Уже больше десятилетия основой бизнеса этого китайского бренда являются сервисы в области телевидения и музыки, однако теперь он стремительно выходит на рынок смартфонов и прочей потребительской электроники. Согласно предварительным данным, мобильные устройства LeEco отлично расходятся в Китае и других странах. Возможно, столь же успешным окажется дебют компании и в автомобильном бизнесе? На прошлой неделе газета South China Morning Post сообщила о том, что LeEco собирается построить завод по выпуску электромобилей. Ожидаемая мощность — 400 тысяч машин в год.
По предварительным данным, LeEco собирается инвестировать около 1,8 миллиарда долларов в новую производственную площадку, которая будет расположена в провинции Чжэцзян. Впоследствии завод должен стать частью технологического парка Eco Experience Park. Пока говорится о том, что возведение фабрики закончится в 2018 году.
Ранее LeEco искала партнеров на китайском рынке, которые бы смогли предоставить собственные производственные мощности. К примеру, компания вела переговоры с BAIC и GAC. Но достаточно выгодных предложений не нашлось, поэтому руководство решилось на строительство собственного завода. По предварительным данным, на нем будут не только собирать электрокары, но и выпускать важнейшие компоненты, в том числе электромоторы и тяговые аккумуляторы. К текущему моменту LeEco владеет 833 патентами в области электромобилей.
Возможно, в перспективе LeEco будет выпускать электрокары и в США: в Неваде сейчас идет строительство завода компании Faraday Future, которая является стратегическим партнером LeEco.
Также на прошлой неделе стало известно о некоторых планах Ford . Американцы уже сейчас занимаются гибридными и электрическими автомобилями: Ford продает модели C-Max Hybrid, C-Max Energi, Focus Electric, Fusion Hybrid и Fusion Energi. Однако в перспективе производитель намерен выделить специальную серию инновационных моделей. Вероятно, она получит название Model E .
Американская компания подала патент на имя Model E еще в 2013 году. Она уже много лет выпускает фургоны Ford E-Series, однако вряд ли новое название как-то с ними связано. При этом глава Tesla Motors Элон Маск в 2014 году сокрушался над тем, что ему не удастся выпустить автомобиль Model E: «Мы собирались назвать новинку Model E, но затем Ford в судебном порядке запретил нам это делать, говоря, что он сам собирается использовать такое имя. Я думал, что это безумие: Ford пытается убить SEX (у "Теслы" было бы три модели — Model S, Model E и Model X. — прим. ред.) ! Поэтому нам пришлось придумать другое имя. Новая модель будет называться Model 3 ».
Под маркой Model E будет существовать целая серия электрических и гибридных моделей Ford. Производитель пока не делится точными сведениями о них, зато уже сейчас известно, что как минимум некоторые из них будут предлагаться сразу в нескольких версиях: гибрид, гибрид с возможностью внешней зарядки и электрокар. Схожий подход использован в новой модели Hyundai IONIQ .
Сейчас уже идет строительство нового завода для автомобилей серии Ford Model E. Это будет первая полностью новая производственная площадка компании на территории Северной Америки за последние 20 лет. Общие инвестиции в фабрику должны составить 1,6 миллиарда долларов, что является огромной суммой даже по меркам американского автомобилестроения. Примечательно, что завод будет находиться в Мексике, а вовсе не в США.
Строительство новой фабрики должно быть завершено в 2018 году, а первые серийные гибриды и электрокары сойдут с конвейера в 2019-м. В прошлом году Ford анонсировал планы вложить около 4,5 миллиарда долларов в электрические транспортные средства до 2020 года. На эти деньги планируется разработать и запустить в производство 13 новых моделей. Предполагается, что они должны составить конкуренцию автомобилям Tesla, Chevrolet Bolt и Nissan Leaf. При этом полностью электрические версии должны получить запас хода в районе 320 километров. Скорее всего, большинство инновационных моделей будут хетчбэками и компактными кроссоверами.
Тем временем в Норвегии с 2025 года собираются полностью запретить продажи бензиновых и дизельных машин. Подобную инициативу мы обсуждали несколько месяцев назад . Тогда норвежская газета Dagens Næringsliv сообщила, что четыре ключевых партии Норвегии договорились о введении с 2025 года запрета на продажу новых автомобилей, сжигающих топливо. Однако теперь представитель Министерства транспорта страны официально опроверг эту информацию.
В целом подобная инициатива выглядит вполне логично. Во-первых, в этой северной европейской стране уже давно действуют высокие пошлины на модели с ДВС. Благодаря этому в 2015 году продажи электрокаров и гибридов выросли сразу на 71 %. Во-вторых, в стране отсутствует собственное производство машин, которое необходимо поддерживать любыми способами. Справедливости ради отметим, что Норвегия является лидером Европы по добыче нефти, поэтому пропаганда электрических транспортных средств может идти вразрез с интересами страны.
В Министерстве транспорта подтвердили информацию о том, что Национальный план развития транспорта Норвегии предусматривает определенные шаги, направленные на снижение объема выброса вредных веществ в атмосферу, однако он не включает в себя предложения о полном запрете всех видов двигателей внутреннего сгорания с 2025 года. При этом официальный представитель ведомства упомянул о том, что «правительство хочет поощрять более экологически чистые виды транспорта, но использовать пряник вместо кнута». Об этом он сообщил изданию autonews.com.
Любопытно, что на прошлой неделе многие российские СМИ поспешили заявить о том, что Норвегия планирует полностью запретить продажи новых легковых автомобилей с ДВС с 2025 года. Таким образом, они поделились устаревшей неофициальной информацией либо неверно восприняли новое сообщение Министерства транспорта европейской страны.
⇡ Автомобильные технологии
Двигатель внутреннего сгорания изначально был самым сложным агрегатом автомобиля. С момента появления первых машин прошло более ста лет, но в этом плане ничего не изменилось (если не брать в расчет электрокары). При этом ведущие производители идут ноздря в ноздрю в плане технического прогресса. Сегодня у каждой уважающей себя компании есть турбомоторы с непосредственным впрыском топлива и системой изменения фаз газораспределения как на впуске, так и на выпуске (если речь идет о бензиновых двигателях). Более высокотехнологичные решения распространены меньше, но все же встречаются. К примеру, недавно кроссовер Audi SQ7 TDI получил первый в мире двигатель с электрическим турбонаддувом, а BMW представила дизельный мотор с четырьмя турбокомпрессорами. Среди самых экзотических серийных решений выделяется система FreeValve разработки Koenigsegg: моторы шведской компании вообще лишены распределительных валов. Нетрудно заметить, что в основном любят экспериментировать инженеры европейских фирм. Однако теперь появилась любопытная новость из Японии: инженеры Infiniti представили первый двигатель с изменяемой степенью сжатия.
Многие зачастую путают понятия степени сжатия и компрессии, причем нередко это делают люди, по роду деятельности связанные с автомобилями и их обслуживанием или ремонтом. Поэтому для начала кратко расскажем, что же такое степень сжатия и чем она отличается от компрессии.
Степень сжатия (СЖ) — отношение объема цилиндра над поршнем в нижнем положении (нижняя мертвая точка) к объему пространства над поршнем при его верхнем положении (верхняя мертвая точка). Таким образом, речь идет о безразмерном параметре, который зависит только от геометрических данных. Грубо говоря, это отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания. Для каждого автомобиля это строго фиксированная величина, которая не меняется со временем. Сегодня на нее можно повлиять только установкой других поршней или головки блока цилиндров. При этом компрессией называют максимальное давление в цилиндре, которое замеряют при выключенном зажигании. Иначе говоря, это показатель степени герметичности камеры сгорания.
Так вот, инженерам Infiniti удалось создать двигатель Variable Compression-Turbocharged (VC-T), который способен изменять степень сжатия. Разумеется, при всем желании на ходу невозможно поменять поршни и иные элементы конструкции, поэтому японская компания использовала принципиально иной подход, благодаря которому ДВС способен варьировать степень сжатия от 8:1 до 14:1.
У основной массы современных моторов степень сжатия составляет около 10:1. Одним из исключений являются бензиновые двигатели Mazda Skyactiv-G, в которых этот параметр увеличен до 14:1. В теории чем выше СЖ, тем более высокого КПД можно добиться на данном моторе. Однако у этой медали есть и обратная сторона: при большой нагрузке высокая СЖ может провоцировать возникновение детонации — неконтролируемого взрыва топливо-воздушной смеси. Этот процесс может привести к существенным повреждениям деталей ДВС.
Производители давно мечтали создать такой двигатель, который бы обладал высокой степенью сжатия при малых оборотах и нагрузках и низкой — при больших. Это позволило бы повысить эффективность работы мотора, что положительно влияет на мощность, расход топлива и количество вредных выбросов, но в то же время позволяет избежать риска возникновения детонации. По указанным выше причинам в ДВС с традиционной компоновкой такую задумку осуществить невозможно. Поэтому инженерам Infiniti пришлось существенно усложнить конструкцию.
На схематичном изображении VC-T описывается общий принцип работы инновационного механизма. В данном случае шатун крепится не напрямую к коленчатому валу, как в обычных ДВС, а к специальному коромыслу (Multi-link). С другой его стороны отходит дополнительный рычаг, который посредством вала управления (Control Shaft) и рычага привода (Actuator Arm) соединяется с модулем волновой передачи (Harmonic Drive). В зависимости от положения последнего элемента будет меняться позиция коромысла, которое, в свою очередь, задает верхнее положение поршня.
VC-T будет способен менять степень сжатия на ходу. Требуемые параметры будут зависеть от нагрузки, оборотов и наверняка даже качества топлива: компьютер будет учитывать все эти данные, чтобы выставить оптимальное положение всех элементов. На данный момент разработчики обнародовали далеко не все параметры нового мотора: известно лишь, что это будет четырехцилиндровый двигатель объемом два литра. Из самого названия Variable Compression-Turbocharged становится очевидно, что он будет оснащен турбокомпрессором. Скорее всего, именно по этой причине инженеры вообще решились на создание необычного ДВС: при высоком давлении наддува существенно повышается риск детонации. Здесь и пригодится возможность снижения степени сжатия. Иными словами, для атмосферного мотора столь сложная конструкция и не понадобилась бы. По данным Infiniti, новый двигатель придет на смену 3,5-литровому атмосферному V6.
Мировая премьера нового мотора состоится 29 сентября на Международном автосалоне в Париже. Ожидается, что первым новый двигатель VC-T получит кроссовер Infiniti QX50 следующего поколения, который должен появиться в 2017 году. Вероятно, чуть позже перспективный агрегат станет доступен для автомобилей Nissan. Не исключено, что со временем он будет предлагаться и для легковушек Mercedes-Benz (сегодня наблюдается обратная ситуация: для некоторых моделей Infiniti предлагается двухлитровый турбомотор Mercedes-Benz).
Судя по всему, двигатель VC-T можно заочно наградить премией «Прорыв года». Даже если этот проект полностью провалится, а затраты на его разработку не окупятся, более революционного изменения в двигателях внутреннего сгорания в 2016 году уже не предвидится. При этом необходимо отметить, что инженеры Infiniti/Nissan вовсе не одиноки в погоне за изменяемой степенью сжатия. К примеру, в 2000 году много говорили про SVC — Saab Variable Compression engine. При этом в нем использовался совершенно другой принцип: головка блока могла двигаться вверх-вниз, что и обеспечивало изменение объема камеры сгорания. Речь уже шла о скором появлении в продаже машин с SVC, однако американский концерн General Motors после выкупа полного пакета акций Saab в 2000 году решил закрыть проект. А вот двигатель MCE-5 разработки Peugeot во многом схож с VC-T. Его представили в 2009 году, однако до сих пор никто не говорит о применении MCE-5 на серийных машинах.
Чуть выше мы уже упомянули компанию Koenigsegg , поскольку она причастна к разработке революционных моторов без распредвалов. На прошлой неделе появились очередные новости о передовых технологиях шведского производителя. Теперь они касаются каталитического конвертера. Напомним: этот компонент должен уменьшить количество вредных веществ в выхлопе автомобиля. Сегодня такие устройства устанавливаются на все новые легковые машины, и сверхмощные спорткары не являются исключением. Тех, кто гонится за каждой дополнительной лошадиной силой, это не сильно радует: каталитические конвертеры являются препятствием на пути свободного движения газов из камеры сгорания в атмосферу. В итоге мощность двигателя несколько снижается. Инженеры Koenigsegg не захотели мириться с таким положением вещей и изобрели собственную уникальную систему.
Вместо того чтобы просто установить каталитический нейтрализатор после турбокомпрессора, как в обычных машинах, разработчики поместили небольшой «предварительный» катализатор на перепускной клапан (вестгейт) турбины. Первое время после запуска двигателя активируется заслонка, которая блокирует прохождение выхлопных газов через турбокомпрессор: они идут через тот самый перепускной клапан и небольшой «предварительный» катализатор. При этом на выходе из турбины предусмотрен основной конвертер. Поскольку он начинает работать только после того, как вся система уже хорошо прогрелась (каталитические нейтрализаторы становятся эффективными только при выходе на рабочую температуру), то его удалось сделать существенно короче. Благодаря этому заметно снизились потери, вызванные затрудненным прохождением воздуха.
По словам инженеров Koenigsegg, запатентованная схема с использованием двух катализаторов позволяет прибавить (вернее, не потерять) около 300 лошадиных сил. Так что владельцы купе Koenigsegg Agera могут без зазрения совести говорить о том, что один только нейтрализатор в их машине дает больше мощности, чем развивает двигатель в большинстве современных легковушек.
Теперь перейдем к другой теме, которая актуальна каждую неделю — новостям из сферы разработки умных машин. Ранее многие известные люди из автомобильного бизнеса, в том числе глава Tesla Motors Элон Маск (Elon Musk), не единожды говорили о том, что создание автомобилей с полноценными автопилотами не только перевернет привычный уклад жизни многих людей, но и существенно повлияет на автомобильную отрасль, а также связанный с ней бизнес. К примеру, ожидается существенный рост спроса на услуги каршеринга: в развитых странах эта услуга только начинает набирать обороты, но по-настоящему выстрелит она лишь в эру самоходных машин. Некоторые производители уже начали готовиться к этому. К примеру, на прошлой неделе представители Ford Motor Company заявили о начале поставок массовых беспилотных автомобилей для бизнеса в 2021 году.
«Следующее десятилетие будет определяться автономными автомобиля, и мы видим, что такие транспортные средства оказывают существенное влияние на общество, как и ввод компанией Ford сборочного конвейера 100 лет назад, — заявил исполнительный директор автомобильной компании Марк Филдс (Mark Fields). — Мы прилагаем все усилия, чтобы выпустить на дороги автономное транспортное средство, которое сможет повысить безопасность и решить социальные и экологические проблемы миллионов людей, а не только тех, кто может позволить себе роскошные автомобили».
За пафосными словами стоят вполне конкретные действия. Компания Ford вдвое увеличила размер своей лаборатории в Силиконовой долине. Теперь общая площадь зданий производителя достигла 16 тысяч квадратных метров, а штат насчитывает 260 сотрудников. К тому же на прошлой неделе американский автомобильный гигант объявил о совместных с китайским информационным конгломератом Baidu инвестициях : на пару они вложат 150 миллионов долларов в разработку технических и программных средств для создания автопилотов. Часть средств досталась компании Velodyne, которая выпускает лидары.
По данным представителей Velodyne, инвестиции будут использованы для ускорения разработки и выпуска нового поколения сенсоров. Они должны стать более высокопроизводительными, но при этом недорогими. Дополнительно к этому Ford поглотил израильский стартап SAIPS. Компания занимается разработками в области алгоритмических решений и технологий распознавания образов и машинного обучения. SAIPS была основана в 2013 году, однако, несмотря на скромный возраст, ее услугами уже пользуются HP, Israel Aerospace Industries и Wix.
Если задумка руководства Ford себя оправдает, то уже к 2021 году в арсенале компании будет автомобиль, который сможет полностью обходиться без человека. При этом «голубой овал» планирует сделать ставку на корпоративный сектор: в первую очередь Ford надеется заинтересовать компании, специализирующие на каршеринге, а также бренды вроде Uber и Lyft, связанные с сервисом такси.
О будущем умных машин говорили и в Tesla Motors . Но рассказали об этом не представители компании, а сотрудники издания electrek.co. По их данным, сейчас уже вовсю кипит работа над системой Autopilot 2.0.
Как мы знаем, в сентябре 2014 года Tesla впервые внедрила в свои электрокары такие аппаратные средства, как фронтальная камера и радар, а также ультразвуковой сенсор, бьющий на 360 градусов вокруг. Год спустя, в октябре 2015-го, производитель выпустил обновление под название Autopilot update (версия ПО 7.0), которое и предоставило возможность активации электронного ассистента, способного взять на себя управление на трассе или припарковать машину в автоматическом режиме. После этого компания несколько раз обновляла программное обеспечение, но при этом «железо» оставалось прежним. Разумеется, у каждого оборудования есть свой предел, поэтому далеко не все проблемы можно решить с помощью нескольких новых строк кода.
Теперь компания задумалась над внедрением системы Autopilot 2.0. Она привнесет масштабные изменения в конфигурацию сенсоров. Ожидается, что новое оборудование позволит добиться выхода на третью степень автоматизации управления, которая подразумевает, что машина уже не будет требовать постоянного контроля со стороны водителя, как в текущей версии Tesla Autopilot, но при определенных условиях компьютер все же будет обращаться за помощью к человеку. При этом разработчики допускают, что в перспективе программные обновления смогут вывести систему на заветную четвертую ступень автоматизации, при которой машины смогут без труда ездить по любым дорогам (впереди останется только пятый уровень, когда из салона вообще пропадут органы управления вроде руля и педалей).
Неназванные источники, близко знакомые с программой Autopilot, рассказали журналистам electrek.co о некоторых подробностях новой системы. Ожидается, что следующее поколение сохранит прежний фронтальный радар, но при этом получит еще два таких же в придачу. Скорее всего, они будут установлены по краям переднего бампера. Дополнительно к этому комплекс пополнится тройной фронтальной камерой. По неофициальным данным, новый корпус для нее начали устанавливать на серийные электрокары Model S уже с прошлой недели.
Судя по всему, даже в Autopilot 2.0 компания Элона Маска собирается обойтись без лидаров. И хотя один из подобных прототипов на базе Model S был замечен возле штаб-квартиры Tesla Motors, это мог быть эксперимент, никак не связанный с разработкой системы автопилотирования следующего поколения.
Возможно, новая тройная фронтальная камера будет основана на системе Front-facing Trifocal Constellation от компании Mobileye. В ней будет использоваться основной сенсор с углом обзора 50 градусов, а также два дополнительных с полем зрения 25 и 150 градусов. Последний позволит лучше распознавать пешеходов и велосипедистов.
В качестве центра обработки информации для Autopilot 2.0 потребуется производительная платформа. Возможно, это будет модуль NVIDIA Drive PX 2 . Впервые он был представлен на выставке CES 2016 в январе, однако поставки должны начаться только осенью.
Скорее всего, система Autopilot 2.0 будет представлена в ближайшее время. Анонимные источники внутри компании сообщают, что на конвейер для Model S уже поставляются обновленные жгуты проводов, в которых предусмотрены разъемы для тройной камеры и другого нового оборудования. Это свидетельствует о том, что производитель вовсю готовится к началу поставок новой версии вспомогательной системы. К тому же — с учетом недавнего смертельного случая с участием Tesla Autopilot — Элон Маск постарается максимально ускорить разработку очередного крупного обновления, чтобы рассказать всем об избавлении от ошибок прошлых версий.
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.
Тесно связана с к.п.д. 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 желательно снижать степень сжатия, однако 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, как правило, 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. Между тем, снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей и т.п. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.
Повсеместное применение в конструкциях двигателей сделало направление этой работы еще более актуальным. Дело в том, что при наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, в связи с чем их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува максимальные давления рабочего цикла (т.е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или будут изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл, а, следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки на его детали могут не увеличиваться, что позволяет форсировать двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.
Очень существенным для нормального протекания процесса сгорания в двигателе с изменяющейся степенью сжатия является правильный выбор формы камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Изменение фронта распространения пламени должно быть очень оперативным, чтобы учитывать различные режимы работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Учитывая применение дополнительных деталей в кривошипно-шатунном механизме, необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом трения, чтобы не потерять преимуществ при применении изменяющейся степени сжатия.
Один из наиболее распространенных вариантов двигателя с изменяющейся степенью сжатия показан на рисунке.
Рис. Схема двигателя с изменяющейся степенью сжатия:
1 – шатун; 2 – поршень; 3 – эксцентриковый вал; 4 - дополнительный шатун; 5 – шатунная шейка коленчатого вала; 6 – коромысло
На частичных нагрузках дополнительный 4 занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия при этом максимальна. При высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна 4. При этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень 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.
Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, т. е. 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 1, служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3 управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.
Рис. Двигатель с изменяющейся степенью сжатия SAAB:
1 – ось; 2 – резиновый чехол; 3 – шатун; 4 – эксцентриковый вал.
Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия.
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. 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.
Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.
Французская фирма МСЕ-5 Development, разработала для концерна «Пежо-Ситроен», двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR (Variable Compression Ratio). В этом решении применена оригинальная кинематика кривошипно-шатунного механизма.
В данной конструкции передача движения от шатуна на поршни осуществляется через двойной зубчатый сектор 5. С правой стороны двигателя расположена опорная зубчатая рейка 7, на которую опирается сектор 5. Такое зацепление обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня цилиндра, который соединен с зубчатой рейкой 4. Рейка 7 соединена с поршнем 6 управляющего гидроцилиндра.
В зависимости от режима работы двигателя по сигналу блока управления двигателем изменяется положение поршня 6 управляющего цилиндра, связанного с рейкой 7. Смещение рейки управления 7 вверх или вниз изменяет положение ВМТ и НМТ поршня двигателя, а вместе с ними и степени сжатия от 7:1 до 20:1 за 0,1 с. В случае необходимости имеется возможность изменения степени сжатия для каждого цилиндра в отдельности.
Рис. Двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR:
1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – зубчатый опорный ролик; 4 – зубчатая рейка поршня; 5 – зубчатый сектор; 6 – поршень управляющего цилиндра; 7 – опорная зубчатая рейка управления.
Мы привыкли к тому, что степень сжатия и рабочий объем являются неизменными конструктивными параметрами автомобильного двигателя. Похоже, от этой привычки вскоре придется отвыкать. Тенденции развития моторостроения указывают на то, что будущее за двигателями с «изменяемыми неизменными». И это отнюдь не туманная перспектива – речь идет о будущем, которое стоит на пороге и уже стучится в дверь.
Пролог
Почти 15 лет тому назад шведский концерн SAAB, известный эксперт в области моторных технологий, в очередной раз возмутил спокойствие мировой автомобильной общественности. На мотор-шоу 2000 года в Женеве он продемонстрировал сенсационный результат многолетней работы над проектом SVC (SAAB Variable Compression) – прототип искрового двигателя с механическим нагнетателем и переменной степенью сжатия. Общественность «возмутили» как фантастические мощностные характеристики агрегата, так и его скромный аппетит. Рядная «пятерка» объемом 1,6 л развивала номинальную мощность и максимальный крутящий момент, характерные для 3-литрового двигателя V-6 (225 л.с./5800 мин-1 и 333 Нм/4000 мин-1 соответственно). При испытаниях SVC-мотора в составе автомобиля SAAB 9-5 расход топлива в комбинированном цикле составил всего 8,3 л/100 км.
Столь великолепная комбинация компактности, тяговых характеристик, расхода топлива и соответственно токсичных выбросов сулила в наступившем XXI веке радужные перспективы и шведскому концерну, и всему мировому автопрому. Недаром SVC-концепт тут же был удостоен нескольких наград от устроителей женевской выставки и ряда автомобильных изданий. В восторженных комментариях многих серьезных автоспециалистов высказывалось мнение, что начало массового производства SVC-двигателей – дело двух-трех лет. Меж тем минуло уже без малого 15, а «саабов» с чудо-моторами нет как нет. Страсти вокруг нашумевшего SVC-проекта улеглись, свежей информации о его дальнейшей судьбе не найти. Горячие головы из числа поклонников SAAB «катят бочки» на руководство GM – мол, те специально заморозили проект, который грозил вбить кол в производство многолитровых «джи-эмовских» «бормотографов» и пустить под откос целую отрасль их американской промышленности. В общем, история любопытная. Можно сказать, детективная. Чтобы в ней объективно разобраться, нужно вначале понять, в чем суть идеи изменения неизменного.
На пальцах
Из теории тепловых машин, начало которой было положено в первой половине XIX века французским ученым и инженером Сади Карно, известно, что эффективность идеального термодинамического цикла (его термический КПД) увеличивается с ростом степени сжатия (в) рабочего тела. Влияние степени сжатия на эффективность реальных тепловых машин – автомобильных ДВС – не столь однозначное. Теоретически обоснованному, «беспредельному» повышению степени сжатия препятствуют одновременно растущие механические потери на трение и газообмен, тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, особенности автомобильных топлив и ряд других. Поэтому применительно к ДВС (определенной конструкции) можно говорить об оптимальном значении степени сжатия, при которой достигается максимум эффективного КПД, отвечающего за топливную экономичность и высокие мощностные характеристики. Точнее, о диапазоне оптимальных величин в, поскольку на разных режимах работы двигателя степень воздействия ограничивающих факторов различна и наиболее эффективная работа может достигаться при разных степенях сжатия.
Возьмем, к примеру, атмосферные искровые двигатели с внешним смесеобразованием. Исследования показывают, что оптимальная степень сжатия для таких моторов лежит в пределах 13-15. Дальнейшее увеличение в не приводит к заметному улучшению показателей двигателя из-за роста механических потерь. В то же время этот параметр у современных бензиновых двигателей обычно составляет величину порядка 10, т.е. существенно меньше оптимальной. Причина –стремление избежать детонации, опасность которой возникает прежде всего на режимах полной нагрузки, при высоких значениях давления и температуры в камере сгорания. Известно, что двигатель городского автомобиля работает с полностью открытым дросселем не более 10% времени эксплуатации. Это означает, что большую его часть он не добирает в мощности и неэкономно расходует топливо. Будь степень сжатия регулируемой, на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель мог бы работать с оптимальной в, и только на мощностных режимах она уменьшалась бы до безопасного уровня. Подсчитано, что эта мера позволила бы снизить потребление бензина примерно на 10%. Не очень много, но и не мало, если принять во внимание огромное количество эксплуатируемых «бензиномобилей». Суммарная экономия нефти и сокращение выбросов в атмосферу были бы весьма ощутимыми.
Переменная степень сжатия сослужила бы добрую службу и дизельным двигателям. Современные дизели, большинство которых турбированные, также имеют степень сжатия, отличную от оптимальной. При конструировании дизелей ее выбирают из условия обеспечения устойчивого холодного пуска двигателя. В зависимости от конструкции мотора в может принимать значения от 16 до 24, что выше оптимума. Излишне высокая степень сжатия, обусловленная приемлемыми пусковыми характеристиками, препятствует увеличению давления наддува, т.е. повышению удельной мощности дизелей. Одно из следствий высокой степени сжатия – большое максимальное давление в камере сгорания. При наддуве оно еще больше возрастает, что грозит превышением допустимых нагрузок на детали двигателя, снижением его ресурса и даже разрушением. Возможность гибко регулировать степень сжатия турбодизелей позволила бы без проблем запускать двигатель при высокой в, а на мощностных режимах снижать ее вплоть до 10-11, одновременно увеличивая давление наддува. Так можно значительно повысить мощность, не опасаясь превысить предельное давление сгорания.
Отмеченные преимущества, которые сулят возможность регулирования степени сжатия, что называется, лежат на поверхности. Но все это цветочки, ягодки – впереди.
Два «дауна»
Не секрет, что появлением многих современных технологий в моторостроении мы обязаны борьбе за сокращение потребления топлива и уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа и прочих продуктов сгорания углеводородных топлив. Несмотря на достигнутые успехи, борьба отнюдь не закончена. Впереди двигате-листов ожидают новые вызовы, обусловленные еще более жесткими экологическими нормами и возрастающими требованиями к ездовым характеристикам автомобилей. Ответом на новые вызовы становятся новые стратегии развития автомобильных двигателей. Большинство специалистов в области моторостроения сходятся во мнении, что в ближайшей перспективе особенно актуальными будут две взаимосвязанные стратегии: downsizing и downspeeding. Название первой в русской транскрипции произносится «даунсайзинг» и означает «снижение размеров», наименование второй, звучащее как «даунспидинг», означает «снижение частоты вращения». Уделим внимание обоим «даунам», поскольку они непосредственно касаются темы разговора.
«Даунсайзинг» подразумевает движение в двух направлениях: повышение мощности и крутящего момента двигателя без увеличения его рабочего объема или сокращение литража при неизменных выходных характеристиках. В обоих случаях увеличиваются удельные показатели двигателя, в частности литровая мощность, что служит достижению главной цели – уменьшению расхода топлива. Другими словами, речь идет о разработке компактных и одновременно мощных моторов. Такие агрегаты эффективнее используют топливо (особенно при частичных нагрузках) благодаря меньшим потерям на газообмен и трение, а также меньшим утечкам тепла от рабочего тела в стенки камеры сгорания.
Еще больше уменьшить насосные потери и потери на трение можно, если у компактного мотора прибавка в мощности будет достигаться не за счет повышения частоты вращения коленчатого вала, а вследствие прироста крутящего момента во всем диапазоне оборотов. Этого можно достичь путем увеличения коэффициента наполнения и среднего эффективного давления в цилиндре (см. шпаргалку 2). Таким образом, стратегия «снижения размеров» становится еще более выигрышной, если ее дополнить «даунспидингом».
Нужно отметить, что идея повышения удельных характеристик двигателей ненова. На протяжении всей истории развития автомобильные двигатели постоянно совершенствовались, становились компактнее и мощнее. Другое дело, что сейчас эта тенденция стала приоритетной и появились технологические возможности, позволяющие получить на этом направлении качественный скачок. Стратегии снижения размеров и частоты вращения актуальны как для бензиновых, так и дизельных двигателей, но у искровых моторов потенциал развития в этих направлениях существенно выше. Для достижения намеченных целей в двигателе с искровым зажиганием планируется использовать несколько уже апробированных технологий:
Полностью регулируемый газораспределительный механизм с четырьмя клапанами на цилиндр (VVA);
Непосредственный впрыск топлива (GDI);
Принудительный наддув воздуха (СН).
Но ключом к успеху в деле создания компактного, мощного и экономичного бензинового двигателя является технология изменяемой степени сжатия (Variable Compression Ratio, или VCR). Ведь для получения ощутимого прироста литровой мощности потребуется наддув высокого давления. При этом многократно возрастет опасность возникновения детонации на нагрузочных режимах. Чтобы ее избежать, обычно форсированные двигатели с фиксированной степенью сжатия «разжимают» – уменьшают величину ε на несколько единиц (вплоть до 7-8), и она еще более отдаляется от оптимума. Расплатой за это становится неустойчивая работа и прожорливость «разжатого» двигателя на режимах холостого хода и частичных нагрузок. Технология VCR позволит высокофорсированному двигателю работать предельно эффективно на любых режимах. Для этого нужно лишь научиться плавно регулировать £ в диапазоне от 14 до 7. Полный контроль над детонацией в условиях наддува высокого давления даст возможность уменьшить литраж двигателей до 50%, сохранив их мощностные характеристики.
Благодаря гибкому регулированию степени сжатия можно будет воздействовать на параметры физических процессов в двигателе, влияющие на потребление топлива и эмиссию токсичных компонентов:
Давление и температуру в конце такта сжатия;
Максимальное давление и температуру сгорания;
Степень расширения и индикаторный КПД;
Объем камеры сгорания;
Температуру отработавших газов.
Вместе с экстремальным «даунсайзингом» это открывает колоссальные возможности экономии энергоресурсов и уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа. Так, по сведениям из разных источников, компактные VCR-двигатели с наддувом будут потреблять топлива на 20-40% меньше в сравнении с традиционными атмосферными моторами эквивалентной мощности. К примеру, экономия топлива двигателя SVC составила около 30%. На такую же величину сократятся и выбросы «парникового газа».
Технология регулируемой степени сжатия позволит использовать различные сценарии управления двигателем, способствующие снижению в выхлопе концентрации токсичных веществ. Например, при пуске холодного двигателя можно будет намеренно уменьшить индикаторный КПД. Вызванное этим повышение температуры отработавших газов ускорит прогрев катализатора и одновременно сократит эмиссию окислов азота. На режиме максимальной мощности VCR-технология позволит уменьшить тепловые нагрузки в камере сгорания и выпускной системе, не прибегая к обычно применяющемуся способу охлаждения – обогащению смеси и связанному с ним повышенному выбросу СО и НС. Такого рода меры позволят обеспечить возрастающие экологические требования к двигателям без усложнения и удорожания систем очистки отработавших газов. По мнению специалистов, благодаря технологии изменяемой степени сжатия искровые моторы смогут нокаутировать дизели и вернуть утраченное лидерство по экономичности и экологии.
Возможность изменения неизменного греет душу тем, кто ратует за использование альтернативных видов топлива. Регулируемая в широких пределах степень сжатия значительно упрощает задачу создания многотопливного двигателя, способного одинаково эффективно работать на бензине, природном газе или спиртобензиновой смеси Е-85, особенно популярной в Швеции и Штатах. Наконец, VCR-технология открывает дорогу для внедрения новых и совершенствования существующих перспективных технологий двигателестроения: использования адаптивного цикла Аткинсона, формирования расслоенных зарядов топливовоздушной смеси, сжигания сверхбедных смесей и ряда других.
Полный перечень потенциальных преимуществ ДВС с регулируемой степенью сжатия этим не исчерпывается, но и упомянутого достаточно, чтобы понять, чем обусловлен интерес большинства автопроизводителей к разработкам в этом направлении.
Просто было на бумаге...
Идея создания ДВС с изменяемой степенью сжатия овладела умами моторостроителей не вчера. Можно сказать, что в последнее время она лишь переживает свое второе рождение. Первое случилось еще на заре XX века, так что идея изменения неизменного ненамного моложе самих двигателей внутреннего сгорания. Примерно к середине прошлого столетия уже были разработаны и запатентованы (в виде схем или конструкций) практически все известные на сегодня способы, позволяющие варьировать степень сжатия в ДВС. Некоторые из предложенных решений в силу разных причин так и остались на бумаге, некоторые были воплощены в железе. Часть из созданных VCR-двигателей была доведена до уровня экспериментальной отработки, и лишь единицы выпускались мелкими сериями и устанавливались на автомобили. Существуют и такие «воплощения», которые уже почти сто лет применяются и будут применяться в ДВС, но не для транспортных целей. Подробнее об этом будет рассказано далее. Вначале посмотрим, в каких направлениях развивалась идея изменения неизменного.
Принципиально определить эти направления несложно. Для этого нужно припомнить, что геометрическая степень сжатия – это отношение максимального и минимального объема цилиндра, когда поршень находится в НМТ и ВМТ соответственно (см. шпаргалку 1). Из приведенного выражения для в видно, что воздействовать на степень сжатия можно путем изменения объема камеры сжатия (V), рабочего объема двигателя (Vh) или обоих параметров одновременно. Причем при постоянном рабочем объеме варьировать степень сжатия можно только за счет объема камеры сжатия. Анализ конструктивной схемы традиционного ДВС с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) дает основные способы воздействия на высоту камеры сжатия (hc):
1) изменение остова двигателя (расстояния от оси вращения коленвала до свода камеры сжатия);
2) изменение высоты поршня;
3) изменение длины шатуна;
4) изменение радиуса кривошипа.
Важно отметить, что в последнем случае – при изменении радиуса кривошипа – вместе со степенью сжатия будет меняться и рабочий объем двигателя (величина хода поршня). Возможность одновременного воздействия на оба геометрических параметра ДВС весьма заманчива. Особенно если они будут подчиняться обратной зависимости – с увеличением степени сжатия рабочий объем будет уменьшаться, и наоборот. Это позволит, например, уменьшить литраж двигателя на режимах пуска и частичных нагрузок и при этом работать с высоким индикаторным и механическим КПД за счет большой в и сокращения насосных потерь. С повышением нагрузки и ростом давления наддува двигатель будет «разжиматься» и одновременно «увеличиваться» в размерах. Так можно будет получить и высокую номинальную мощность, и максимальную топливную экономичность в каждой точке нагрузочной характеристики мотора.
Уменьшать или увеличивать объем камеры сжатия можно не только путем изменения ее высоты. Учтем прочие способы воздействия на величину У отдельным, пятым пунктом. Получившийся перечень также не будет полным без еще одного, шестого пункта. Дело в том, что приведенные выше соображения касались двигателей, в которых поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленвала с помощью КШМ. В технике известно множество других преобразующих механизмов, в том числе и таких, которые позволяют управлять движением поршней и воздействовать на степень сжатия и рабочий объем. Их использование в конструкции VCR-двигателей также может быть весьма перспективным.
За почти вековой период, прошедший с момента зарождения идеи, инженеры-изобретатели не оставили без внимания ни одно из указанных направлений. Отметим некоторые из достигнутых ими результатов.
Изменение остова двигателя
Один из первых VCR-двигателей, устроенных по этому принципу, был создан в 20-е годы прошлого века талантливым британским инженером и исследователем сэром Гарри Рикардо. Сэр Рикардо разработал свой одноцилиндровый мотор с регулируемой степенью сжатия для изучения свойств моторных топлив и явления детонации. Он же впоследствии ввел в обиход понятие октанового числа топлива. В двигателе Рикардо величина остова изменялась за счет перемещения цилиндра и головки блока относительно неподвижных картера и коленчатого вала. Цилиндр соединялся с картером при помощи гайки с трапецеидальной резьбой – перемещение цилиндра достигалось ее поворотом. Изменение расстояния между коленчатым и распределительным валами компенсировалось промежуточным роликом в цепном приводе распредвала. Аналогичную схему имеют большинство двигателей, входящих в состав исследовательских установок, в том числе и самых современных. Их широко используют для изучения всевозможных физических процессов в ДВС. Забегая вперед, скажем, что и в многоцилиндровом SVC-концепте также использован принцип варьирования остова за счет смещения моноблока, включающего цилиндры и ГВЦ.
Известно немало схем двигателей, в которых, напротив, коленчатый вал имеет возможность перемещаться относительно цилиндра. В немецком патенте 1968 года описан двигатель Varimax, в котором опоры коленвала вывешены внутри картера на раме. Раму с двух сторон поддерживают вертикальные штанги – с одной стороны неподвижные, с другой – регулируемые. Смещение оси коленчатого вала достигается изменением длины регулируемых штанг. Чаще для перемещения вала предлагается установить его коренные подшипники в эксцентриковые втулки. По такой схеме устроен один из VCR-двигателей, разработанных специалистами известной исследовательской фирмы из Германии FEV Motorentechnik. Втулки имеют зубчатые венцы, в зацепление с которыми входят шестерни, расположенные на едином валу.
Общий недостаток упомянутых конструкций – снижение жесткости остова двигателя, его «станового хребта», за счет неизбежного использования дополнительных соединений между картером, коленвалом и цилиндром. Механизмы, отвечающие за изменение высоты остова, подвергаются большим нагрузкам от газовых и инерционных сил.
Конструкции с подвижным коленчатым валом к тому же страдают от недостаточной жесткости опор и серьезных проблем, связанных с совмещением оси «колена» с осью первичного вала КПП. Таким образом, то, что не является критичным для стационарных лабораторных установок, представляет немалые проблемы на пути создания надежных изделий для транспортных машин.
Изменение высоты поршня
На первый взгляд изменение высоты поршня кажется наиболее привлекательным методом воздействия на степень сжатия. Действительно, в отличие от других этот способ требует минимальных изменений в архитектуре базового двигателя. Конструкция поршня с изменяющейся высотой была предложена в 1952 году Британским научно-исследовательским институтом двигателей. Поршень состоит из двух частей – «тела» с юбкой и подвижной головки, выполненной в виде стакана. Контактная поверхность между телом и головкой уплотнена, во внутреннюю полость между ними по каналам в шатуне подается моторное масло. Изменение его количества приводит к вариации высоты поршня. С увеличением высоты надпоршневой зазор сокращается, степень сжатия растет, и наоборот. Подача масла регулируется с помощью системы клапанов.
Вслед за британцами в этом же направлении работали двигателисты концернов Ford и Mercedes-Benz и предложили свои варианты «телескопических» поршней. Они отличались несколько иной схемой подачи масла и организацией уплотнения подвижной головки. Поршни использовали в конструкции двигателей, выпускаемых небольшими сериями. Диапазон изменения степени сжатия у разных двигателей был различным. Например, на автомобилях М-В S-класса он составлял 11-14, за счет этого эффективный КПД двигателей возрастал на 5%.
Наиболее заметного успеха в этом направлении достигла американская корпорация Continental. На протяжении ряда лет она выпускала дизель специального назначения AVCR-1100 с регулируемой высотой поршней. Степень сжатия в нем изменялась в пределах от 10 до 22. Увеличение высоты поршня от минимума до максимума происходило за 60-65 циклов или примерно за 3 с, потому что оно возможно лишь в течение небольшого периода времени, пока действующие на поршень силы инерции превышают силу противодавления газов. Низкое быстродействие – не самый значительный недостаток конструкций с телескопическими поршнями. Механизм с прецизионными элементами вынужден работать в условиях больших температур и нагрузок. Одно из вероятных следствий этого – коксование масла и потеря подвижности головки поршня. К тому же реализация способа связана с существенным увеличением массы поршней со всеми вытекающими последствиями.
Изменение длины шатуна и радиуса кривошипа
В разное время было предложено большое количество конструкций шатунов с изменяемой длиной. Большая часть из них основывалась на тех же решениях, что применялись для изменения высоты поршней. Тело шатуна изготавливалось телескопическим, его длина изменялась с помощью механических или гидравлических устройств. Таким конструкциям свойственны те же недостатки, что и телескопическим поршням. Более того, надежность конструкции оказывалась еще ниже из-за того, что шатун, в отличие от поршня, подвержен большим изгибающим нагрузкам. В нескольких патентах предлагалось изменять длину шатуна путем размещения эксцентриковых элементов в верхней или нижней головках. Практическая реализация этих способов оказалась настолько сложной, что они так и остались чистыми идеями.
Применение эксцентрикового механизма также рассматривалось в качестве средства для изменения радиуса кривошипа. В этом направлении дальше всех продвинулась голландская инжиниринговая фирма Gomecsys. В предложенной ею конструкции вокруг шатунной шейки размещается подвижная эксцентриковая втулка с зубчатым венцом. Ее угловое положение изменяется за счет поворота ответной зубчатой шестерни большого диаметра с внутренним зацеплением. По такому принципу построены и исследуются 2- и
4-цилиндровый моторы – прототипы GoEngine. Разработанный механизм одновременно обслуживают два цилиндра. Поэтому он подходит только для двигателей с определенной схемой – четным числом цилиндров, из которых два соседние работают синхронно. В других случаях количество зубчатых пар, масса и габариты двигателя возрастают чрезмерно. Одно это уже значительно сужает возможности его практического применения.
Изменение объема камеры сжатия
Альтернативные способы изменения объема камеры сжатия главным образом сводятся к устройству разделенной камеры, состоящей из двух сообщающихся частей – основной и дополнительной. Объем дополнительной камеры варьируется перемещением ее свода, которое осуществляется гидравлическими, механическими или электрическими устройствами. При этом изменяется суммарный объем камеры сгорания и соответственно степень сжатия.
Одной из первых подобную систему освоила французская фирма Hispano-Suiza. В авиационном дизельном двигателе V8 модели HS-103 применяли вихревую камеру переменного объема, подвижный свод которой перемещался под действием гидравлики. Похожее устройство регулирования степени сжатия в искровом двигателе было запатентовано концерном Ford. Отличие состояло в том, что в этой конструкции подвижная часть дополнительной камеры перемещалась при помощи профилированного кулачка. Наконец, по этому же принципу варьировалась степень сжатия в концепт-двигателе ALVAR, авторство которого принадлежит концерну Volvo. Здесь сводами дополнительных камер сжатия служили днища небольших вторичных поршней, которые приводились в действие от вала, расположенного в ГБЦ.
Способ разделения камеры сжатия привлекателен тем, что необходимые изменения ограничиваются только конструкцией головки. С другой стороны, ГБЦ (особенно современного многоклапанного двигателя) и без того достаточно плотно «упакована». Так что размещение в ней дополнительного элемента представляет большую проблему. Наличие «аппендикса» в камере сгорания неизбежно нарушает процесс смесеобразования и сгорания, что приводит к ухудшению экологических характеристик мотора. Наконец, регулирующий механизм работает в зоне максимальных тепловых и механических нагрузок, что не может не сказаться на его надежности.
На этом этапе можно сделать некоторые промежуточные выводы. Они, к сожалению, не очень утешительны. Для двигателей с традиционным КШМ были предложены и в различной степени опробованы всевозможные варианты регулирования степени сжатия. Большинство из них позволяло решить поставленную задачу по изменению в, но ни один не оказался безусловно предпочтительным и пригодным для широкого применения на серийных моторах из-за трудностей в изготовлении или обеспечении приемлемой работоспособности. Это побудило инжене-ров-двигателистов вспомнить о других типах механизмов, преобразующих поступательное движение во вращение.
Применение не традиционных преобразующих механизмов
Данное направление работ по созданию VCR-двигателя без натяжки можно назвать популярным. Им занимались и продолжают интенсивно заниматься многие автоконцерны – Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot/Citroen – и моторные исследовательские компании: немецкая FEV Motorentechnik, британская Mayflower и французская МСЕ-5 Development. Fla протяжении многих лет аналогичные разработки ведутся и в ННАМИ. Попробуем понять причину интереса к этой тематике.
Полистав увесистый томик ТММ (теория механизмов и машин, на студенческом сленге – тут моя могила), можно обнаружить огромное количество кинематических схем механизмов, которые, в принципе, возможно использовать в ДВС для передачи движения от поршня к коленчатому валу. Кривошипно-шатунный механизм – простейший из них, в чем состоит его неоспоримое достоинство. В соответствии с классификацией KIJJM является одноэлементным преобразующим механизмом, поскольку поршень связан с кривошипом единственным звеном – шатуном. Внимание двигателистов привлекли трехэлементные механизмы, которые при относительной простоте потенциально способны обеспечить важное преимущество – гибкое управление движением поршня. Трехэлементные устройства подразделяют на две большие группы – балансирные и траверсные. В первых связанное с шатуном звено (балансир) вращается, во вторых оно совершает сложное плосеое движение и называетсв траверсой. Балансирные механизмы соединяются с кривошипом тягой, треверсные – самой траверсой.
Было запатентовано и экспериментально отработано множество конструкций балансирных ДВС. Большинство из них представляли собой 2-тактные двигатели с противоположным движением поршней. Исследования показали, что ставка на балансирные механизмы себя не оправдывает. Хотя балансирные двигатели демонстрировали достаточно высокую надежность, они имели значительно большие габариты по сравнению с традиционными, ненамного превосходя их по возможности регулирования движения поршней. Гораздо более обнадеживающие результаты были получены в ходе экспериментальной отработки траверсных механизмов. Было доказано, что при определенных условиях они способны обеспечить следующие преимущества:
Приемлемый диапазон регулирования степени сжатия (ε = 7–15);
Возможность одновременного регулирования степени сжатия и рабочего объема, причем по оптимальному алгоритму;
Возможность сведения к минимуму дисбаланса двигателя за счет оптимизации закона перемещения поршней и использования массы дополнительных элементов;
Небольшие нагрузки на органы управления VCR-механизмом и, как следствие, достаточно высокое быстродействие;
Отсутствие экзотических деталей, использование традиционных для двигателестроения технологий.
Именно поэтому траверсный механизм взят за основу большинством из упомянутых выше разработчиков VCR-двигателей. Это не означает, что все они движутся «след в след». Используются разные кинематические схемы и различные конструктивные решения. Выражение «при определенных условиях» было употреблено ранее неслучайно. Действительно, преимущества траверсных механизмов присущи им отнюдь не «по определению». Они достигаются только тогда, когда геометрические и конструктивные параметры всех звеньев оптимизированы с точки зрения закона движения поршня, уравновешенности механизма и прочности. На текущем этапе эти вопросы являются основным предметом исследования.
Помимо этого отрабатываются различные варианты привода механизма и алгоритма автоматического управления степенью сжатия.
Тем временем фирма MCE-5 ведет работы в другом направлении. В предложенной ею конструкции VCR-двигателя используется КШМ, но нетрадиционным способом. Верхняя головка шатуна соединена не с поршнем, а с осью зубчатого колеса, которое, в свою очередь, связано со штангой, жестко прикрепленной к поршню. Решение на первый взгляд не бесспорное, но, по заявлениям разработчиков, обладающее рядом достоинств. Утверждается, что механизм позволяет регулировать степень сжатия в широких пределах, обеспечивает минимальные потери на трение ввиду отсутствия бокового давления поршня на стенки цилиндра, исключительно надежен и имеет большой ресурс.
Проверить это мы сможем в следующей статье, которая будет посвящена наиболее перспективным проектам ДВС с «изменяемыми неизменными».
Уникальную информацию по устройству, эксплуатации и ремонту систем турбонаддува смотрите на сайте turbomaster.ru
Редакция благодарит доктора технических наук Георга Тер-Мкртичьяна за помощь в подготовке статьи.
- Сергей Самохин
Как может показаться на первый взгляд, современный двигатель внутреннего сгорания достиг высшей ступени своей эволюции. На данный момент серийно выпускаются различные и , появились , дополнительно реализована возможность .
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 , использование и т.д.
Результатом стало заметное улучшение характеристик , 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 , избавиться от в устройстве 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.
Читайте в этой статье
Изменение степени сжатия: зачем это нужно
Многие опытные водители знакомы с такими понятиями, как и октановое число для бензиновых моторов, а также 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).
Бензиновые агрегаты имеют, в среднем, показатель 8-14, дизели 18 -23. Степень сжатия является фиксированной величиной и конструктивно закладывается во время разработки того или иного двигателя. Также от степени сжатия будут зависеть и требования к использованию октанового числа бензина в том или ином моторе. Параллельно учитывается и то, или с наддувом.
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 двигателя, получить улучшенную отдачу от мотора, снизить расход топлива и т.д.
Однако есть и нюансы. Прежде всего, это . 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.
При этом топливо имеет так называемую «детонационную стойкость», то есть способность противостоять детонации. Если же сильно увеличить степень сжатия, тогда горючее может начать детонировать в двигателе при определенных режимах работы ДВС.
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.
Такой «рабочий» мотор недавно предложили инженеры премиального бренда Infiniti (элитное подразделение Nissan). Также в аналогичные разработки были и остаются вовлечены другие автопроизводители (SAAB, Peugeot ,Volkswagen и т.д). Итак, давайте рассмотрим двигатель с изменяемой степенью сжатия.
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.
Когда нагрузки на силовой агрегат минимальны, в цилиндры подается экономичная «бедная» смесь (много воздуха и мало топлива). Для такой смеси хорошо подходит высокая степень сжатия. Если же нагрузки на мотор растут (подается «богатая» смесь, в которой больше бензина), тогда закономерно возрастает риск возникновения детонации. Соответственно, чтобы этого не произошло, степень сжатия динамично уменьшается.
В двигателях, где степень сжатия постоянна, своеобразной защитой от детонации является изменение . Данный угол сдвигается «назад». Естественно, такой сдвиг угла приводит к тому, что хотя детонации нет, но при этом теряется и мощность. Что касается мотора с изменяемой степенью сжатия, сдвигать УОЗ нет необходимости, то есть не происходит мощностных потерь.
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 . 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 , что и приводит к изменению высоты подъема поршней по отношению к . В результате объем камеры сгорания увеличивается или уменьшается, одновременно меняется и степень сжатия.
Отметим, что было построено несколько прототипов на базе 1.8-литрового турбированного агрегата от Volkswagen, степень сжатия менялась от 8 до 16. Двигатель долго испытывали, но серийным агрегат так и не стал.
- 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.
Мощность составила около 220 л. с., крутящий момент чуть более 300 Нм. Примечательно то, что расход горючего в режиме средних нагрузок снизился почти на треть. Что касается самого топлива, появилась возможность заливать как АИ-76, так и 98-й.
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.
Так была реализована возможность немного поднять верхнюю часть под определенным углом. Такой угол подъема составил всего несколько градусов, при этом степень сжатия менялась от 8 до 14. При этом герметизировать «стык» должен был кожух из резины.
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 . 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.
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.
Если производителю удастся эффективно решить имеющиеся на данный момент проблемы (сложность конструкции, повышенные вибрации, надежность, высокая конечная стоимость производства агрегата и т.д.), тогда оптимистичные заявления представителей компании вполне могут воплотиться в реальность, а сам двигатель имеет все шансы стать серийным уже в 2018-2019 году.
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.
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 .
Читайте также
Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.
