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.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Японский автопроизводитель Nissan Motor представил новый тип бензинового двигателя внутреннего сгорания, который по некоторым параметрам превосходит продвинутые современные дизельные двигатели.
Новый двигатель Variable Compression-Turbo (VC-T) способен при необходимости изменять степень сжатия газообразной горючей смеси, то есть изменять шаг хода поршней в цилиндрах ДВС. Этот параметр обычно является фиксированным. Судя по всему, VC-T станет первым в мире ДВС с изменяемой степенью сжатия смеси.
Степень сжатия - отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке (полный объём цилиндра) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке, то есть к объёму камеры сгорания.
Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность и увеличивает КПД двигателя, то есть способствует снижению расхода топлива.
В обычных бензиновых двигателях степень сжатия обычно составляет от 8:1 до 10:1, а в спортивных машинах и гоночных болидах может достигать 12:1 или больше. При повышении степени сжатия двигатель нуждается в топливе с бóльшим октановым числом.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
На иллюстрации показана разница в шаге поршней на разной степени сжатия: 14:1 (слева) и 8:1 (справа). В частности, демонстрируется механизм изменения степени сжатия от 14:1 к 8:1. Он происходит таким образом.
- В случае необходимости изменить степень сжатия активируется модуль Harmonic Drive и сдвигает рычаг актуатора.
- Рычаг актуатора поворачивает приводной вал (Control Shaft на схеме).
- Когда приводной вал поворачивается, он изменяет угол наклона многорычажной подвески (Multi-link на схеме)
- Многорычажная подвеска определяет высоту, на которую каждый поршень способен подняться в своём цилиндре. Таким образом, изменяется степень сжатия. Нижняя мёртвая точка поршня, судя по всему, остаётся прежней.
Изменение степени сжатия в ДВС можно в каком-то смысле сравнить с изменением угла атаки в винтах регулируемого шага - концепции, которая много десятилетий применяется в воздушных и гребных винтах. Изменяемый шаг винта позволяет поддерживать эффективность движителя близкой к оптимальной вне зависимости от скорости движения носителя в потоке.
Технология изменения степени сжатия ДВС даёт возможность сохранить мощность двигателя при соблюдении строгих нормативов к экономичности двигателя. Вероятно, это вообще самый реальный способ соблюсти эти нормативы. «Все сейчас работают над изменяемой степень сжатия и другими технологиями, чтобы значительно улучшить экономичность бензиновых двигателей, - говорит Джеймс Чао (James Chao), управляющий директор по Азиатско-Тихоокеанскому региону и консультант IHS, - По крайней мере последние двадцать лет или около того». Стоит упомянуть, что в 2000 году компания Saab показывала прототип такого двигателя Saab Variable Compression (SVC) для Saab 9-5, за который удостоилась ряда наград на технических выставках. Затем шведскую фирму купил концерн General Motors и прекратил работу над прототипом.
Двигатель Saab Variable Compression (SVC). Фото: Reedhawk
Двигатель VC-T обещают вывести на рынок в 2017 году с автомобилями марки Infiniti QX50. Официальная презентация назначена на 29 сентября на Парижском автосалоне. Этот двухлитровый четырёхцилиндровый двигатель будет обладать примерно такой же мощностью и крутящим моментом, что и 3,5-литровый двигатель V6, место которого займёт, но обеспечит экономию топлива 27%, по сравнению с ним.
Инженеры Nissan говорят также, что VC-T будет дешевле, чем современные продвинутые дизельные двигатели с турбонаддувом, и будет полностью соответствовать современным нормам на выбросы оксида азота и других выхлопных газов - такие правила действуют в Евросоюзе и некоторых других странах.
После Infiniti новыми двигателями планируется оснащать другие автомобили Nissan и, возможно, партнёрской компании Renault.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Можно предположить, что усложнённая конструкция ДВС в первое время вряд ли будет отличаться надёжностью. Есть смысл выждать несколько лет, прежде чем покупать автомобиль с двигателем VC-T, если только вы не хотите участвовать в тестировании экспериментальной технологии.
Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Будем разбираться, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.
В качестве вступления напомним, что степенью сжатия называют отношение объема над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней. Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23. Степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.
Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии. Для малых нагрузок, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально. Это позволяет не регулировать «назад» угол опережения зажигания, который остается в наиболее эффективной позиции для снятия мощности. Теоретически система изменения степени сжатия в ДВС позволяет до двух раз уменьшить рабочий объем мотора при сохранении тяговых и динамических характеристик.
Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней
Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем. Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.
Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня
Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия. Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.
Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.
Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров
Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании - опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.
Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло
На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.
Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора. Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.
Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а - поршень, b - шатун, с - траверса, d - коленвал, е - электродвигатель, f - промежуточный вал, g - тяга.
За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.
Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности. Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.
Каков итог?
Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.
Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.
Недавно на автосалоне в Париже марка Infiniti (читай, альянс Renault-Nissan) представила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Фирменная технология Variable Compression-Turbocharged (VC-T) позволяет варьировать эту самую степень, буквально высасывая все соки из двигателя.
В «идеальной вселенной» правило простое - чем выше степень сжатия топливо-воздушной смеси, тем лучше. Смесь максимально расширяется, поршни движутся как заведенные, следовательно, мощность и КПД мотора максимальны. Другими словами, топливо сжигается чрезвычайно эффективно.
Все было бы замечательно, если б не сама природа топлива. В ходе издевательств его терпению когда-то наступает предел: чем ровнее сгорает смесь - тем лучше, но при высоких нагрузках (высокая степень сжатия, большие обороты) смесь начинает взрываться, а не сгорать. Такое явление называется детонацией, и эта штука весьма разрушительна. Стенки камеры сгорания и сам поршень испытывают серьезные ударные нагрузки и постепенно, но довольно быстро разрушаются. Кроме того, падает эффективность мотора - нормальное рабочее давление на поршень падает.
Таким образом, наиболее выгодный вариант - когда двигатель в любом режиме работает на грани детонации, не допуская этого явления. Инженеры Infiniti составили график, на котором обозначили для себя эффективные режимы работы двигателя в зависимости от нагрузки, величины оборотов и степени сжатия топливо-воздушной смеси. (На самом деле эффективность сгорания топлива можно повышать и другими способами, например, увеличением количества клапанов на цилиндр, настройкой графика их работы, даже выбором места над поршнем, куда направляется впрыск порции топлива. Конечно, мы об этом помним.) Первые два параметра, понятно, зависят как от внешних факторов, так и от тщательного подбора трансмиссии. А третий - степень сжатия - также решено было изменять в пределах от 8:1 до 14:1.
Технически это выглядит как введение в конструкцию кривошипно-шатунного механизма дополнительного элемента - коромысла между шатуном и коленвалом. Коромысло управляется электромотором - рычаг можно сдвигать таким образом, что диапазон хода поршня варьируется в пределах 5 мм. Этого достаточно для существенного изменения степени сжатия.
Достоинств без недостатков не бывает. На первый взгляд, они очевидны: увеличение сложности конструкции, некоторая прибавка в весе... Однако насчет этих минусов грех жаловаться - двигатель получился очень сбалансированным, благодаря чему из конструкции были выведены балансировочные валы. Вероятно также, что двигатель особо чувствителен к марке и качеству топлива. Думается, эта проблема - во всяком случае, в значительной степени - решается программными методами.
Поскольку в названии технологии присутствует слово Turbocharged, очевидно, что такие моторы будут турбированными. Первый из них - двухлитровый 270-сильный встанет под капот кроссовера Infiniti QX50. Уверяют, что двигатель с изменяемой степенью сжатия потребляет на целых 27% меньше топлива, чем обычный мотор аналогичного объема. Цифра крайне внушительная. Надо думать, что и экологичность (количество выбросов вредных веществ) у него на высоте.
Введение
В настоящее время повышение топливной экономичности бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по-прежнему является актуальной научно-технической задачей. Одним из направлений улучшения экономичности двигателей является регулирование степени сжатия на частичных нагрузках. В таких ДВС реализация переменной степени сжатия требует серьезного вмешательства в конструкцию как самого двигателя, так и силового механизма, что определенным образом сказывается на параметрах рабочего процесса.
В разработке силового механизма уже достигнуты определенные успехи. В последние годы в двигателях с регулируемой степенью сжатия применяются нетрадиционные силовые механизмы, которые характеризуются сложностью, ненадежностью и неэффективностью конструкции. Многие фирмы и исследовательские организации проводят исследования, цель которых – создание силового механизма, обеспечивающего наилучшие эффективные показатели двигателя при регулировании степени сжатия. С сегодняшней точки зрения в автомобильном ДВС перспективным является использование кривошипно-кулисного силового механизма.
В настоящей работе представлены первые результаты работ, направленных на разработку бесшатунного двигателя с кривошипно-кулисным механизмом, обеспечивающим изменение степени сжатия в широких пределах.
Обзор и анализ работ по двигателям с переменной степенью сжатия
Работы по разработке двигателей с переменной степенью сжатия (Ɛх) ведутся в США, Японии, Германии, Австралии, Швейцарии, России и др. странах. К настоящему времени известно большое множество двигателей с различной конструкцией силового механизма, обеспечивающего Ɛх. Так, в двухтактном двигателе со встречно-движущимися поршнями степень сжатия изменяется с помощью дополнительных балансиров с эксцентриками, связанных с коленчатым валом через шатуны.
Работоспособные образцы аксиальных двигателей с Ɛх были созданы в США, России и других странах. В таких двигателях приводным механизмом является косая шайба с переменным углом наклона, который изменяет ход поршня (S) и соответственно степень сжатия. Недостатками этих двигателей являются повышенные потери на трение (до 20%) и низкая надежность, а также большие инерционные нагрузки на силовой вал.
Более интересные и надежные решения изменения степени сжатия посредством регулирования S найдены в конструкциях ДВС с плоским механизмом. В предложенном инженером Н. Pouliot и разработанном фирмами Sandia (США) и ERDA (Австралия) двигателе при изменении хода поршня в пределах S = 25,4 … 108 мм степень сжатия изменяется от 6,3 до 8. Топливная экономичность автомобиля с двигателем Н. Pouliot по ездовым циклам ЕРА для города и шоссейных дорог составляет 20%.
В последние годы концерн DaimlerChrysler совместно с ГНЦ НАМИ разработал двигатель с траверсным механизмом изменения S . Степень сжатия в этом двигателе изменяется от 7,5 до 14, экономия топлива превышает 15%.
Анализ двигателей с Ɛх за счет регулирования S показал следующие недостатки:
Согласно потери на трение в двигателе с S = var на 40% больше, чем в классическом ДВС и это различие резко возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала;
Существенные потери индикаторной мощности двигателя на привод изменения S;
Уменьшение S при неизменном диаметре поршня ведет к снижению турбулентности в цилиндре вследствие уменьшения скорости во впускных клапанах. В этом случае увеличивается продолжительность сгорания и теплоотдача в стенки, что приводит к росту индикаторного расхода топлива;
С уменьшением S резко возрастают выбросы СН вследствие увеличения поверхности камеры сгорания и падения температуры сгорания.
Анализ ДВС с известными силовыми механизмами свидетельствует, что максимальное значение степени сжатия на частичных режимах не превышает 14 из-за большого темпа роста потерь на трение по мере увеличения Ɛх. Это ограничивает возможность дальнейшего повышения эффективного КПД за счет увеличения степени сжатия свыше 14.
Среди других ДВС бесшатунный двигатель с кривошипно-кулисным силовым механизмом (ККМ)
6, 7 имеет наибольший потенциал по использованию переменной степени сжатия. Отличительной особенностью схемы двигателей с ККМ являются малые потери на трение во всем диапазоне нагрузок и частоты вращения, полная динамическая уравновешенность, компактность и малая удельная масса. Кроме того, в этом ДВС намного проще и эффективнее реализуется переменная степень сжатия, что в целом повышает показатели двигателя.
В АДИ ДонНТУ создан на базе двигателя экспериментальный одноцилиндровый бесшатунный ДВС с Ɛх. Двигатель (рис. 1) представляет собой двухвальный поршневой двигатель с кривошипнокулисным механизмом, в котором усилие от поршня передается на коленчатые валы через шток, механизм изменения степени сжатия и кулису с ползунами, установленными на кривошипных шейках. Коленчатые валы связаны между собой посредством двух одинаковых шестерен.
Рис. 1. Схема бесшатунного двигателя
(механизм изменения степени сжатия не показан):
1 – шток, 2 – кулиса
Результаты экспериментальных исследований показали:
– регулирование Ɛх на частичных нагрузках работающего двигателя в диапазоне от 7 до 19 повышает топливную экономичность более чем на 30 %;
– устройство изменения Ɛх имеет высокую чувствительность и способность быстро реагировать на по явление детонации. Начальная стадия развития детонации происходит в 1…3-х рабочих циклах двигателя, а затем детонация полностью исчезает;
– на привод механизма изменения Ɛх затрачивается незначительная энергия (приблизительно 0,1…0,2 % максимальной мощности двигателя);
– регулирование Ɛх во время работы двигателя не оказывает влияния на кинематику ККМ.
Влияние силового механизма на газораспределение в двигателе
На кафедре автомобилей и двигателей АДИ ДонНТУ были проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования бесшатунного и
классического ДВС с переменной степенью сжатия.
Одной из задач этих исследований было выявление влияния силового механизма на работу двигателя при регулировании степени сжатия.
Применение в бесшатунном двигателе кривошипно-кулисного механизма приводит к изменению кинематики поршня. В отличие от классического в
бесшатунном двигателе поршень перемещается по косинусоидальному закону. В результате скорость поршня вблизи в.м.т. (рис. 2) снижается, а около н.м.т. увеличивается. Это приводит к изменению фаз газораспределения в бесшатунном двигателе относительно классического ДВС.
Рис. 2. Зависимость скорости поршня от угла
поворота коленчатого вала для двигателей с ККМ (=0) и
КШМ при n = 4500 мин-1
Изменение степени сжатия перемещением цилиндра относительно картера приводит в двухтактном двигателе к изменению высоты открытия впускного,
выпускного и продувочных окон и соответствующих фаз газораспределения.
Как показывают расчеты, кинематика поршня оказывает существенное влияние на фазы газораспределения. Применение ККМ, уменьшая время-сечение
А’ вып выпускного окна в среднем на 11% (рис 3) относительно двигателя с КШМ, усиливает влияние регулирования степени сжатия на процессы газообмена.
Однако характер зависимости время-сечения от степени сжатия остается неизменным. Это позволяет при изменении степени сжатия от 7 до 17 уменьшить величину А’вып более чем на 30 % независимо от силового механизма.
Следует отметить, что снижение А’вып на частичных нагрузках и при малых частотах вращения коленчатого вала является положительным, так как позволяет сократить потери свежего заряда при продувке и улучшить экономичность двигателя.
Рис. 3. Изменение время-сечения выпускного окна от
степени сжатия для двигателей с ККМ и КШМ
Влияние силового механизма на индикаторные и эффективные показатели двигателя
Изменение кинематики поршня в бесшатунном двигателе, оказывает существенное влияние на рабочий процесс. В этом двигателе уменьшение скорости поршня в районе в.м.т. приводит к снижению тепловых потерь в процессе сгорания и увеличению степени последующего расширения.
Результаты экспериментального исследования показали положительное влияние кинематики поршня бесшатунного двигателя на его индикаторные показатели. Так, например, при N e = 0,8 кВт, n = 3000 мин-1
и Ɛх = 7,7 удельный индикаторный расход топлива ниже более чем на 11 % по сравнению с исследуемым классическим двигателем. Очевидно, это связано со снижением прямых потерь смеси в процессе газообмена, а также лучшим протеканием процесса сгорания.
Анализ полученных данных показал, что увеличение степени сжатия в бесшатунном двигателе сопровождается более равномерным повышением индикаторных показателей. При высоких степенях сжатия влияние кинематики поршня на улучшение индикаторных показателей двигателя усиливается.
Повышение топливной экономичности бесшатунного двигателя связано не только с кинематикой поршня, но и с малыми механическими потерями.
Из результатов экспериментальных исследований механических потерь в бесшатунном и классическом двигателях видно, что в бесшатунном двигателе механические потери при одинаковых Ne и Ɛх во всех случаях ниже (рис. 4). Кроме того, с повышением степени сжатия разница в величине механических потерь существенно возрастает.
Рис. 4. Влияние Ɛх на механические потери в
двигателях с ККМ и КШМ: N e = 0,4 кВт, n = 3000 мин-1
Так, при степени сжатия 7,7 механические потери в бесшатунном двигателе ниже, чем в классическом ДВС на 1,5…2 %, а при Ɛх = 17,1 - на 26 %. Это связано с различным характером зависимости среднего давления механических потерь p м для различных ДВС при изменении степени сжатия. В бесшатунном двигателе зависимость p м = f(x) носит почти линейный характер, в то время как в двигателе с КШМ –степенной характер.
Выявленные преимущества бесшатунного двигателя по индикаторным показателям и механическим потерям существенно проявляются на его эффективных показателях.
Полученные опытным путем зависимости индикаторных и эффективных показателей (рис. 5) показывают целесообразность использования кривошипно-кулисного механизма в двигателях с регулированием степени сжатия.
В бесшатунном двигателе в отличие от классического удельный эффективный расход топлива снижается с повышением степени сжатия свыше 14 на всех скоростных и нагрузочных режимах. Это позволяет устанавливать Ɛх в бесшатунном двигателе на максимально возможном уровне - по началу детонации (или самовоспламенению бензомасляной смеси в двухтактном двигателе).
Рис. 5. Зависимость показателей двигателей с КШМ
и ККМ от нагрузки при регулировании
степени сжатия: n = 3000 мин-1
В исследуемом двигателе с КШМ степень сжатия для различных режимов изменялась от 10 до 14 и ограничивалась увеличением величины g e из-за роста механических потерь. Таким образом, в двигателе с ККМ использование Ɛх может повысить топливную экономичность на малых нагрузках более чем на 15% по сравнению с двигателем с КШМ и изменяемой степенью сжатия, а по отношению к классическому двигателю с фиксированной степенью сжатия - на 30…45 %.
Заключение
Представленные результаты показывают, что применение в бензиновом двигателе регулирования степени сжатия на частичных режимах может существенно улучшить его топливную экономичность.
Рассмотрены варианты принципиальных схем силового механизма, связанные с реализацией переменной степени сжатия применительно к автомобильному двигателю. В ДВС с известными силовыми механизмами максимальная переменная степень сжатия не превышает 14 вследствие значительного роста с повышением Ɛх потерь на трение, что ограничивает возможность дальнейшего улучшения эффективного КПД двигателя.
Более высокая топливная экономичность при регулировании степени сжатия достигается в бесшатунном двигателе с кривошипно-кулисным механизмом.
Используя ККМ в бензиновом двухтактном двигателе, удалось снизить механические потери на 26 %, повысить топливную экономичность на 30…45 %. Кроме того, анализ работ свидетельствует о значительном
превосходстве двигателей с ККМ по вибрации и шуму, уравновешенности, компактности и удельной мощности. В таких двигателях конструктивно проще и намного эффективнее реализуется переменная степень сжатия.
Дополнительно к первым результатам, изложенным в настоящей статье, необходимо выполнить большой объем исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке и созданию бесшатунного бензинового двигателя с переменной степенью сжатия.
Список литературы:
1. Tumoney S.G. Variable compression ratio diesel engine // Intersoc Energy Convers. – Eng. Conf. – Boston.
Mass. – 1971. – P. 356 – 363. 2. Welsh H.W., Riley C.T.
The Variable Displacement Engine: An Advanced Concept Power Plant // SAE Paper. – 1971. – № 710830. 3.
Кутенев В.Ф., Зленко М.А., Тер-Мкртичьян Г.Г.
Управление движением поршней - неиспользованный
резерв улучшения мощностных и экономических пока-
зателей дизеля // Автомобильная промышленность. –
1998. – № 11. – С. 25 – 29. 4. Pouliot H.N., Robinson C.W., Delameter W.R. A Variable – Displacement
Spark – Ignition Engine. Final Report // Report No.
SAND 77 – 8299, Sandia Laboratories. – California,
1978. 5. Еремкин В. Экспорт Технологий // Авто Ревю.
– 2000. – № 5. – С. 32. 6. Мищенко Н.И. Нетрадици-
онные малоразмерные двигатели внутреннего сгора-
ния. В 2 т. Т. 1. Теория, разработка и испытание не-
традиционных двигателей внутреннего сгорания. –
Донецк: Лебедь, 1998. – 228 c. 7. Neuer Motor – Typ vor
der Serienreife: Auberge wohnliche Laufrune. Ind // ANZ.
– 1990. – Vol. 112, № 102. – S. 23.
