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 , 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 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 ". При длительной работе с детонацией перегревается двигатель, начинается эрозия стенок , ломаются перемычки . 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.
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 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
Подробная информация о первом в мире бензиновом серийном двигателе с изменяемой степенью сжатия. Ему предсказывают большое будущее и говорят, что разработанная Инфинити технология станет большой угрозой для существования дизельных моторов.
Бензиновый поршневой двигатель, который может динамически изменять степень сжатия*, то есть величину, на которую поршень сжимает топливовоздушную смесь в цилиндре, давняя мечта многих поколений инженеров, разрабатывавших двигатели внутреннего сгорания. Некоторые автомобильные марки были как никогда близки к разгадке теории, были сделаны даже образцы таких моторов, например, успехов в этом достиг Saab.
Возможно у шведского автопроизводителя сложилась бы совершенно иная судьба, если бы в январе 2000 года Saab не был окончательно приобретен корпорацией General Motors. К сожалению, для заокеанского хозяина были не интересны подобные разработки и дело было приостановлено.
*Степень сжатия- объём камеры сгорания в момент, когда поршень находится в нижней мертвой точке, к объему, когда он подминается к верхней мертвой точке. Иными словами, это показатель сжатия поршнем воздушно-топливной смеси в цилиндре
Основной соперник был сломлен и Nissan, как второй потенциальный разработчик инновационной системы с изменяемым коэффициентом сжатия, продолжил путь в гордом одиночестве. 20 лет кропотливого труда, расчетов и моделирования не прошли даром, люксовое подразделение японской компании известное под брендом Infiniti представило окончательную разработку двигателя с изменяемой степенью сжатия который мы увидим под капотом модели . Станет ли ее разработка лебединой песней всех дизельных двигателей? Вопрос интересный.
2.0 литровый четырехцилиндровый турбированный силовой агрегат (расчетная мощность 270 л.с. и 390 Нм крутящего момента) получил наименование VC-T (Variable Compression-Turbocharged). Уже в названии отражены принцип его работы и технические данные. Система VC-T способна плавно и непрерывно динамически изменять степень сжатия от показателя 8:1 до 14:1.
Общий принцип действия системы двигателя VC-T можно описать следующим образом:
Это схематичное простое описание принципа работы системы. На самом деле конечно же все гораздо сложнее.
Действительно силовые агрегаты с низкой степенью сжатия не могут обладать высокой производительностью. Все мощные двигатели, в особенности у гоночных машин, как правило, имеют очень высокую степенью сжатия, у многих болидов она превышает 12:1, и даже доходит до 15:1 у двигателей работающих на метаноле. Тем не менее такая высокая степень сжатия также способна сделать моторы более эффективными и экономичным. Это наводит на логичный вопрос, почему бы не делать двигатели, которые бы всегда обладали высокой степенью сжатия воздушно-топливной смеси? Зачем городить огород со сложными системами привода поршней?
Главная причина невозможности использования такой системы при работе на обычном низкооктановом топливе- появление при высокой степени сжатия и высокой нагрузке детонации. Бензин начинает не сгорать, а взрываться. Что понижает выживаемость узлов и агрегатов мотора и снижает его экономичность. По сути у бензинового двигателя происходит тоже самое, что и у мотора, работающего на ДТ, за счет высокого сжатия воспламеняется топливовоздушная смесь, правда происходит это не в нужный момент и это не предусмотрено конструкцией мотора.
В моменты «кризиса» сгорания топливо-воздушной смеси и приходит на помощь изменяемая степень сжатия, которая способна снижаться в моменты пиковой мощности с максимальным нагнетанием давления наддувом турбокомпрессора, что предотвратит мотор от детонации. И наоборот, во время работы на малых оборотах с малым давлением наддува, степень сжатия будет повышаться, увеличивая тем самым крутящий момент и снижая расход топлива.
В дополнение к этому, двигатели оснащаются системой регулируемых фаз газораспределения, что делает возможной работу двигателя по циклу Аткинсона в то время, когда от мотора не требуется отдачи высоких мощностных показателей.
Такие моторы обычно встречаются у гибридных автомобилей, главным для которых является экологичность и малый расход топлива.
Результатом всех проведенных изменений стал двигатель, который способен на 27 процентов увеличить топливную экономичность в сравнении с 3,5-литровым V6 Nissan обладающего примерно так же мощностью и крутящим моментом. По информации Reuters, на пресс-конференции инженеры компании Nissan заявил, что новый двигатель обладает крутящим моментом сопоставимым с показателями современного турбодизеля, и при этом он должен быть дешевле в производстве, чем любой современный турбодизельный мотор.
Вот почему Ниссан делает такую большую ставку на разработанную систему, ведь в его представлении она имеет потенциал, способный частично заменить дизельные двигатели по многим параметрам использования, возможно, включая более дешевые варианты для стран, где бензин является основным видом топлива, примером такой страны может быть и Россия.
Если идея приживется, в будущем наверняка появятся двухцилиндровые бензиновые силовые агрегаты, которые неплохо подойдут . Это может стать одной из веток развития системы.
Гибкость двигателя кажется впечатляющей. Технически такого эффекта удалось добиться при помощи, особого рычага привода воздействующего на вал привода, изменяющего положение многорычажной системы, вращающейся вокруг главного подшипника шатуна. Справа к многорычажной системе крепится еще один рычаг идущий от электродвигателя. Он изменяет положение системы относительно коленчатого вала. Это отражено в патенте и чертежах Infiniti. Шток поршня имеет центральную поворотную многорычажную систему, которая способна изменять свой угол, что приводит к изменению эффективной длины штока поршня, что в свою очередь изменяет длину хода поршня в цилиндре, которое, что в конечном итоге, изменяет степень сжатия.
Двигатель, разработанный для Infiniti даже с первого взгляда, выглядит гораздо более сложным, чем его классический соплеменник. Косвенно догадку подтверждают в самом Ниссан. Они говорят, что экономически оправданно по такой схеме делать четырехцилиндровые моторы, но не более сложные V6 или V8. Стоимость всех систем привода шатунов может оказаться слишком высокой.
С учетом всего вышесказанного эта схема двигателя должна, нет, просто обязана, прижиться на . Такая отдача мощности и экономичность будет непревзойденным бонусом для машин, оборудованных ДВС и электродвигателями.
Двигатель VC-T будет официально представлен 29 сентября на Парижском автосалоне.
P.S.
Так вытеснит ли новый бензиновый двигатель дизельные моторы? Вряд ли. Во-первых, констукция бензинового мотора более сложная, а значит и более прихотливая. Ограничение по объему также ограничивает диапазон применения технологии. Производство дизельного топлива также никто не отменял, куда его девать, если все перейдут на бензин? Выливать? Складировать? И наконец, применение дизельных агрегатов (простой конструкции) отлично подходит для сложных природных условий, чего нельзя сказать о бензиновых ДВС.
Скорее всего уделом новой разработки станут гибридные автомобили и современные малолитражки. Что тоже по-своему немалая часть автомобильного рынка.
Дорогие друзья! До чего только не додумаются люди ради того, чтобы быть свободными в своем выборе. Даже додумались и воплотили в жизнь двигатель с переменной степенью сжатия
Да, именно то, что казалось невозможно изменить после того как прикрутили головку блока. Но нет, оказывается можно, и даже несколькими способами.
В бензиновых двигателях значения степени сжатия в прямую связано с условиями детонации. Оно как правило возникает при нагрузках и зависит от качества бензина.
Двигатели с высоким КПД имеют высокие показатели степени сжатия, как следствие используют топливо с высокооктановым числом, менее подверженное к детонации при максимальных нагрузках.
Для поддержания мощностных характеристик двигателя в бездетонационном режиме логично снижать степень сжатия. Например, при резком разгоне или при движении на подъем, когда цилиндры максимально наполняются топливной смесью, выжимая из него все что он имеет.
Тут бы и немного снизить степень сжатия, чтобы избежать детонацию, не снижая его мощности, которая сильно повышает износ поршневой группы двигателя.
При средних нагрузках, высокий уровень степени сжатия не провоцирует детонацию, степень сжатия высокая, КПД тоже, его мощность остается максимальной, за счет этого естественно повышается его экономичность.
Казалось бы, эту задачу можно решить просто, вдувать топливную смесь под разным давлением в камеру сгорания, по мере надобности.
Но вот незадача, при повышении таким способом степени сжатия, увеличиваются нагрузки на детали двигателя. Решать такие проблемы надо будет увеличением соответствующих деталей, что соответственно скажется на общей массе двигателя. При этом снижается надежность двигателя и соответственно его ресурс.
При переходе на изменяющуюся степень сжатия, процесс наддува можно так организовать, что при снижении степени сжатия, он будет обеспечивать максимально-эффективное давление при любом режиме работы.
При этом нагрузки на детали поршневого отдела двигателя будут не значительно увеличены, что позволит безболезненно форсировать двигатель без значительного увеличения его веса.
Понимая это, изобретатели и призадумались. И выдали. На чертеже ниже представлена самый распространенный вариант изменения степени сжатия.
На средних нагрузках, по средством эксцентрика 3, доп.шатун 4 принимает крайнее правое положение и поднимает диапазон хода поршня 2 в самое верхнее положение. СЖ в таком положении максимальная.
На высоких нагрузках, эксцентрик 3 смещает доп.шатун 4 влево, что смещает шатун 1 с поршнем 2 вниз. При этом зазор над поршнем 2 увеличивается, уменьшая степень сжатия.
Система от SAAB
Первыми воплотили мечту в жизнь инженеры фирмы SAAB и в 2000 году на выставке в Женеве выставили на всеобщее обозрение экспериментальный двигатель с системой Variable Compression.
Этот уникальный двигатель имел мощность в 225 л.с., при объеме 1,6 л., а расход топлива был в вдвое меньшим аналогичного объема. Но самое фантастичное, он мог работать и на бензине, и на спирте, и даже на дизельном топливе.
Изменение рабочего объема двигателя осуществлялось бесшагово. Степень сжатия изменялась при наклоне моноблока (совмещенная головка блока с блоком цилиндров) относительно блока-картера. Отклонение моноблока вверх приводило к уменьшению степени сжатия, отклонение вниз — к увеличению.
Смещение по вертикальной оси на 4 градуса, что позволило иметь сжатия от 8:1 до 14:1. Управление изменением степени сжатия, в зависимости от нагрузки, осуществлялось специальной электронной системой управления по средством гидропривода. При максимальной нагрузке СЖ 8:1, при минимальной 14:1.
Так же в нем применялся механический наддув воздуха, он подключался только при наименьших значениях степени сжатия.
Но не смотря на такие удивительные результаты, двигатель не пошел в серию, и работы по доводке на сегодняшний день свернуты по неизвестной нам причине.
VCR (Variable Compression Ratio)
Французы фирмы MCE-5 Development, для автоконцерна Пежо разработали принципиально новый двигатель VCR, с совершенно оригинальной кинематической схемой кривошипно-шатунного механизма.
МСЕ-5 Development, сделала для концерна «Пежо», тоже двигатель с переменной степенью сжатия VCR. Но в этом решении они применили оригинальную кинематику .
В нем передача движения от шатуна на поршень идет через зуб.сектор 5. Справа опорная зуб.рейка 7, на неё опирается сектор 5, так происходит возвратно-поступательное движение поршня, он соединен с рейкой 4. Рейка 7 соеденина с поршнем 6.
Сигнал поступает с блока управления, и в зависимости от режима работы двигателя, изменяется положение поршня 6, связанного с рейкой 7. Смещается рейка управления 7 вверх или вниз. Она изменяет положение НМТ и ВМТ поршня двигателя, и соответственно СЖ от 7:1 до 20:1. Если нужно, можно изменять положение каждого цилиндра отдельно.
Зубчатая рейка жестко скреплена с управляющим поршнем. В пространство над поршнем подается масло. Давлением масла и регулируется степень сжатия в основном рабочем цилиндре.
Соединительный рычаг 1, шестерня синхронизации 2, стойка поршня 3, рабочий поршень 4, выпускной клапан 5, головка блока цилиндров 6, впускной клапан 7, поршень управления 8, блок цилиндров 9, стойка поршня управления 10, зубчатый сектор 11.
В данное время двигатель дорабатывается и вполне возможно появится в серии.
Еще есть одна разработка от Lotus Cars, это двухтактный двигатель Omnivore (всеядный). Назвали его так, потому что разработчики заявляют, что он тоже может работать на любом топливе.
Конструктивно он представляется так. Вверху цилиндра расположена шайба, управляемая эксцентриковым механизмом. Чем примечательна эта конструкция, она позволяет достигать СЖ до 40:1. Клапанов в этом двигателе нет, потому как двухтактный.
Минус такого двигателя в том, что он весьма прожорлив и не экологичен. На автомобилях в наше время почти не устанавливаются.
На этом пока тема систем с изменяющейся степенью сжатия закрывается. Ждем новых изобретений.
До скорой встречи на страницах блога. Подписывайтесь!
Степень сжатия – важная характеристика двигателя внутреннего сгорания, определяемая отношением объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке (объему камеры сгорания). Повышение степени сжатия создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси и, соответственно, эффективного использования энергии. Вместе с тем, работа двигателя на разных режимах и разных топливах предполагает разную величину степени сжатия. Эти свойства в полной мере используются системой изменения степени сжатия.
Система обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, снижение расхода топлива и вредных выбросов. Основная заслуга системы изменения степени сжатия в способности работы двигателя на разных марках бензина и даже разных топливах без ухудшения характеристик и детонации.
Создание двигателя с переменной степенью сжатия достаточно сложная техническая задача, в решении которой существует несколько подходов, заключающихся в изменении объема камеры сгорания. В настоящее время имеются опытные образцы таких силовых установок.
Пионером в создании двигателя с переменной степенью сжатия является фирма SAAB , представившая в 2000 году пятицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, оборудованный системой Variable Compression . В двигателе использована объединенная головка блока цилиндров с гильзами цилиндров. Объединенный блок с одной стороны закреплен на валу, с другой взаимодействует с кривошипно-шатунным механизмом. КШМ обеспечивает смещение объединенной головки от вертикальной оси на 4°, чем достигается изменение степени сжатия в пределе от 8:1 до 14:1.
Необходимое значение степени сжатия поддерживается системой управления двигателем в зависимости от нагрузки (при максимальной нагрузке – минимальная степень сжатия, при минимальной – максимальная степень сжатия). Несмотря на впечатляющие результаты двигателя по мощности и крутящему моменту, силовая установка не пошла в серию, а работы по ней в настоящее время свернуты.
Более современной разработкой (2010 год) является 4-х цилиндровый двигатель от MCE-5 Development объемом 1,5 л. Помимо системы изменения степени сжатия двигатель оснащен другими прогрессивными системами – непосредственного впрыска и изменения фаз газораспределения .
Конструкция двигателя предусматривает независимое изменение величины хода поршня в каждом цилиндре. Зубчатый сектор, выполняющий роль коромысла, с одной стороны взаимодействует с рабочим поршнем, с другой – с поршнем управления. Коромысло рычагом соединено с коленчатым валом двигателя.
Зубчатый сектор перемещается под действием поршня управления, выполняющего роль гидроцилиндра. Объем над поршнем заполнен маслом, объем которого регулируется клапаном. Перемещение сектора обеспечивает изменение положения верхней мертвой точки поршня, чем достигается изменение объема камеры сгорания. Соответственно изменяется степень сжатия в пределе от 7:1 до 20:1.
Двигатель MCE-5 имеет все шансы попасть в серию в ближайшей перспективе.
Еще дальше в своих исследованиях пошел Lotus Cars , представив двухтактный двигатель Omnivore (дословно – всеядное животное). Как заявлено, двигатель способен работать на любом виде жидкого топлива – бензин, дизельное топливо, этанол, спирт и др.
В верхней части камеры сгорания двигателя выполнена шайба, которая перемещается эксцентриковым механизмом и изменяет объем камеры сгорания. С такой конструкцией достигается рекордная степень сжатия 40:1. Тарельчатые клапаны в газораспределительном механизме двигателя Omnivore не используются.
Дальнейшее развитие системы сдерживает низкая топливная экономичность и экологичность двухтактных двигателей, а также их ограниченное применение на автомобилях.
Важным техническим показателем современного ДВС является степень сжатия, которая представляет собой отношение объема рабочего цилиндра, когда поршень находится в, так называемой, нижней мертвой точке (НМТ) к объему камеры сгорания.
Рост степени сжатия позволяет создавать наиболее подходящие условия для воспламенения ТВС (топливо-воздушной смеси) в камере сгорания, и как результат - более рационального использования выделяемой при этом энергии.
Особенности системы изменения сжатия
Степень сжатия изменяется в зависимости от типа используемого топлива и рабочих режимов двигателя. Подобные изменения учитываются и применяются системой изменения степени сжатия.
В бензиновых ДВС данный показатель ограничивается исключительно той областью, в которой происходит детонация ТВС . При малых нагрузках увеличение сжатия не приводит к процессу детонации, а вот при усиленных нагрузках детонация может достигнуть критической точки.
Двигатель с системой сжатия МСЕ-5
ДВС, оснащенный подобной системой, имеет достаточно сложную конструкцию, которая предполагает изменение характеристики рабочего хода поршней в цилиндрах.
Секатор зубчатый вступает во взаимодействие с рабочим поршнем и поршнем управления. Коромысло соединяется через рычаг с коленвалом.
Секатор движется под воздействием поршня управления. Камера над поршнем начинает заполняться маслом, объем которого строго контролируется специальным клапаном.
При перемещении секатора происходит изменение положении ВМТ поршня, и как следствие - изменение рабочего объема камеры сгорания при значительном интервале сжатия.
В настоящее время двигатель МСЕ-5 еще не пущен в серийное производство, но имеет неплохие перспективы развития в будущем.
Новую концепцию ДВС, оснащенного современной системой сжатия представила компания Lotus Cars. Это уникальный двухтактный двигатель, получивший название Omnivore, который позволяет использовать различные виды топлива - бензин, дизель, спирт, этанол и др.
Верхняя часть камеры оснащена шайбой, перемещение которой приводит к изменению объема камеры. Это позволяет обеспечить наивысшую степень сжатия - 40 к 1.
Несмотря на свою эффективность, подобная система сжатия в настоящее время не позволяет добиться хороших показателей относительно экономичного расхода топлива и экологичности двухтактного двигателя.
