объем 1,5 л и выдает при этом максимальную мощность 160 кВт (218 л. с.) и крутящий момент 300 Нм. Помимо изменяемой степени сжатия, двигатель оснащен непосредственным впрыском, системой изменения фаз газораспределения и укладывается во все перспективные экологические нормы.

Как изменяют степень сжатия

В MCE-5 диапазон контроля степени сжатия находится в пределах 7–18 (7:1–18:1). Более того, контроль и изменение степени сжатия происходит индивидуально в каждом цилиндре.

Механизм этот довольно сложный. Главная деталь – двухсторонняя урезанная шестерня-сектор, серединой посаженная на укороченный шатун кривошипно-шатунного механизма (КШМ). В свою очередь, шестерня-сектор с одной стороны входит в зацепление с шатуном поршня, а с другой – с шатуном механизма изменения объема камеры сгорания. Принцип работы этой конструкции очень прост – шестерня-сектор на оси шатуна является своего рода коромыслом. И если это коромысло наклонять в одну или другую сторону, у поршня будет меняться положение верхней мертвой точки (ВМТ), а соответственно, и объем камеры сгорания. А так как величина хода поршня постоянная, изменяется степень сжатия (отношение объема цилиндров к объему камеры сгорания). За наклон коромысла отвечает гидромеханическая конструкция, которой управляет электроника. Она также состоит из поршня с шатуном, нижний конец которого входит в зацепление с коромыслом (шестерней-сектором) с другой стороны. Объем над и под этим поршнем соединен с системой смазки, а в самом поршне, названном масляным, есть специальный клапан, пропускающий масло из верхней части в нижнюю. Управляют им с помощью эксцентрикового вала, который при содействии червячной передачи приводит в движение электромотор системы Valvetronic (BMW). Для изменения степени сжатия от 7 до 18 требуется менее 100 миллисекунд.

Объем камеры сгорания корректируется по принципу изменения пропускной способности масляных клапанов. При их открытии масляный поршень уходит вверх и камера сгорания увеличивается.

Ресурс – надежность

Конструктивно новый мотор стал сложнее. По теории вероятности, его надежность должна снизиться, однако создатели отрицают это. Они утверждают, что доводили двигатель очень долго и все хорошо рассчитали и проверили. Ресурс этого агрегата увеличится, так как на поршень уже не будут действовать боковые и ударные нагрузки, происходящие у классического ДВС из-за шатуна, ось которого располагается под углом к оси поршня (кроме ВМТ и НМТ). В новом моторе усилие поршня и жестко «привязанного» к нему шатуна передается только в вертикальной плоскости, соответственно, давление на стенки цилиндров небольшое, поэтому трущиеся поверхности этих деталей изнашиваются значительно меньше. Когда приходит вечер, то невольно задумываешься от куда скачать хорошее порно и какое будет в этот раз. Выбор всегда идёт в сторону русского порно, ведь это близко каждому из нас своим колоритом, а также женщинам, которые каждый раз удивляют. Я это скачал тут . Русское порно видео действительно лучшее в своём жанре. Никакие американские студии с профессиональной техникой, а также наученными актрисами не смогут показать всё то, что могут милые русские девушки, которые с радостью предоставляют свои дырочки. Такие особенности конструкции двигателя также обеспечили снижение шумности его работы. А кроме того, значительно тише стала работать поршневая группа и снизились потери энергии на трение – это еще плюс несколько процентов в пользу КПД мотора.

Другие способы изменения объема камеры сгорания:

SAAB Variable Compression

Конструктивная особенность работы первого заявленного мотора с изменяемой степенью сжатия – головка 1 и верхняя часть блока 2 цилиндров были подвижными и с помощью специального кривошипа 3 перемещались вверх-вниз относительно коленвала 4 с неподвижной осью и нижней части блока цилиндров.

Зачем менять степень сжатия

В классическом бензиновом ДВС на разных режимах работы в цилиндры подается неодинаковое количество воздуха. Соответственно, в конце такта сжатия давление существенно отличается. Повышенное (при максимальных оборотах коленвала и больших нагрузках, когда дроссельная заслонка полностью открыта) может стать источником детонационного сгорания, результат – перегрев и повышенные нагрузки на детали цилиндро-поршневой группы. Чтобы избежать этого, камеры сгорания всех моторов делают объемными – с небольшим запасом, из расчета исключения повышенного давления в критичных режимах. Но двигатели в основном работают в режиме частичных нагрузок, когда давление в конце такта сжатия меньше, чем максимально возможное. Соответственно, не используется часть давления, «потерянная» из-за большей (на данных режимах) камеры сгорания. А чтобы этого не было, нужно изменять объем камеры сгорания, т. е. степень сжатия, в зависимости от режима работы двигателя. Это, собственно, и есть ответ на вопрос, почему моторы с изменяемой степенью сжатия имеют лучшие характеристики и столь перспективны.

Юрий Дацык
Фото МСЕ

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Двигатели с переменной степенью сжатия

Двигатели с переменной степенью сжатия.

Развитие двигателей и улучшение их мощностных и экономических показателей связано с повышением степени сжатия. Однако для бензиновых двигателей величина степени сжатия ограничивается появлением аномальных процессов сгорания. Одним из наиболее опасных его видов является калильное зажигание. Особенно опасно движение с калильным зажиганием при использовании наддува, как с механическим приводом нагнетателя, так и при турбонаддуве. Увеличение температуры и давления заряда в цилиндре даже при высокооктановом бензине способствует перегреву поверхности камеры сгорания и преждевременному неуправляемому воспламенению смеси еще до появления искры. Обычно воспламенение происходит от электродов свечи или ее изолятора. При этом датчик детонации, как правило, не может четко фиксировать момент начала калильного зажигания, а применение слишком «холодных» свечей может привести к появлению нагара и шунтирования при длительной работе на режимах малых нагрузок, например в условиях городского движения.

Но гораздо чаще мы сталкиваемся с другим видом аномального сгорания — детонацией. Это сгорание с высокими скоростями (до 2000 м/с) остаточной части топливовоздушного заряда в зоне наиболее удаленной от свечи. Сгорание сопровождается металлическими стуками, иногда неправильно называемыми “стуком поршневых пальцев”. При длительной работе с детонацией перегревается двигатель, начинается эрозия стенок камеры сгорания, ломаются перемычки канавок поршневых колец. Все эти явления особенно усугубляются при использовании наддува. Датчик детонации, автоматически устанавливающий более поздние углы опережения зажигания при появлении детонации, полностью проблемы не решает, т.к. при стишком поздних углах опережения зажигания повышается температура отработавших газов, начинается прогар выпускных клапанов, может даже треснуть коллектор и т.п. Поэтому большинство бензиновых двигателей с наддувом, даже при эффективной системе охлаждения наддувочного воздуха, имеют значительно меньшую степень сжатия (примерно на целую единицу при прочих равных условиях). В результате на основных эксплуатационных режимах (при движении по ровной дороге с постоянной скоростью, когда нагрузка не превышает 2/3 от полной) из-за низкой степени сжатия увеличение расхода топлива иногда доходит до 10-20%. Но на частичных нагрузках, когда давление и температура заряда в цилиндре снижаются, аномальных процессов можно не опасаться. Казалось бы, на этих режимах следовало поднять и степень сжатия. Давней мечтой двигателистов было создание устройства для изменения степени сжатия на ходу. Для автомобильных двигателей, работающих значительную часть времени на резко переменных нагрузках, основной проблемой является возможность изменять степень сжатия за доли секунды, например при переходе от режима холостого хода к полной нагрузке, особенно во время разгона автомобиля на низших передачах. Важной проблемой при создании двигателя с переменной степенью сжатия является также и постоянное ужесточение требований к выбросу оксидов азота, увеличивающихся при высоких температурах и давлении в процессе сгорания. Но использование для серийных двигателей трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов и микропроцессорных систем управления двигателем, включая управление зажиганием и механизмом изменения степени сжатия, позволяет решать эти проблемы. Дополнительным поводом повышенного интереса к созданию двигателя с переменной степенью сжатия с целью улучшения топливной экономичности, является особое внимание, уделяемое последнее время к количеству выброса С02, связанное с парниковым эффектом во всем мире. А для его снижения необходимо уменьшать расход топлива. Одновременно целесообразность оптимизации степени сжатия на различных режимах определяется все возрастающими требованиями к выбросу СО, СН и особенно оксидов азота.

Существует много оригинальных решений регулирования степени сжатия. Одним из них являлось выполнение дополнительной камеры в головке блока с клапаном, отключающим ее от основной камеры сгорания при переходе на частичные нагрузки. Основным недостатком данного решения является увеличение поверхности камеры сгорания и, соответственно, повышенным потерям в охлаждающую среду, перегрев клапана, газодинамические потери.

Аналогичным решением стало установка в головке цилиндров дополнительного поршня с гидроприводом, при перемещении которого изменялся объем камеры сгорания.

Изменение длинны шатуна

Другим направлением было изменение геометрии крейцкопфного кривошипно-шатунного механизма путем отклонения направляющего штока, или создание других вариантов кривошипно-шатунного механизма, позволяющих менять расположение поршня относительно головки цилиндра.

Оригинальным решением было применение составного телескопического поршня с гидроприводом, автоматически перемещающего днище поршня в зависимости от среднего давления в цилиндре: при увеличении наполнения, а следовательно, и давления газа в цилиндре, масло из рабочей полости выдавливается, днище утапливается в поршень и объем камеры сгорания увеличивается. Но эти двигатели в серийном производстве так и не появились из-за существенного усложнения конструкции. Кроме того, на изменение степени сжатия требовалось слишком много времени.

Реальное решение для изменения степени сжатия было применено на двигателях для определения октанового чиста топлива. Это достигалось перемещением цилиндра с головкой цилиндра относительно коленчатого вала. Однако для этих двигателей время на изменение степени сжатия не имеет решающего значения.

Для современного автомобиля оригинальная конструкция двигателя с переменной степенью сжатия с использованием этого же принципа была разработана фирмой Saab известной многими смелыми прогрессивными решениями. Это особенно важно в связи с тем, что рядный 5-ти цилиндровый длинноходный двигатель 1,6 л (S/D=88/68MM) был оборудован объемным нагнетателем с механическим приводом, обеспечивающим давление наддува до 2,8 бар. Опоры коленчатого вала размещены в картере. Моноблок цилиндров выполнен заодно с головкой, в которой расположены клапаны и распределительные валы. Картер и моноблок имеют общую ось. Эксцентриковый механизм с шатуном по сигналу электронного блока управления поворачивает моноблок относительно картера в пределах 40градусов, при этом степень сжатия меняется от 8 (при работе с нагнетателем) до 14 (на режимах малых нагрузок). Двигатель развивает 165 кВт при 6000 об/мин (140 л.с.), максимальный крутящий момент — 305 Нм при 4000 об/мин. Такие мощностных показатели соответствуют обычному двигателю с рабочим объемом 3 л.

1. соединительный рычаг
2. шестерня синхронизации
3. стойка поршня
4. рабочий поршень
5. выпускной клапан
6. головка блока цилиндров
7. впускной клапан
8. поршень управления
9. блок цилиндров
10. стойка поршня управления
11. зубчатый сектор
12. коленчатый вал

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector