Подробная информация о первом в мире бензиновом серийном двигателе с изменяемой степенью сжатия. Ему предсказывают большое будущее и говорят, что разработанная Инфинити технология станет большой угрозой для существования дизельных моторов.
Бензиновый поршневой двигатель, который может динамически изменять степень сжатия*, то есть величину, на которую поршень сжимает топливовоздушную смесь в цилиндре, давняя мечта многих поколений инженеров, разрабатывавших двигатели внутреннего сгорания. Некоторые автомобильные марки были как никогда близки к разгадке теории, были сделаны даже образцы таких моторов, например, успехов в этом достиг Saab.
Возможно у шведского автопроизводителя сложилась бы совершенно иная судьба, если бы в январе 2000 года Saab не был окончательно приобретен корпорацией General Motors. К сожалению, для заокеанского хозяина были не интересны подобные разработки и дело было приостановлено.
*Степень сжатия- объём камеры сгорания в момент, когда поршень находится в нижней мертвой точке, к объему, когда он подминается к верхней мертвой точке. Иными словами, это показатель сжатия поршнем воздушно-топливной смеси в цилиндре
Основной соперник был сломлен и Nissan, как второй потенциальный разработчик инновационной системы с изменяемым коэффициентом сжатия, продолжил путь в гордом одиночестве. 20 лет кропотливого труда, расчетов и моделирования не прошли даром, люксовое подразделение японской компании известное под брендом Infiniti представило окончательную разработку двигателя с изменяемой степенью сжатия который мы увидим под капотом модели . Станет ли ее разработка лебединой песней всех дизельных двигателей? Вопрос интересный.
2.0 литровый четырехцилиндровый турбированный силовой агрегат (расчетная мощность 270 л.с. и 390 Нм крутящего момента) получил наименование VC-T (Variable Compression-Turbocharged). Уже в названии отражены принцип его работы и технические данные. Система VC-T способна плавно и непрерывно динамически изменять степень сжатия от показателя 8:1 до 14:1.
Общий принцип действия системы двигателя VC-T можно описать следующим образом:
Это схематичное простое описание принципа работы системы. На самом деле конечно же все гораздо сложнее.
Действительно силовые агрегаты с низкой степенью сжатия не могут обладать высокой производительностью. Все мощные двигатели, в особенности у гоночных машин, как правило, имеют очень высокую степенью сжатия, у многих болидов она превышает 12:1, и даже доходит до 15:1 у двигателей работающих на метаноле. Тем не менее такая высокая степень сжатия также способна сделать моторы более эффективными и экономичным. Это наводит на логичный вопрос, почему бы не делать двигатели, которые бы всегда обладали высокой степенью сжатия воздушно-топливной смеси? Зачем городить огород со сложными системами привода поршней?
Главная причина невозможности использования такой системы при работе на обычном низкооктановом топливе- появление при высокой степени сжатия и высокой нагрузке детонации. Бензин начинает не сгорать, а взрываться. Что понижает выживаемость узлов и агрегатов мотора и снижает его экономичность. По сути у бензинового двигателя происходит тоже самое, что и у мотора, работающего на ДТ, за счет высокого сжатия воспламеняется топливовоздушная смесь, правда происходит это не в нужный момент и это не предусмотрено конструкцией мотора.
В моменты «кризиса» сгорания топливо-воздушной смеси и приходит на помощь изменяемая степень сжатия, которая способна снижаться в моменты пиковой мощности с максимальным нагнетанием давления наддувом турбокомпрессора, что предотвратит мотор от детонации. И наоборот, во время работы на малых оборотах с малым давлением наддува, степень сжатия будет повышаться, увеличивая тем самым крутящий момент и снижая расход топлива.
В дополнение к этому, двигатели оснащаются системой регулируемых фаз газораспределения, что делает возможной работу двигателя по циклу Аткинсона в то время, когда от мотора не требуется отдачи высоких мощностных показателей.
Такие моторы обычно встречаются у гибридных автомобилей, главным для которых является экологичность и малый расход топлива.
Результатом всех проведенных изменений стал двигатель, который способен на 27 процентов увеличить топливную экономичность в сравнении с 3,5-литровым V6 Nissan обладающего примерно так же мощностью и крутящим моментом. По информации Reuters, на пресс-конференции инженеры компании Nissan заявил, что новый двигатель обладает крутящим моментом сопоставимым с показателями современного турбодизеля, и при этом он должен быть дешевле в производстве, чем любой современный турбодизельный мотор.
Вот почему Ниссан делает такую большую ставку на разработанную систему, ведь в его представлении она имеет потенциал, способный частично заменить дизельные двигатели по многим параметрам использования, возможно, включая более дешевые варианты для стран, где бензин является основным видом топлива, примером такой страны может быть и Россия.
Если идея приживется, в будущем наверняка появятся двухцилиндровые бензиновые силовые агрегаты, которые неплохо подойдут . Это может стать одной из веток развития системы.
Гибкость двигателя кажется впечатляющей. Технически такого эффекта удалось добиться при помощи, особого рычага привода воздействующего на вал привода, изменяющего положение многорычажной системы, вращающейся вокруг главного подшипника шатуна. Справа к многорычажной системе крепится еще один рычаг идущий от электродвигателя. Он изменяет положение системы относительно коленчатого вала. Это отражено в патенте и чертежах Infiniti. Шток поршня имеет центральную поворотную многорычажную систему, которая способна изменять свой угол, что приводит к изменению эффективной длины штока поршня, что в свою очередь изменяет длину хода поршня в цилиндре, которое, что в конечном итоге, изменяет степень сжатия.
Двигатель, разработанный для Infiniti даже с первого взгляда, выглядит гораздо более сложным, чем его классический соплеменник. Косвенно догадку подтверждают в самом Ниссан. Они говорят, что экономически оправданно по такой схеме делать четырехцилиндровые моторы, но не более сложные V6 или V8. Стоимость всех систем привода шатунов может оказаться слишком высокой.
С учетом всего вышесказанного эта схема двигателя должна, нет, просто обязана, прижиться на . Такая отдача мощности и экономичность будет непревзойденным бонусом для машин, оборудованных ДВС и электродвигателями.
Двигатель VC-T будет официально представлен 29 сентября на Парижском автосалоне.
P.S.
Так вытеснит ли новый бензиновый двигатель дизельные моторы? Вряд ли. Во-первых, констукция бензинового мотора более сложная, а значит и более прихотливая. Ограничение по объему также ограничивает диапазон применения технологии. Производство дизельного топлива также никто не отменял, куда его девать, если все перейдут на бензин? Выливать? Складировать? И наконец, применение дизельных агрегатов (простой конструкции) отлично подходит для сложных природных условий, чего нельзя сказать о бензиновых ДВС.
Скорее всего уделом новой разработки станут гибридные автомобили и современные малолитражки. Что тоже по-своему немалая часть автомобильного рынка.
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.
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.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания с камерой сгорания, имеющей переменный объем и управляемые впускные клапаны. Технический результат заключается в возможности повышения кпд двигателя и снижения воздействия на окружающую среду. Согласно изобретению управление поршневым двигателем внутреннего сгорания обеспечивается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов и в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к способу управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания с камерой сгорания, имеющей переменный объем и управляемые впускные клапаны.
Изобретение применимо к двигателям, работающим с переменной нагрузкой, например к карбюраторным двигателям и дизельным двигателям, предназначенным для приведения в движение транспортных средств, самолетов, лодок, судов и т.д., а также для приведения в действие компрессоров, гидравлических насосов, электрических генераторов и т.д.
Изобретение требует использования системы управления. Работа системы управления определяется ее программным обеспечением. Программное обеспечение, посредством которого может быть реализовано настоящее изобретение, может, например, быть частью большей системы управления, используемой также для управления другими характеристиками и параметрами рассматриваемого двигателя.
Уровень техники
В течение последних десятилетий развитие двигателей внутреннего сгорания было направлено на повышение экономичности их работы и снижение воздействия на окружающую среду путем введения систем цифрового управления, например для инжекции топлива и зажигания.
Однако, несмотря на указанные усовершенствования, остается нерешенной проблема, которая состоит в том, что изменение режима работы приводит к низкому усредненному коэффициенту полезного действия и значительному воздействию на окружающую среду. Состав выхлопных газов также изменяется, что мешает их очистке.
Известно, что переменная степень сжатия повышает коэффициент полезного действия двигателя. Кроме того, известно, что введение свободно управляемых клапанов, так называемых управляемых приводов клапанов, приводит к возможности замены дроссельного регулирования на более раннее закрытие впускных клапанов в течение такта впуска, так называемый цикл Миллера, и к возможности полного закрытия цилиндра в течение такого небольшого времени, как один оборот двигателя, что называют также частотной модуляцией крутящего момента или циклом пропуска, в результате чего значительно повышается эффективность работы двигателя. Кроме того, установлено, что при использовании управляемых приводов клапанов можно переключаться из работы с двухтактным циклом к работе с четырехтактным циклом.
Цель изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера сгорания переменного объема и управляемые клапаны, причем предлагаемый способ обеспечивает устранение вышеупомянутых недостатков и приводит к повышению кпд двигателя и снижению воздействия на окружающую среду.
Сущность изобретения
Цели настоящего изобретения достигаются в вышеупомянутом способе, отличающемся тем, что крутящий момент, который необходим для заданных условий работы, достигается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы поршня.
Насколько известно изобретателю, ранее никто не предлагал объединить в одном и том же двигателе использование переменной степени сжатия и управляемых приводов клапанов. Предпочтительно при максимальной нагрузке используется максимальный объем камеры сгорания. При понижении нагрузки объем уменьшают, причем одновременно используют более раннее закрытие впускных клапанов, до такой степени, когда достигается оптимальная эффективность, которая является максимальной для требуемого рабочего режима. При продолжении снижения нагрузки используют частотно-модулированный крутящий момент, когда требуемая нагрузка достигается путем выбора системой управления частоты рабочих ходов, при поддержании характеристики или параметров, соответствующих уровню нагрузки, при котором была достигнута оптимальная мощность двигателя. Если при малой скорости вращения двигателя необходим большой крутящий момент, предпочтительно используют работу с двухтактным циклом. Поскольку согласно изобретению использование переменной степени сжатия скомбинировано с использованием управляемых приводов клапанов, достигаются синергетические эффекты, например большее снижение расхода топлива, чем сумма снижений расхода топлива, которые могут быть достигнуты при использовании по отдельности переменной степени сжатия или управляемых приводов клапанов.
Переменной степенью сжатия называется изменение объема между поршнем и потолком цилиндра в верхней мертвой точке поршня.
Управляемыми клапанами, или управляемыми приводами клапанов, называются клапаны, временем открытия и закрытия, а также высотой подъема и площадью которых управляют посредством исполнительных элементов, которые приводятся в действие сигналами, поступающими из системы управления клапанами. Управляемые клапаны имеют исполнительные элементы, которые приводятся в действие с помощью пневматических, гидравлических, электромагнитных или любых других аналогичных средств.
Рабочим ходом называется ход поршня, в течение которого энергия массы газа, расширяющегося в процессе сгорания, превращается в механическую работу. Рабочие ходы могут входить в циклы, которые являются оптимальными или обычными, как в современных двигателях.
Холостым ходом называется ход поршня без какого-либо газообмена, подачи воздуха или сгорания; в процессе холостого хода никакой работы не производится. В течение такого хода имеют место небольшие потери из-за трения и тепловые потери. В течение холостого хода через двигатель не прокачивается никакой воздух или воздушно-топливная смесь. Холостой ход предполагает, что по меньшей мере впускные клапаны являются управляемыми и удерживаются закрытыми в течение холостого хода, препятствуя поступлению воздуха, до того момента, когда они открываются вновь. Однако согласно изобретению предпочтительно, чтобы выпускные клапаны также являлись управляемыми.
Частота рабочих ходов может изменяться между 0 и 100% от частоты оборотов двигателя. Эта частота может быть выбрана путем выполнения рабочего хода во время каждого n-го оборота двигателя, при этом оставшиеся ходы являются холостыми ходами. Альтернативно выполняется последовательность рабочих ходов, а холостой ход выполнялся во время каждого n-го оборота двигателя. Требуемый крутящий момент измеряется датчиком и передается в систему управления, которая выбирает частоту выполнения рабочих ходов.
Оптимальным рабочим ходом называется ход поршня, в течение которого выполняемая работа является максимально возможной с учетом существующих экономических и экологических условий и потребления топлива. При обеспечении требуемого крутящего момента путем выбора частоты оптимальных рабочих ходов достигается наилучшая экономичность работы.
При работе с четырехтактным циклом оптимальный рабочий ход включает опережающее закрытие впускных клапанов, цикл Миллера, в отличие от обычных современных двигателей, и задержанное открытие выпускных клапанов, цикл Аткинсона, в отличие от традиционной практики. Объем камеры сгорания выбирают из соображений получения по возможности наилучшего результата при заданных условиях, и в результате объем камеры сгорания составляет приблизительно 20-80% от максимального объема камеры сгорания, а предпочтительно - 30-50% от указанного максимального объема.
Посредством экспериментов с двигателем можно определить значения соответствующих параметров для каждой скорости вращения двигателя. Альтернативно система управления может быть адаптивной, то есть самообучающейся.
Оптимальный рабочий ход при двухтактном цикле отличается от оптимального рабочего хода при четырехтактном цикле, поскольку давление в цилиндре, которое имеется при открытии выпускных клапанов, должно использоваться для осуществления газообмена. Быстрое открытие выпускных клапанов приводит к созданию импульса выходящих отработанных газов, который, в свою очередь, создает в цилиндре низкое давление, т.е. давление ниже 1 атмосферы. Выпускные клапаны закрывают, а затем открывают впускные клапаны, причем в такой момент, чтобы наилучшим образом использовать закрытие выпускных клапанов и низкое давление для впуска должного количества воздуха перед следующим тактом сжатия и следующим рабочим ходом. Оптимальные рабочие ходы могут также выполняться при помощи выходных каналов, которые открываются или остаются открытыми при достижении поршнем нижней мертвой точки.
В течение двухтактного цикла можно использовать продувочный насос, отвечающий за газообмен полностью или частично, в комбинации с низким давлением в цилиндре.
В определенных рабочих режимах может возникнуть необходимость отступления от оптимальных рабочих ходов, например когда требуется максимальная отдача или в других предельных условиях.
Двигатель и его система управления могут быть разработаны с возможностью задания более чем одного набора параметров оптимального рабочего хода для заданной скорости вращения двигателя при использовании двух или более типов топлива, которым вследствие различия их свойств соответствуют разные оптимальные рабочие ходы. Примерами таких комбинаций являются бензин и этиловый спирт. Для каждой скорости вращения имеется один набор оптимальных параметров рабочего хода для бензина и другой - для этилового спирта.
Согласно настоящему изобретению системы подачи воздуха и топлива заранее настроены так, что в каждом рабочем ходе при определенной скорости вращения двигателя для сгорания используются одинаковые массы воздуха и топлива и такая же смесь воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах при той же скорости вращения. Кроме того, для рабочих ходов возможные количества рециркулируемого отработанного газа одинаковы. Поскольку условия сгорания повторяются и не изменяются, это приводит к тому, что за каждый рабочий ход, происходящий при постоянной скорости вращения двигателя, выполняется одинаковая работа, а химический состав отработанных газов остается постоянным, что облегчает очистку отработанного газа.
В обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания, работающих с четырехтактным циклом, сгорание с рабочим ходом происходит при каждом втором обороте двигателя, а в двигателе, работающем с двухтактным циклом, оно происходит при каждом обороте двигателя. Газообменные системы таких двигателей приводят к тому, что другие интервалы ходов являются невозможными, поскольку воздух, остатки топлива, например несгоревшие углеводороды, прокачиваются через двигатель, в результате чего его эффективность снижается, а воздействие на окружающую среду возрастает. Для использования изобретения и даваемых им преимуществ клапаны и каналы, служащие для газообмена, должны иметь возможность закрываться в течение одного или нескольких последовательных холостых ходов, что часто используется при неполной нагрузке. Соответственно для осуществления изобретения требуются управляемые клапаны, по меньшей мере управляемые впускные клапаны.
При использовании управляемых клапанов, открытием и закрытием и, возможно, высотой подъема которых управляют посредством системы цифрового управления с датчиками, определяющими положение коленчатого вала и/или положение поршня и скорость вращения двигателя, и соответствующих электронных средств и программного обеспечения газообмен и рабочие ходы могут выполняться только при необходимости. В остальное время клапаны, по меньшей мере впускные клапаны, остаются закрытыми. Это подразумевает, что частота оптимальных рабочих ходов выбирается для достижения требуемого крутящего момента.
В способе управления используется система цифрового управления, которая определяет запрошенный крутящий момент в каждый момент времени. Если этот крутящий момент находится в пределах области, в которой он может быть достигнут с помощью оптимальных рабочих ходов, предпочтительно от работы на холостом ходу до 50% нагрузки, то система управления выбирает определенную частоту рабочих ходов, а именно ту, которая должна обеспечить достижение требуемого крутящего момента. При заданном значении скорости вращения рабочие ходы обеспечивают совершение одинаковой работы за каждый производимый рабочий ход. Поэтому такая частота является искомой частотой рабочих ходов для достижения требуемого значения крутящего момента.
Управляемые клапаны обеспечивают подачу воздуха и топлива и удаление отработанных газов, а также газообмен непосредственно до и после рабочих ходов. При выборе частоты, при которой рабочий ход выполняется при каждом обороте, газообмен также должен происходить при каждом обороте, как в двухтактном двигателе. Газообмен может также выполняться как в современных четырехтактных двигателях, то есть с применением такта впуска, в результате чего рабочий ход выполняется при каждом втором обороте двигателя. Согласно настоящему изобретению обеспечение заданного крутящего момента происходит путем выбора частоты двухтактных циклов или четырехтактных циклов или такой частоты, при которой один или несколько двухтактных циклов сочетаются с одним или несколькими четырехтактными циклами. Согласно настоящему изобретению можно выбрать разные частоты рабочих ходов для различных цилиндров двигателя. Если впускные клапаны являются управляемыми, а выпускные клапаны нет, то можно выполнять только четырехтактные циклы.
Система управления в ответ на запрос на увеличение или уменьшение крутящего момента со стороны водителя, например, использующего для этого педаль акселератора обычным или аналогичным способом, управляет долей рабочих ходов по отношению к количеству холостых ходов двигателя. Таким образом, рабочие ходы оптимизируются в соответствии с вышеупомянутым определением, поскольку система управления способна также управлять объемом камеры сгорания в пределах управляемого диапазона, а также количеством подаваемого воздуха путем выбора времени открытия и закрытия впускных клапанов и, возможно, величины подъема клапана.
Двигателем управляют путем изменения количества рабочих ходов по отношению к количеству холостых ходов для каждого цилиндра и путем разного изменения этого отношения от цилиндра к цилиндру. Система управления управляет двигателем путем управления открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов соответственно в камере сгорания каждого цилиндра или открытия и закрытия только впускных клапанов, если выпускные клапаны не являются управляемыми. Таким образом, открытие и закрытие впускных клапанов и, возможно, также выпускных клапанов основано на крутящем моменте, который запрошен со стороны водителя. Управление выполняют посредством управляющих сигналов из блока управления, относящегося к системе управления. Если выпускные клапаны не являются управляемыми, рабочие ходы должны выполняться в рамках четырехтактного цикла. Если и впускные, и выпускные клапаны являются управляемыми клапанами, система управления может быть выполнена с возможностью переключения между четырехтактными циклами и двухтактными циклами в цилиндрах двигателя. Например, один цилиндр мог бы работать с двухтактным циклом, а другой - с четырехтактным циклом. Система управления должна быть способна вычислить, при каких условиях двухтактные циклы или четырехтактные циклы являются наиболее эффективными, и на этой основе выбрать один из этих видов циклов и использовать определенную частоту рабочих ходов. Соответственно способ управления включает выбор между двухтактным циклом и четырехтактным циклом на основе этих заданных условий. Система управления включает блок управления, который содержит соответствующую компьютерную программу, записанную на носителе информации. Блок управления функционально связан с некоторой схемой, например, для пневматической, гидравлической, электромагнитной или любой другой активации исполнительных элементов, которые управляют работой по меньшей мере впускных клапанов, но, возможно, также и выпускных клапанов. Блок управления может быть выполнен, например, так, что он управляет соленоидами, установленными в схеме приведения в действие исполнительных элементов, которые действуют на впускные или выпускные клапаны двигателя. Блок управления функционально связан с элементом, выдающим запрос на крутящий момент, например с педалью акселератора, посредством которой водитель дает запрос на увеличение или уменьшение крутящего момента двигателя. Система управления для частотно-модулированного крутящего момента может быть частью некоторой системы, например частью, соответствующей режиму экономичной работы, в большей системе управления, которая управляет также другими характеристиками или параметрами рассматриваемого двигателя.
Чем ниже нагрузка, тем значительнее относительное сокращение расхода топлива и уменьшение воздействия на окружающую среду, достигаемое с использованием настоящего изобретения. Двигатель и его система управления могут быть разработаны так, чтобы охватывать как весь диапазон работы двигателя с различными частотами оптимальных рабочих ходов, так и управление только одним параметром.
Без выхода за рамки настоящего изобретения можно сделать так, чтобы в течение одного или нескольких оборотов двигателя в цилиндр поступал и в нем накапливался только воздух или комбинация топлива и воздуха, например, для улучшения смешивания и/или превращения топлива в газ. Изобретение не ограничено выбором только абсолютных оптимальных рабочих ходов или выбором оптимальной частоты.
Таким образом, в соответствии с изобретением предложен способ управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера сгорания переменного объема и управляемые впускные клапаны, в котором крутящий момент, запрошенный для заранее заданного рабочего режима, достигается путем выбора объема камеры сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы.
При этом предпочтительно:
При максимальной нагрузке используют максимальный объем камеры сгорания,
При уменьшении нагрузки уменьшают объем камеры сгорания, а закрытие впускных клапанов выполняют раньше, и
При дальнейшем уменьшении нагрузки производят выбор частоты выполнения рабочих ходов.
Выбор частоты рабочих ходов предпочтительно выполняют, начиная от работы на холостом ходу до 50% максимальной нагрузки.
Предпочтительно выпускные клапаны являются управляемыми, а объем камеры сгорания выбирают в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия как впускных клапанов, так и выпускных клапанов, а также в комбинации с выбором частоты выполнения рабочих ходов.
Предпочтительно в двигателе имеется множество цилиндров, и для разных цилиндров выбирают различные частоты рабочих ходов.
Рабочие ходы можно выполнять с опережающим закрытием впускных клапанов. Рабочие ходы также можно выполнять с задержанным открытием выпускных клапанов.
Например, объемом камеры сгорания управляют так, что он составляет 20-80% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов. Предпочтительно объем камеры сгорания составляет 30-50% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.
При заранее заданной скорости вращения двигателя, которая не зависит от крутящего момента, при каждом рабочем ходе предпочтительно сжигают по существу такую же массу воздуха и топлива и по существу с таким же соотношением воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах.
Кроме того, в зависимости от запрошенного крутящего момента в предложенном способе управления выбирают двухтактный или четырехтактный цикл, и рабочие ходы выполняют с двухтактным и с четырехтактным циклом.
Кроме того, в предложенном способе управления используют систему управления с компьютерной программой, которая посредством сигнального управления на основе значения крутящего момента, запрошенного водителем, выбирает частоту рабочих ходов, время срабатывания клапана, высоту подъема клапана, объем камеры сгорания и работу с двухтактным циклом или четырехтактным циклом.
Краткое описание чертежей
На чертеже схематично показан двигатель, в котором реализован способ согласно настоящему изобретению.
Краткое описание варианта осуществления изобретения
На чертеже схематично показан цилиндр 1 с поршнем 2. В течение такта впуска четырехтактного цикла поршень 2 перемещается, и воздух, возможно вместе с топливом, течет через открытый впускной клапан 3. Выпускной клапан 4 закрыт. Для изменения объема камеры 6 сгорания используется поршень 5 переменной степени сжатия, указанный объем представляет собой объем между поршнем 2 и потолком цилиндра 1 в верхней мертвой точке поршня 2. Для активации приводов с целью управления клапанами 3 и 4 и поршнем 5 переменной степени сжатия используется пневматическая схема 7. Блок 8 управления функционально связан со схемой 7 для управления этой схемой с помощью сигналов и управления клапанами 3 и 4, связанными со схемой 7, а также поршнем 5 переменной степени сжатия. Элемент 9, например педаль акселератора, функционально связан с блоком 8 управления с целью обеспечения запроса на создание крутящего момента. Датчик 10, расположенный около градуированного диска 12, который установлен на коленчатом валу 11, функционально связан с блоком 8 управления и выдает последнему информацию о скорости вращения и положении коленчатого вала и/или положении поршня 2 в цилиндре 1. Блок 8 управления решает, когда управляемые клапаны 3 и 4 должны открыться или закрыться и в каком положении должен быть поршень 5 переменной степени сжатия, когда поршень 2 находится в своей верхней мертвой точке. Управляемые клапаны 3 и 4 приводятся в действие с помощью, например, электромагнитных, гидравлических или пневматических средств. Поршень 5 переменной степени сжатия перемещается, например, с помощью электромагнитных, гидравлических или пневматических средств. Поршень 5 переменной степени сжатия может быть связан с коленчатым валом 11 (не показано) и может быть выполнен с возможностью осуществления изменяемого возвратно-поступательного перемещения в координации с перемещением поршня 2. Кроме того, в автоматической системе управления поршень 5 переменной степени сжатия может непрерывно производить поиск положения, в котором достигается оптимальное сжатие.
1. Способ управления для модуляции крутящего момента поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором имеется камера (6) сгорания переменного объема и управляемые впускные клапаны (3), отличающийся тем, что крутящий момент, запрошенный для заранее заданного рабочего режима, достигается путем выбора объема камеры (6) сгорания в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия впускных клапанов (3) в комбинации с выбором частоты, с которой выполняются рабочие ходы.
2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что при максимальной нагрузке используют максимальный объем камеры сгорания, при уменьшении нагрузки уменьшают объем камеры сгорания, а закрытие впускных клапанов (3) выполняют раньше и при дальнейшем уменьшении нагрузки производят выбор частоты выполнения рабочих ходов.
3. Способ управления по п.1 или 2, отличающийся тем, что выбор частоты рабочих ходов выполняют, начиная от работы на холостом ходу до 50% максимальной нагрузки.
4. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что выпускные клапаны являются управляемыми, а объем камеры (6) сгорания выбирают в комбинации с выбором времени открытия и времени закрытия как впускных клапанов (3), так и выпускных клапанов (4), а также в комбинации с выбором частоты выполнения рабочих ходов.
5. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в двигателе имеется множество цилиндров (1), и для разных цилиндров (1) выбирают различные частоты рабочих ходов.
6. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что рабочие ходы выполняют с опережающим закрытием впускных клапанов (3).
7. Способ управления по п.4, отличающийся тем, что рабочие ходы выполняют с задержанным открытием выпускных клапанов (4).
8. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что объемом камеры (6) сгорания управляют так, что он составляет 20-80% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.
9. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что объем камеры (6) сгорания составляет 30-50% от ее максимального объема, когда выбирают частоту рабочих ходов.
10. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что при заранее заданной скорости вращения двигателя, которая не зависит от крутящего момента, при каждом рабочем ходе сжигают по существу такую же массу воздуха и топлива и по существу с таким же соотношением воздуха и топлива, как и при других рабочих ходах.
11. Способ управления по любому из пп.4-10, отличающийся тем, что в зависимости от запрошенного крутящего момента выбирают двухтактный или четырехтактный цикл и рабочие ходы выполняют с двухтактным и с четырехтактным циклом.
12. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в нем используют систему (8) управления с компьютерной программой, которая посредством сигнального управления на основе значения крутящего момента, запрошенного водителем, выбирает частоту рабочих ходов, время срабатывания клапана, высоту подъема клапана, объем камеры (6) сгорания и работу с двухтактным циклом или четырехтактным циклом.
За более чем столетний жизненный путь двигатель внутреннего сгорания (ДВС) настолько преобразился, что от родоначальника остался только принцип действия. Почти все этапы модернизации были направлены на повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя. Показатель КПД можно назвать универсальным. В нем скрыты многие характеристики - расход топлива, мощность, крутящий момент, состав выхлопных газов и т.д. Широкое применение новых технических идей - впрыск топлива, электронные системы зажигания и управления двигателем, 4, 5 и даже 6 клапанов на цилиндр - сыграло положительную роль в повышении КПД двигателей.
Тем не менее, как показал Женевский автосалон, до завершения процесса модернизации ДВС еще далеко. На этом популярном международном автошоу компания SAAB представила результат своего 15-летнего труда - опытный образец нового двигателя с изменяемой степенью сжатия - SAAB Variable Compression (SVC), ставший сенсацией в мире моторов.
Технология SVC и ряд других передовых и нетрадиционных с точки зрения существующих понятий о ДВС технических решений позволили снабдить новинку фантастическими характеристиками. Так, пятицилиндровый двигатель объемом всего 1,6 л, созданный для обычных серийных машин, развивает немыслимую мощность 225 л.с. и крутящий момент 305 Нм. Превосходными оказались и другие, особенно важные сегодня, характеристики - расход топлива при средних нагрузках снижен на целых 30%, на столько же уменьшен показатель выбросов СО2. Что касается СО, СН и NОx и т.д., то они, по утверждению создателей, соответствуют всем существующим и планируемым на ближайшее будущее нормам токсичности. В дополнение к этому переменная степень сжатия дает двигателю SVC возможность работать на различных марках бензина - от А-76 до Аи-98 - практически без ухудшения характеристик и исключая появление детонации.
Безусловно, существенная заслуга таких характеристик - в технологии SVC, т.е. в возможности изменять степень сжатия. Но перед тем, как познакомиться с устройством механизма, позволившим изменять эту величину, вспомним некоторые истины из теории конструкции ДВС.
Степень сжатия
Степень сжатия - это отношение суммы объемов цилиндра и камеры сгорания к объему камеры сгорания. С увеличением степени сжатия в камере сгорания повышаются давление и температура, что создает более благоприятные условия для воспламенения и сгорания горючей смеси и повышает эффективность использования энергии топлива, т.е. КПД. Чем степень сжатия выше, тем КПД больше.
Проблем с созданием бензиновых моторов с высокой степенью сжатия нет и не было. А не делают их по следующей причине. При такте сжатия у таких двигателей давление в цилиндрах повышается до очень больших величин. Это, естественно, вызывает повышение температуры в камере сгорания и создает благоприятные условия для появления детонации. А детонация, как мы знаем (см. стр. 26) - явление опасное. Во всех созданных до этого времени двигателях степень сжатия была постоянной и определялась в зависимости от давления и температурного режима в камере сгорания при максимальной нагрузке, когда расход топлива и воздуха максимальны. Работает двигатель в таком режиме не всегда, можно сказать, даже очень редко. На трассе или в городе, когда скорость практически постоянна, мотор работает при малых или средних нагрузках. В такой ситуации для более эффективного использования энергии топлива неплохо бы иметь и большую степень сжатия. Эту проблему решили инженеры SAAB - создатели технологии SVC.
Технология SVC
Прежде всего необходимо отметить, что в новом двигателе вместо традиционной головки блока и гильз цилиндров, которые отливались непосредственно в блоке или запрессовывались, имеется одна моноголовка, объединившая головку блока и гильзы цилиндров. Для изменения степени сжатия, а точнее, объема камеры сгорания моноголовка сделана подвижной. С одной стороны она посажена на вал, выполняющий функцию опоры, а с другой - опирается и приводится в движение отдельным кривошипно-шатунным механизмом. Радиус кривошипа обеспечивает смещение головки относительно вертикальной оси на 40. Этого вполне достаточно, чтобы изменять объем камеры для получения степени сжатия от 8:1 до 14:1.
Необходимую степень сжатия определяет электронная система управления двигателем SAAB Trionic, которая следит за нагрузкой, скоростью, качеством топлива и на основании этого управляет гидроприводом кривошипа. Так, при максимальной нагрузке устанавливается степень сжатия 8:1, а при минимальной - 14:1. Объединение гильз цилиндров с их головкой, кроме всего прочего позволило инженерам SAAB придать каналам рубашки охлаждения более совершенную форму, что повысило эффективность процесса отвода тепла от стенок камеры сгорания и гильз цилиндров.
Подвижность гильз цилиндров и их головки потребовали внесения изменений в конструкцию блока двигателя. Плоскость стыка блока и головки стала ниже на 20 см. Что касается герметичности стыка, то она обеспечивается резиновой гофрированной прокладкой, которая сверху защищена от повреждений металлическим кожухом.
Мал, да удал
Для многих может стать непонятным, как в двигатель с таким небольшим объемом «зарядили» больше двухсот «лошадей» - ведь такая мощность может отрицательно сказаться на его ресурсе. Создавая двигатель SVC, инженеры руководствовались совсем другими задачами. Доведение моторесурса до требуемых норм - дело технологов. Что касается малого объема двигателя, то сделано в полном соответствии с теорией ДВС. Исходя из ее законов наиболее благоприятный режим работы двигателя с точки зрения повышения КПД - при большой нагрузке (на повышенных оборотах), когда дроссельная заслонка полностью открыта. В этом случае он максимально использует энергию топлива. А так как двигатели с меньшим рабочим объемом работают в основном при максимальных нагрузках, то и КПД у них выше.
Секрет превосходства малолитражных двигателей по показателю КПД объясняется отсутствием так называемых насосных потерь. Возникают они при небольших нагрузках, когда двигатель работает на малых оборотах и дроссельная заслонка лишь немного приоткрыта. В этом случае при такте впуска в цилиндрах создается большое разряжение - вакуум, оказывающий сопротивление движению поршня вниз и соответственно снижающий КПД. При полностью открытой дроссельной заслонке таких потерь нет, так как воздух поступает в цилиндры практически беспрепятственно.
Чтобы избежать насосных потерь на все 100%, в новом двигателе инженеры SAAB также использовали «наддув» воздуха под высоким давлением - 2,8 атм., с помощью механического нагнетателя - компрессора. Предпочтение компрессору было отдано по нескольким причинам: во-первых, ни один турбонагнетатель не способен создать такое давление наддува; во-вторых, реакция компрессора на изменение нагрузки практически мгновенная, т.е. нет замедления, характерного для турбонаддува. Наполнение цилиндров свежим зарядом в двигателе SAAB улучшили и с помощью популярного сегодня современного газораспределительного механизма, в котором на каждый цилиндр приходится по четыре клапана, и благодаря применению промежуточного охладителя воздуха (Intercooler).
Опытный образец двигателя SVC, по оценке немецкой компании по разработке моторов FEV Motorentechnie в Aachen, является вполне работоспособным. Но несмотря на положительную оценку, в серийное производство он будет запущен спустя некоторое время - после его доработки и доводки под запросы покупателей.