Eng verbunden mit Effizienz. Bei Ottomotoren ist das Verdichtungsverhältnis auf den Klopfverbrennungsbereich begrenzt. Diese Einschränkungen sind für den Volllastbetrieb des Motors von besonderer Bedeutung, während bei Teillast das hohe Verdichtungsverhältnis keine Klopfgefahr darstellt. Um die Motorleistung zu erhöhen und den Wirkungsgrad zu verbessern, ist es wünschenswert, das Verdichtungsverhältnis zu senken, wenn das Verdichtungsverhältnis jedoch für alle Motorbetriebsbereiche niedrig ist, führt dies zu einer Verringerung der Leistung und einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs bei Teillast. In diesem Fall werden die Werte des Verdichtungsverhältnisses in der Regel viel niedriger gewählt als die Werte, bei denen die wirtschaftlichsten Indikatoren für den Motorbetrieb erreicht werden. Offensichtlich verschlechtert sich die Effizienz von Motoren, dies ist besonders ausgeprägt, wenn im Teillastbetrieb gearbeitet wird. In der Zwischenzeit nimmt die Füllung von Zylindern mit einem brennbaren Gemisch, eine Zunahme der relativen Menge an Restgasen, eine Abnahme der Temperatur von Teilen usw. Möglichkeiten schaffen, das Verdichtungsverhältnis bei Teillast zu erhöhen, um die Wirtschaftlichkeit des Motors zu verbessern und seine Leistung zu erhöhen. Um diesen Kompromiss anzugehen, werden Motoroptionen mit variablen Verdichtungsverhältnissen entwickelt.
Die weit verbreitete Verwendung im Motorenbau hat die Richtung dieser Arbeit noch relevanter gemacht. Tatsache ist, dass beim Aufladen die mechanischen und thermischen Belastungen der Motorteile deutlich ansteigen und daher erhöht werden müssen, wodurch die Masse des gesamten Motors insgesamt erhöht wird. In diesem Fall verringert sich in der Regel die Lebensdauer von Teilen, die unter stärker belasteten Bedingungen arbeiten, und die Zuverlässigkeit des Motors nimmt ab. Bei einem Übergang zu einem variablen Verdichtungsverhältnis kann der Arbeitsablauf im aufgeladenen Motor so organisiert werden, dass durch eine entsprechende Abnahme des Verdichtungsverhältnisses bei beliebigen Ladedrücken die maximalen Arbeitsspieldrücke (dh Betriebswirkungsgrad) unverändert bleiben oder sich unwesentlich ändern. Gleichzeitig kann es sein, dass trotz der Erhöhung der Nutzarbeit pro Zyklus und folglich der Leistung des Motors die maximalen Belastungen seiner Teile nicht steigen, was es ermöglicht, die Motoren zu verstärken, ohne ihre Konstruktion zu ändern.
Für den normalen Verlauf des Verbrennungsprozesses in einem Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis ist es sehr wichtig, die richtige Form der Brennkammer zu wählen, die den kürzesten Weg der Flammenausbreitung bietet. Die Änderung der Front der Flammenausbreitung muss sehr zeitnah erfolgen, um die unterschiedlichen Betriebsarten des Motors während des Betriebs des Fahrzeugs zu berücksichtigen. Angesichts des Einsatzes von Zusatzteilen im Kurbeltrieb ist es zudem erforderlich, Systeme mit niedrigem Reibungskoeffizienten zu entwickeln, um die Vorteile der Verwendung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse nicht zu verlieren.
Eine der gängigsten Varianten des Motors mit variablem Verdichtungsverhältnis ist in der Abbildung dargestellt.
Reis. Motordiagramm mit variablem Verdichtungsverhältnis:
1 - Pleuelstange; 2 - Kolben; 3 - Exzenterwelle; 4 - zusätzliche Pleuelstange; 5 - Pleuellagerzapfen der Kurbelwelle; 6 - Wippe
Bei Teillast nimmt der Zusatz 4 die unterste Position ein und hebt den Bereich des Arbeitskolbenhubs an. Das Kompressionsverhältnis ist maximal. Bei hohen Belastungen hebt der Exzenter auf der Welle 3 die Achse des oberen Kopfes des zusätzlichen Pleuels 4 an. Dadurch wird das Spiel über dem Kolben vergrößert und das Verdichtungsverhältnis verringert.
Im Jahr 2000 wurde in Genf ein experimenteller SAAB-Benzinmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis vorgestellt. Seine einzigartigen Eigenschaften ermöglichen es, 225 PS zu erreichen. mit einem Arbeitsvolumen von 1,6 Litern. und halten Sie den Kraftstoffverbrauch vergleichbar mit der halben Größe des Motors. Der stufenlose Hubraum ermöglicht den Betrieb des Motors mit Benzin, Diesel oder Alkohol.
Die Zylinder des Motors und der Kopf des Blocks sind als Monoblock, dh als einzelner Block, und nicht wie bei herkömmlichen Motoren separat ausgeführt. Ein separater Block ist auch ein Kurbelgehäuse und eine Pleuel-Kolben-Gruppe. Der Monoblock kann im Kurbelgehäuse verschoben werden. Dabei ruht die linke Seite des Monoblocks auf der im Block befindlichen Achse 1, die als Scharnier dient, die rechte Seite kann mittels einer von einer Exzenterwelle 4 gesteuerten Pleuelstange 3 angehoben oder abgesenkt werden dem Monoblock und dem Kurbelgehäuse ist eine gewellte Gummiabdeckung 2 vorgesehen.
Reis. SAAB Motor mit variabler Kompression:
1 - Achse; 2 - Gummiabdeckung; 3 - Pleuelstange; 4 - Exzenterwelle.
Das Verdichtungsverhältnis ändert sich, wenn der Monoblock über einen hydraulischen Antrieb mit konstantem Kolbenhub relativ zum Kurbelgehäuse gekippt wird. Die Abweichung des Monoblocks von der Vertikalen führt zu einer Vergrößerung des Brennraumvolumens, was zu einer Verringerung des Verdichtungsverhältnisses führt.
Wenn der Neigungswinkel abnimmt, nimmt das Verdichtungsverhältnis zu. Die maximale Abweichung des Monoblocks von der vertikalen Achse beträgt 4%.
Bei der minimalen Kurbelwellendrehzahl und Kraftstoffzufuhrrückstellung sowie bei niedrigen Lasten nimmt der Monoblock die niedrigste Position ein, in der das Brennkammervolumen minimal ist (Verdichtungsverhältnis - 14). Das Boost-System wird abgeschaltet und Luft wird direkt in den Motor gesaugt.
Unter Last lenkt die Pleuelstange durch die Drehung der Exzenterwelle den Monoblock zur Seite und das Volumen der Brennkammer nimmt zu (Verdichtungsverhältnis - 8). In diesem Fall schließt die Kupplung den Kompressor und Luft beginnt unter Überdruck in den Motor zu strömen.
Reis. Ändern der Luftzufuhr zum SAAB-Motor in verschiedenen Modi:
1 - Drosselklappe; 2 - Bypassventil; 3 - Kupplung; a - bei einer niedrigen Rotationsfrequenz der Kurbelwelle; b - bei Lastmodi
Das optimale Verdichtungsverhältnis wird vom elektronischen Systemsteuergerät unter Berücksichtigung von Kurbelwellendrehzahl, Last, Kraftstoffart und anderen Parametern berechnet.
Aufgrund der Notwendigkeit, bei diesem Motor schnell auf eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses zu reagieren, musste der Turbolader zugunsten einer mechanischen Aufladung mit Zwischenluftkühlung mit einem maximalen Ladedruck von 2,8 kgf / cm2 aufgegeben werden.
Der Kraftstoffverbrauch des entwickelten Motors liegt 30 % unter dem eines konventionellen Motors gleicher Baugröße und die Abgastoxizitätsindikatoren entsprechen den aktuellen Standards.
Das französische Unternehmen MCE-5 Development hat für den Peugeot-Citroen-Konzern einen Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis VCR (Variable Compression Ratio) entwickelt. Diese Lösung nutzt die ursprüngliche Kinematik des Kurbeltriebs.
Die Bewegungsübertragung von der Pleuelstange auf die Kolben erfolgt bei dieser Konstruktion über einen Doppelzahnsektor 5. Auf der rechten Seite des Motors befindet sich eine Stützzahnstange 7, auf der der Sektor 5 aufliegt eine strikte Hin- und Herbewegung des Zylinderkolbens, der mit der Zahnstange 4 verbunden ist. Die Zahnstange 7 ist mit dem Kolben 6 des Steuerhydraulikzylinders verbunden.
Abhängig von der Betriebsart des Motors verändert das Signal des Motorsteuergerätes die Position des Kolbens 6 des mit der Zahnstange 7 verbundenen Steuerzylinders 7. Verschieben der Steuerzahnstange 7 nach oben oder unten ändert die Position von OT und UT von des Motorkolbens und damit das Verdichtungsverhältnis von 7:1 auf 20:1 in 0,1 sek. Bei Bedarf kann das Verdichtungsverhältnis für jeden Zylinder separat geändert werden.
Reis. VCR-Engine mit variabler Kompression:
1 - Kurbelwelle; 2 - Pleuelstange; 3 - gezahnte Stützrolle; 4 - Zahnstange des Kolbens; 5 - gezahnter Sektor; 6 - der Kolben des Steuerzylinders; 7 - Steuerzahnstange.
Die einzigartige Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis stellt einen echten Durchbruch im Motorendesign dar - der 2-Liter-VC-Turbo ändert ständig seine Eigenschaften und passt das Verdichtungsverhältnis für optimale Leistung und maximale Kraftstoffeffizienz an. Von den Traktionseigenschaften ist dieser 2-Liter-Benzin-Turbomotor durchaus vergleichbar mit den fortschrittlichen Turbodieselmotoren gleichen Hubraums.
Der VC-Turbo-Motor ändert ständig und völlig unbemerkt vom Fahrer das Verdichtungsverhältnis über ein Hebelsystem, das den oberen Totpunkt (OT) der Kolben anhebt oder senkt und so beste Leistung und Wirtschaftlichkeit ermöglicht.
Ein hohes Verdichtungsverhältnis macht den Motor grundsätzlich effizienter, in bestimmten Modi besteht jedoch die Gefahr einer explosionsartigen Verbrennung (Detonation). Andererseits vermeidet das niedrige Verdichtungsverhältnis Klopfen und liefert hohe Leistung und Drehmoment. Während der Fahrt ändert sich das Verdichtungsverhältnis des VC-Turbo-Motors von 8:1 (für maximale Dynamik) auf 14:1 (für minimalen Kraftstoffverbrauch) und unterstreicht damit die fahrerorientierte Philosophie von INFINITI.
Der VC-Turbo-Motor von INFINITI ist der weltweit erste serienreife Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis – und er feiert sein Produktionsdebüt auf dem neuen QX50. Diese einzigartige variable Kompressionstechnologie stellt einen Durchbruch in der Konstruktion von Verbrennungsmotoren dar – der 2,0-Liter-VC-Turbo des QX50 verändert sich kontinuierlich und passt sein Verdichtungsverhältnis an, um Leistung und Kraftstoffeffizienz zu optimieren. Er kombiniert die Kraft eines 2,0-Liter-Turbo-Benzinmotors mit dem Drehmoment und der Effizienz eines fortschrittlichen Vierzylinder-Dieselmotors.
Die einzigartige Kombination aus Dynamik und Effizienz macht den VC-Turbo zu einer echten Alternative zu modernen Turbodieseln, nicht in Worten, sondern widerlegt tatsächlich die Meinung, dass nur Hybrid- und Dieselantriebe hohe Drehmomente und Effizienz bieten können. Der VC-Turbo leistet 268 PS. (200 kW) bei 5600 U/min und 380 Nm bei 4400 U/min, die beste Kombination aus Leistung und Schub unter den Vierzylindermotoren. Das Leistungsgewicht des VC-Turbo ist höher als das vieler konkurrierender Turbomotoren und kommt dem einiger Benzin-V6s sehr nahe. Der einflutige Turbolader sorgt dafür, dass der Motor sofort auf eine erhöhte Kraftstoffzufuhr reagiert.
Der neue INFINITI QX50 mit VC-Turbo-Motor ist das effizienteste Fahrzeug seiner Klasse mit konkurrenzloser Effizienz. Die Version mit Frontantrieb verbraucht zusammen nur 8,7 l/100 km, 35 % mehr als die Vorgängergeneration V6 QX50. Die Allradversion des Premium-Crossovers mit einem Durchschnittsverbrauch von 9,0 l/100 km ist 30 % effizienter als sein Vorgänger.
Weitere offensichtliche Vorteile der neuen Motorkonstruktion sind die kompakten Abmessungen und das reduzierte Gewicht. Der Zylinderblock und der Zylinderkopf sind aus einer leichten Aluminiumlegierung gegossen und die Komponenten für das Verdichtungsverhältnis bestehen aus kohlenstoffreichem Stahl. Dadurch wiegt der neue VC-Turbo 18 kg leichter als der 3,5-Liter-Motor der VQ-Serie von INFINITI und nimmt zudem weniger Platz im Motorraum ein.
Ein Hebelsystem, ein Elektromotor und ein einzigartiges Wellenuntersetzungsgetriebe sind für die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses im VC-Turbo-Motor verantwortlich. Der Elektromotor ist über ein Getriebe mit dem Bedienhebel verbunden. Das Getriebe dreht sich durch Drehen der Steuerwelle im Zylinderblock, was wiederum die Position der Kipphebel verändert, durch die die Kolben die Kurbelwelle antreiben. Die Neigung der Kipphebel verändert die Lage des oberen Totpunkts der Kolben und damit das Verdichtungsverhältnis. Eine exzentrische Steuerwelle verstellt das Verdichtungsverhältnis in allen Zylindern gleichzeitig. Dadurch variiert nicht nur das Verdichtungsverhältnis, sondern auch der Hubraum von 1997 cm3 (8:1) bis 1970 cm3 (14:1).
Der VC-Turbo-Motor wechselt auch nahtlos zwischen dem Otto-Standardarbeitszyklus und dem Atkinson-Zyklus, wodurch Leistung und Effizienz weiter verbessert werden. Der Atkinson-Zyklus wurde traditionell verwendet, um die Effizienz von Hybridantriebssystemen zu verbessern. Wenn der Verbrennungsmotor nach dem Atkinson-Zyklus arbeitet, werden die Einlassventile geschlossen, wodurch sich das Arbeitsgemisch in den Zylindern stärker ausdehnen und effizienter verbrennen kann. Der INFINITI-Motor arbeitet nach dem Atkinson-Zyklus bei hohen Verdichtungsverhältnissen, wenn aufgrund des längeren Kolbenhubs die Einlassventile bereits in der Verdichtungsphase kurzzeitig geöffnet bleiben.
Der VC-Turbo-Motor von INFINITI ist der weltweit erste serienreife Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis – und er feiert sein Produktionsdebüt auf dem neuen QX50. Diese einzigartige variable Kompressionstechnologie stellt einen Durchbruch in der Konstruktion von Verbrennungsmotoren dar – der 2,0-Liter-VC-Turbo des QX50 verändert sich kontinuierlich und passt sein Verdichtungsverhältnis an, um Leistung und Kraftstoffeffizienz zu optimieren. Er kombiniert die Kraft eines 2,0-Liter-Turbo-Benzinmotors mit dem Drehmoment und der Effizienz eines fortschrittlichen Vierzylinder-Dieselmotors.
Wird das Verdichtungsverhältnis des VC-Turbo reduziert, kehrt der Motor in den Normalbetrieb (Otto-Zyklus) mit klar getrennten Phasen Auspuff, Verdichtung, Verbrennung und Auspuff zurück – und erreicht so eine höhere Antriebsstrangleistung.
Neben dem variablen Verdichtungsverhältnis verwendet der VC-Turbo-Motor eine Reihe weiterer fortschrittlicher INFINITI-Technologien. Für die optimale Balance zwischen Effizienz und Leistung sorgen sowohl das Multipoint Injection (MPI) als auch das Direct (GDI) System:
- GDI verbessert die Verbrennungseffizienz, indem es das Klopfen des Motors bei hohen Verdichtungsverhältnissen verhindert
- MPI wiederum bereitet das Kraftstoffgemisch vorab auf und sorgt so bei geringer Last für dessen vollständige Verbrennung in den Zylindern.
Bei bestimmten Drehzahlen schaltet der Motor selbstständig von einem Einspritzsystem zum anderen und bei maximaler Belastung können sie gleichzeitig arbeiten.
Der VC-Turbo-Motor von INFINITI ist der weltweit erste serienreife Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis – und er feiert sein Produktionsdebüt auf dem neuen QX50. Diese einzigartige variable Kompressionstechnologie stellt einen Durchbruch in der Konstruktion von Verbrennungsmotoren dar – der 2,0-Liter-VC-Turbo des QX50 verändert sich kontinuierlich und passt sein Verdichtungsverhältnis an, um Leistung und Kraftstoffeffizienz zu optimieren. Er kombiniert die Kraft eines 2,0-Liter-Turbo-Benzinmotors mit dem Drehmoment und der Effizienz eines fortschrittlichen Vierzylinder-Dieselmotors.
Der VC-Turbo-Motor von INFINITI ist der weltweit erste serienreife Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis – und er feiert sein Produktionsdebüt auf dem neuen QX50. Diese einzigartige variable Kompressionstechnologie stellt einen Durchbruch in der Konstruktion von Verbrennungsmotoren dar – der 2,0-Liter-VC-Turbo des QX50 verändert sich kontinuierlich und passt sein Verdichtungsverhältnis an, um Leistung und Kraftstoffeffizienz zu optimieren. Er kombiniert die Kraft eines 2,0-Liter-Turbo-Benzinmotors mit dem Drehmoment und der Effizienz eines fortschrittlichen Vierzylinder-Dieselmotors.
Der VC-Turbo-Motor von INFINITI ist der weltweit erste serienreife Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis – und er feiert sein Produktionsdebüt auf dem neuen QX50. Diese einzigartige variable Kompressionstechnologie stellt einen Durchbruch in der Konstruktion von Verbrennungsmotoren dar – der 2,0-Liter-VC-Turbo des QX50 verändert sich kontinuierlich und passt sein Verdichtungsverhältnis an, um Leistung und Kraftstoffeffizienz zu optimieren. Er kombiniert die Kraft eines 2,0-Liter-Turbo-Benzinmotors mit dem Drehmoment und der Effizienz eines fortschrittlichen Vierzylinder-Dieselmotors.
Der VC-Turbo-Motor von INFINITI ist der weltweit erste serienreife Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis – und er feiert sein Produktionsdebüt auf dem neuen QX50. Diese einzigartige variable Kompressionstechnologie stellt einen Durchbruch in der Konstruktion von Verbrennungsmotoren dar – der 2,0-Liter-VC-Turbo des QX50 verändert sich kontinuierlich und passt sein Verdichtungsverhältnis an, um Leistung und Kraftstoffeffizienz zu optimieren. Er kombiniert die Kraft eines 2,0-Liter-Turbo-Benzinmotors mit dem Drehmoment und der Effizienz eines fortschrittlichen Vierzylinder-Dieselmotors.
Der Single-Flow-Turbolader erhöht die Motorleistung und Effizienz, indem er eine schnelle Gasannahme bei allen Drehzahlen und Verdichtungsverhältnissen bietet. Dank Turboaufladung ist die Motorleistung mit dem Sechszylinder-Saugmotor vergleichbar. Der einflutige Kompressor ist kompakt und reduziert Wärmeenergieverluste und Abgasdruck.
Der in den Aluminiumblockkopf integrierte Abgaskrümmer verbessert zudem die Motoreffizienz und trägt zu seiner kompakten Größe bei. Diese Lösung ermöglichte es den INFINITI-Ingenieuren, den Katalysator direkt hinter der Turbine zu platzieren und so den Abgasweg zu verkürzen. Dadurch erwärmt sich der Katalysator nach dem Motorstart schneller und geht früher in den Betriebsmodus.
Die Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis stellt einen Durchbruch in der Antriebsstrangentwicklung dar. Der QX50, angetrieben vom VC-Turbo, ist das erste Serienfahrzeug überhaupt, das dem Fahrer einen Motor bietet, der sich bei Bedarf umwandelt und einen neuen Maßstab für die Leistungsfähigkeit und Verfeinerung des Antriebsstrangs setzt. Dieser ungewöhnlich laufruhige Motor bietet den Kunden Kraft und Leistung sowie Effizienz und Wirtschaftlichkeit.
Der Ladedruck wird durch ein elektronisch gesteuertes Wastegate geregelt, das den Abgasstrom durch die Turbine präzise regelt. Dies sorgt für hohe Leistung und Wirtschaftlichkeit und hilft, schädliche Emissionen zu reduzieren.
Dank des variablen Verdichtungsverhältnisses verzichtet der perfekt ausgewuchtete VC-Turbo-Motor auf die bei Vierzylindermotoren sonst üblichen Ausgleichswellen. Der VC-Turbo ist laufruhiger als herkömmliche Inline-Gegenstücke, und Geräusch- und Vibrationspegel sind mit herkömmlichen V6s vergleichbar. Möglich wurde dies unter anderem durch die Anordnung mit zusätzlichen Kipphebeln, bei denen die Pleuel beim Arbeitshub der Kolben nahezu senkrecht stehen (im Gegensatz zum traditionellen Kurbeltrieb, wo sie sich hin und her bewegen). Das Ergebnis ist eine perfekte Hin- und Herbewegung, die ohne Ausgleichswellen auskommt. Deshalb ist der VC-Turbo trotz seines variablen Verdichtungsverhältnisses so kompakt wie ein herkömmlicher 2-Liter-Vierzylinder.
Besonders hervorzuheben ist das extrem niedrige Vibrationsniveau des neuen Motors. In einem Werkstest, bei dem INFINITI die Leistung des VC-Turbo mit den Vierzylinder-Motoren der Konkurrenz vergleicht, liefert der revolutionäre Motor deutlich geringere Geräuschpegel – fast wie bei 6-Zylinder-Aggregaten.
Dies liegt auch an der „Spiegel“-Beschichtung von INFINITI an den Zylinderwänden – sie reduziert die Reibung um 44% und lässt den Motor ruhiger laufen. Die Beschichtung wird durch Plasmaspritzen aufgebracht, anschließend gehärtet und gehont, um eine ultraglatte Oberfläche zu erzeugen.
Der neue INFINITI QX50 mit 2,0-Liter-VC-Turbo-Motor ist das weltweit erste Fahrzeug mit Active Torque Rod (ATR) Active Vibration Reduction. Der neue QX50 ist das einzige Fahrzeug seiner Klasse mit dieser Technologie. Integriert in das obere Motorlager, über das normalerweise die meisten Geräusche und Vibrationen auf die Karosserie übertragen werden, ist der ATR mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet, der Vibrationen erkennt. Das System erzeugt gegenphasige hin- und hergehende Vibrationen, wodurch der Vierzylinder so leise und laufruhig bleibt wie V6-Motoren und das Motorgeräusch um 9 dB im Vergleich zum vorherigen QX50 reduziert. Damit ist der VC-Turbo einer der leisesten und ausgewogensten Motoren im Premium-SUV-Segment.
Bereits 1998 installierte INFINITI die weltweit ersten aktiven Lager an einem Dieselmotor und bestätigte damit die Innovation der Marke im Bereich Antriebsstränge. Die INFINITI-Ingenieure entwickelten das ATR-System von 2009 bis 2017 mit besonderem Augenmerk auf die Reduzierung von Größe und Gewicht – bei den ersten Prototypen galten die Abmessungen des Vibrationsmotors als Hauptproblem. Die Entwicklung kompakterer Hubantriebe hat es jedoch ermöglicht, den ATR in ein kleineres Gehäuse zu integrieren und gleichzeitig die Fähigkeit des Systems, Schwingungen so effizient wie möglich zu dämpfen, vollständig zu erhalten.
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„Variables Verdichtungsverhältnis“ ist eine Technologie, die die Zukunft des Ottomotors für weitere 30-50 Jahre sichert und in der Charakteristik den Dieselmotor deutlich überflügeln wird. Wann werden diese Einheiten erscheinen und wie sind sie besser als die bestehenden?
Auf dem Genfer Autosalon im Jahr 2000 wurde erstmals ein Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis beleuchtet (siehe). Dann wurde es von Saab präsentiert. Der damals modernste Saab Variable Compression (SVC) Motor mit fünf Zylindern hatte einen Hubraum von 1,6 Litern, entwickelte aber für einen solchen Hubraum eine unglaubliche Leistung von 225 PS. mit. und einem Drehmoment von 305 Nm. Auch andere Eigenschaften erwiesen sich als hervorragend: Der Kraftstoffverbrauch bei mittlerer Last sank um bis zu 30 % und der CO2-Ausstoß um den gleichen Betrag. Was CO, CH, NOx usw. angeht, so erfüllen sie nach Angaben der Ersteller alle bestehenden und für die nahe Zukunft geplanten Toxizitätsnormen. Darüber hinaus ermöglichte das variable Verdichtungsverhältnis, dass dieser Motor mit verschiedenen Benzinmarken - von A-76 bis A-98 - praktisch ohne Leistungseinbußen und ohne Detonation betrieben werden konnte. Wenige Monate später wurde ein ähnliches Triebwerk von FEV Motorentechnik präsentiert. Es war der 1,8-Liter-Audi A6-Motor, der den Kraftstoffverbrauch um 27 % senkte.
Aufgrund der Komplexität der Konstruktion wurden diese Motoren damals jedoch nicht in Serie gebaut und zur Steigerung des Wirkungsgrades (Wirkungsgrad) wurde der Verbrennungsmotor durch Einführung der Benzindirekteinspritzung, variabler Geometrie des Ansaugtrakts verbessert , intelligente Turbolader etc. Parallel dazu wurde aktiv an der Schaffung von Hybridkraftwerken, Elektrofahrzeugen, der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen und neuen Methoden der Wasserstoffspeicherung gearbeitet. Nichtsdestotrotz verfolgte das Potenzial von Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis viele Ingenieure. Als Ergebnis haben sich viele Mechanismen herauskristallisiert, um diese Idee „in Metall“ umzusetzen.
Am nächsten kommt seiner Umsetzung heute das französische MCE-5-Triebwerksprojekt, das bereits 1997 begann. Das damals geborene Konzept hatte viele Mängel, die fast zehn Jahre lang beseitigt werden mussten. In diesem Jahr wurde dieser Motor „in Metall“ präsentiert, wie der Saab im Jahr 2000 auf dem Genfer Autosalon.
Der Vierzylinder hat ein Volumen von 1,5 Litern und liefert eine maximale Leistung von 160 kW (218 PS) und ein Drehmoment von 300 Nm. Neben einem variablen Verdichtungsverhältnis ist der Motor mit Direkteinspritzung, variabler Ventilsteuerung ausgestattet und passt in alle vielversprechenden Umweltstandards.
Wie das Kompressionsverhältnis geändert wird
Der MCE-5 verfügt über einen Regelbereich für das Verdichtungsverhältnis von 7-18 (7: 1-18: 1). Außerdem erfolgt die Steuerung und Änderung des Verdichtungsverhältnisses individuell in jedem Zylinder.
Dieser Mechanismus ist ziemlich kompliziert. Das Hauptteil ist ein doppelseitig geschnittener Getriebesektor, in der Mitte auf einem verkürzten Pleuel des Kurbeltriebs (KShM) aufgesetzt. Das Sektorzahnrad wiederum kämmt einerseits mit der Kolbenpleuelstange und andererseits mit der Pleuelstange des Mechanismus zur Volumenänderung der Brennkammer. Das Funktionsprinzip dieser Konstruktion ist sehr einfach - das Sektorzahnrad auf der Pleuelachse ist eine Art Wippe. Wird dieser Kipphebel in die eine oder andere Richtung gekippt, ändert sich die Lage des oberen Totpunkts (OT) am Kolben und damit auch das Brennraumvolumen. Und da die Größe des Kolbenhubs konstant ist, ändert sich das Verdichtungsverhältnis (das Verhältnis des Volumens der Zylinder zum Volumen der Brennkammer). Für die Neigung des Kipphebels ist eine hydromechanische Struktur verantwortlich, die von einer Elektronik gesteuert wird. Es besteht ebenfalls aus einem Kolben mit Pleuel, dessen unteres Ende in den Kipphebel (Sektorgetriebe) auf der anderen Seite eingreift. Das Volumen oberhalb und unterhalb dieses Kolbens ist mit dem Schmiersystem verbunden, und im Kolben selbst, dem sogenannten Ölkolben, befindet sich ein spezielles Ventil, das den Öldurchfluss von oben nach unten ermöglicht. Gesteuert wird sie von einer Exzenterwelle, die mit Hilfe eines Schneckengetriebes den Elektromotor des Valvetronic-Systems (BMW) antreibt. Es dauert weniger als 100 Millisekunden, um das Kompressionsverhältnis von 7 auf 18 zu ändern.
Das Volumen der Brennkammer wird nach dem Prinzip der Änderung der Kapazität der Ölventile eingestellt. Beim Öffnen fährt der Ölkolben hoch und der Brennraum vergrößert sich.
Ressource - Zuverlässigkeit
Konstruktiv ist der neue Motor komplexer geworden. Nach der Wahrscheinlichkeitstheorie soll seine Zuverlässigkeit abnehmen, doch die Macher bestreiten dies. Sie behaupten, dass die Fertigstellung des Motors sehr lange gedauert hat und alles gut berechnet und überprüft wurde. Die Ressource dieser Einheit wird steigen, da die Quer- und Stoßbelastungen, die beim klassischen Verbrennungsmotor durch die Pleuelstange auftreten, deren Achse schräg zur Kolbenachse steht (außer OT und UT) , wirkt nicht mehr auf den Kolben. Beim neuen Motor wird die Kraft des Kolbens und der starr "gebundenen" Pleuelstange nur in der vertikalen Ebene übertragen, bzw. der Druck auf die Zylinderwände ist gering, so dass die Reibflächen dieser Teile viel weniger verschleißen . Solche Konstruktionsmerkmale des Motors sorgten auch für eine Verringerung des Betriebsgeräuschs. Außerdem begann die Kolbengruppe deutlich leiser zu arbeiten und die Energieverluste für die Reibung sanken – das sind ein weiteres Plus von einigen Prozent zugunsten des Wirkungsgrades des Motors.
Andere Möglichkeiten, das Volumen der Brennkammer zu ändern:
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Das Konstruktionsmerkmal des ersten deklarierten Motors mit variablem Verdichtungsverhältnis ist der Kopf 1 und die Spitze des Blocks 2 Zylinder waren beweglich und mit Hilfe einer speziellen Kurbel 3 relativ zur Kurbelwelle auf und ab bewegt 4 mit fester Achse und der Unterseite des Zylinderblocks.
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Yuri Datsyk
Foto MCE
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Immer mehr maßgebliche Meinungen sind zu hören, dass die Entwicklung von Verbrennungsmotoren jetzt das höchste Niveau erreicht hat und es nicht mehr möglich ist, ihre Leistung signifikant zu verbessern. Den Designern bleiben schleichende Upgrades, das Polieren der Boost- und Einspritzsysteme und das Hinzufügen von immer mehr Elektronik. Japanische Ingenieure stimmen dem nicht zu. Infiniti, das den Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis baute, kam zu Wort. Wir werden herausfinden, was die Vorteile eines solchen Motors sind und was seine Zukunft ist.
Als Einführung sei daran erinnert, dass das Verdichtungsverhältnis das Verhältnis des Volumens über dem Kolben am unteren Totpunkt zum Volumen ist, wenn sich der Kolben oben befindet. Bei Benzinmotoren beträgt diese Zahl 8 bis 14, bei Dieselmotoren - 18 bis 23. Das Verdichtungsverhältnis ist durch die Konstruktion festgelegt. Sie wird in Abhängigkeit von der Oktanzahl des verwendeten Benzins und der vorhandenen Aufladung berechnet.
Die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von der Last dynamisch zu ändern, ermöglicht es Ihnen, die Effizienz des Turbomotors zu erhöhen und sicherzustellen, dass jeder Teil des Luft-Kraftstoff-Gemischs mit optimaler Kompression verbrennt. Bei niedrigen Lasten, wenn das Gemisch mager ist, wird die maximale Kompression verwendet, und im Lastmodus, wenn viel Benzin eingespritzt wird und eine Detonation möglich ist, komprimiert der Motor das Gemisch auf ein Minimum. Dadurch können Sie den Zündzeitpunkt "zurück" nicht einstellen, der in der effektivsten Position zum Entfernen der Leistung bleibt. Theoretisch ermöglicht das System zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses beim Verbrennungsmotor eine bis zu zweifache Reduzierung des Arbeitsvolumens des Motors unter Beibehaltung der Traktions- und Dynamikeigenschaften.
Schema eines Motors mit variablem Brennraumvolumen und Pleuel mit Kolbenhubsystem
Als eines der ersten erschien ein System mit einem zusätzlichen Kolben im Brennraum, der während der Bewegung sein Volumen veränderte. Aber es kam sofort die Frage auf, eine weitere Gruppe von Teilen in den Blockkopf zu setzen, wo Nockenwellen, Ventile, Injektoren und Zündkerzen bereits gedrängt waren. Außerdem wurde die optimale Konfiguration der Brennkammer verletzt, weshalb der Kraftstoff ungleichmäßig verbrannt wurde. Daher blieb das System innerhalb der Wände der Labore. Das System mit Kolben mit variabler Höhe ging nicht über das Experiment hinaus. Die geteilten Kolben waren übermäßig schwer, und es gab unmittelbare strukturelle Schwierigkeiten bei der Steuerung der Hubhöhe der Abdeckung.
Kurbelwellen-Hubsystem an Exzenterkupplungen FEV Motorentechnik (links) und Traverse-Mechanik zur Veränderung des Kolbenhubs
Andere Konstrukteure haben den Kurbelwellenhub gesteuert. Bei diesem System sind die Lagerzapfen der Kurbelwelle in Exzenterkupplungen untergebracht, die über Zahnräder von einem Elektromotor angetrieben werden. Wenn sich die Exzenter drehen, hebt oder senkt sich die Kurbelwelle, was entsprechend den Hub der Kolben zum Blockkopf verändert, das Volumen des Brennraums vergrößert oder verkleinert und dadurch das Verdichtungsverhältnis verändert. Ein solcher Motor wurde im Jahr 2000 von der deutschen Firma FEV Motorentechnik gezeigt. Das System wurde in einen 1,8-Liter-Turbo-Vierzylinder von Volkswagen integriert, dessen Verdichtungsverhältnis von 8 bis 16 variiert wurde. Der Motor entwickelte eine Leistung von 218 PS. und einem Drehmoment von 300 Nm. Bis 2003 wurde der Motor am Audi A6 getestet, ging aber nicht in Serie.
Als wenig erfolgreich erwies sich auch das Reversiersystem, das auch die Höhe der Kolben verändert, allerdings nicht durch Ansteuerung der Kurbelwelle, sondern durch Anheben des Zylinderblocks. Ein funktionierender Motor ähnlicher Bauart wurde im Jahr 2000 von Saab demonstriert und auch am 9-5-Modell getestet, das die Serienproduktion plante. Der als Saab Variable Compression (SVC) bezeichnete 1,6-Liter-Fünfzylinder-Turbomotor leistete 225 PS. mit. und einem Drehmoment von 305 Nm, während der Kraftstoffverbrauch bei mittlerer Last um 30% sank und aufgrund des einstellbaren Verdichtungsverhältnisses der Motor problemlos jedes Benzin verbrauchen konnte - von A-80 bis A-98.
Saab Variable Compression Motorsystem, bei dem das Verdichtungsverhältnis durch Auslenkung des oberen Teils des Zylinderblocks verändert wird
Saab löste das Problem des Anhebens des Zylinderblocks wie folgt: Der Block wurde in zwei Teile geteilt – den oberen mit dem Kopf und die Zylinderlaufbuchsen und den unteren, wo die Kurbelwelle verblieb. Auf der einen Seite war das Oberteil durch ein Scharnier mit dem Unterteil verbunden, auf der anderen wurde ein elektrisch angetriebener Mechanismus eingebaut, der wie ein Deckel auf einer Truhe das Oberteil um bis zu 4 Grad anhebt . Der Bereich des Verdichtungsverhältnisses beim Heben und Senken konnte flexibel von 8 bis 14 variiert werden. Zur Abdichtung der beweglichen und stationären Teile wurde eine elastische Gummiummantelung verwendet, die sich zusammen mit der Konstruktion als eine der schwächsten Stellen herausstellte Scharniere und der Hebemechanismus. Nach der Übernahme von Saab durch General Motors schlossen die Amerikaner das Projekt.
MCE-5-Projekt, das einen Mechanismus mit Arbeits- und Steuerkolben verwendet, der über einen gezahnten Kipphebel verbunden ist
Um die Jahrhundertwende schlugen die französischen Ingenieure von MCE-5 Development S.A. auch ein eigenes Design für den Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis vor. Der von ihnen gezeigte 1,5-Liter-Turbomotor, bei dem das Verdichtungsverhältnis von 7 bis 18 variiert werden konnte, entwickelte eine Leistung von 220 PS. mit. und einem Drehmoment von 420 Nm. Der Aufbau ist hier recht kompliziert. Das Pleuel ist geteilt und oben (im an der Kurbelwelle verbauten Teil) mit einer Zahnschwinge versehen. Daran schließt sich ein weiterer Teil des Pleuels vom Kolben an, dessen Spitze eine Zahnstange aufweist. Die andere Seite des Kipphebels ist mit der Steuerkolbenstange verbunden, die über spezielle Ventile, Kanäle und einen Elektroantrieb durch das Motorschmiersystem angetrieben wird. Bei einer Bewegung des Steuerkolbens wirkt dieser auf den Kipphebel und der Hub des Arbeitskolbens ändert sich. Der Motor wurde experimentell an einem Peugeot 407 getestet, aber der Autohersteller war an diesem System nicht interessiert.
Jetzt beschlossen die Designer von Infiniti, ihr Wort zu sagen und präsentierten einen Motor mit variabler Kompressions-Turboaufladung (VC-T)-Technologie, die eine dynamische Änderung des Verdichtungsverhältnisses von 8 auf 14 ermöglicht. Japanische Ingenieure verwendeten einen Traversenmechanismus: Sie stellten ein bewegliches Gelenk her der Pleuelstange mit ihrem unteren Zapfen, der wiederum durch ein elektromotorisch angetriebenes Hebelsystem verbunden ist. Nach einem Befehl von der Steuereinheit bewegt der Elektromotor die Stange, das Hebelsystem ändert die Position, wodurch die Hubhöhe des Kolbens angepasst und dementsprechend das Verdichtungsverhältnis geändert wird.
Das Design des variablen Kompressionssystems für den Infiniti VC-T-Motor: a - Kolben, b - Pleuel, c - Traverse, d - Kurbelwelle, e - Elektromotor, f - Zwischenwelle, g - Schub.
Dank dieser Technologie entwickelt der Zweiliter-Benzin-Turbo Infiniti VC-T eine Leistung von 270 PS und ist damit 27 % sparsamer als die anderen Zweiliter-Motoren des Unternehmens bei konstanter Verdichtung. Die Japaner planen, die VC-T-Motoren 2018 in Serie zu bringen, sie mit der Frequenzweiche QX50 und dann anderen Modellen auszustatten.
Beachten Sie, dass die Effizienz heute das Hauptziel bei der Entwicklung von Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis ist. Mit der modernen Entwicklung der Druck- und Einspritztechnologien ist es für Konstrukteure kein großes Problem, die Kraft im Motor einzuholen. Eine andere Frage: Wie viel Benzin fließt in einem superaufgepumpten Motor durch das Rohr? Bei herkömmlichen Serienmotoren können die Verbrauchswerte inakzeptabel sein, was als Begrenzer für die Aufblasleistung wirkt. Japanische Designer beschlossen, diese Barriere zu überwinden. Laut Infiniti kann ihr VC-T-Benzinmotor als Alternative zu modernen Turbodieselmotoren fungieren und den gleichen Kraftstoffverbrauch bei besserer Leistung in Bezug auf Leistung und geringeren Emissionen aufweisen.
Was ist das Endergebnis?
Seit mehr als einem Dutzend Jahren wird an Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis gearbeitet - auf diesem Gebiet waren Designer von Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot und Volkswagen tätig. Ingenieure aus Forschungsinstituten und Unternehmen auf beiden Seiten des Atlantiks haben Tausende von Patenten erhalten. Aber bisher ist noch kein einziger solcher Motor in Serie gegangen.
Auch Infiniti geht es nicht gut. Wie die Entwickler des VC-T-Motors selbst zugeben, hat ihre Idee immer noch gemeinsame Probleme: Die Komplexität und die Kosten der Struktur sind gestiegen, Probleme mit Vibrationen sind nicht gelöst. Aber die Japaner hoffen, das Design fertig zu stellen und in die Massenproduktion zu bringen. Wenn dies geschieht, müssen zukünftige Käufer nur verstehen: Wie viel muss man für die neue Technologie zu viel bezahlen, wie zuverlässig ein solcher Motor sein wird und wie viel Kraftstoff er spart.
Die Idee, einen Ottomotor zu schaffen, bei dem das Verdichtungsverhältnis in den Zylindern variabel wäre, ist nicht neu. So können Sie beim Beschleunigen, wenn die maximale Motorleistung erforderlich ist, für einige Sekunden die Wirtschaftlichkeit opfern, indem Sie das Verdichtungsverhältnis reduzieren - dies verhindert eine Detonation, Selbstentzündung des Kraftstoffgemisches, die bei hohen Lasten auftreten kann. Bei gleichmäßiger Bewegung sollte dagegen das Verdichtungsverhältnis erhöht werden, um eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffgemisches zu erreichen und den Kraftstoffverbrauch zu senken - in diesem Fall ist die Belastung des Motors gering und die Klopfgefahr minimal.
Im Allgemeinen ist in der Theorie alles einfach, aber es stellte sich als nicht so einfach heraus, diese Idee in die Praxis umzusetzen. Und die japanischen Designer waren die ersten, die die Idee in ein Serienmodell überführten.
Die Essenz der vom Nissan-Konzern entwickelten Technologie besteht darin, die maximale Kolbenhubhöhe (den sogenannten oberen Totpunkt - TDC) in Abhängigkeit von der erforderlichen Motorleistung kontinuierlich zu verändern, was wiederum zu einer Verringerung oder Erhöhung der Verdichtung führt Verhältnis in den Zylindern. Ein wesentlicher Bestandteil dieses Systems ist die spezielle Verbindung der Pleuel, die über einen beweglichen Kipphebel mit der Kurbelwelle verbunden sind. Der Block wiederum ist mit einer exzentrischen Steuerwelle und einem Elektromotor verbunden, der auf Befehl der Elektronik diesen raffinierten Mechanismus in Gang setzt und die Neigung der Kipphebel und die OT-Position der Kolben insgesamt verändert vier Zylinder gleichzeitig.
Unterschied im Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von der OT-Position des Kolbens. Im linken Bild befindet sich der Motor im Sparmodus, rechts im Maximalleistungsmodus. A: Wenn eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses erforderlich ist, dreht sich der Elektromotor und bewegt den Antriebsarm. B: Der Antriebsarm dreht die Steuerwelle. C: Wenn sich die Welle dreht, wirkt sie auf den mit dem Kipphebel verbundenen Hebel und ändert dessen Neigungswinkel. D: Je nach Stellung des Kipphebels wird der OT des Kolbens angehoben oder abgesenkt und damit das Verdichtungsverhältnis verändert.
Dadurch wird beim Beschleunigen das Verdichtungsverhältnis auf 8:1 reduziert, wonach der Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 14:1 in den Sparmodus geht. Gleichzeitig variiert sein Arbeitsvolumen von 1997 bis 1970 cm 3. Der „Turbo Four“ des neuen Infiniti QX50 entwickelt ein Fassungsvermögen von 268 Litern. mit. und 380 Nm Drehmoment - deutlich mehr als der 2,5-Liter-V6 seines Vorgängers (seine Leistung - 222 PS und 252 Nm), während er ein Drittel weniger Benzin verbraucht. Zudem ist der VC-Turbo 18 kg leichter als der Sauger „Sechser“, nimmt weniger Platz unter der Haube ein und erreicht sein maximales Drehmoment im unteren Drehzahlbereich.
Übrigens, das Verdichtungsverhältnis-Steuerungssystem erhöht nicht nur die Effizienz des Motors, sondern reduziert auch das Vibrationsniveau. Dank der Kipphebel nehmen die Pleuel beim Arbeitshub der Kolben eine fast senkrechte Position ein, während sie sich bei herkömmlichen Motoren von einer Seite zur anderen bewegen (daher haben die Pleuel ihren Namen). Dadurch läuft dieses 4-Zylinder-Aggregat auch ohne Ausgleichswellen so leise und laufruhig wie ein V6.
Doch nicht nur die variable OT-Position über ein komplexes Hebelsystem zeichnet den neuen Motor aus. Durch Änderung des Verdichtungsverhältnisses kann dieses Aggregat auch zwischen zwei Arbeitszyklen wechseln: dem klassischen Otto, der von den meisten Benzinmotoren verwendet wird, und dem Atkinson-Zyklus, der hauptsächlich in Hybriden zu finden ist. Im letzteren Fall (bei einem hohen Verdichtungsverhältnis) dehnt sich das Arbeitsgemisch aufgrund des größeren Kolbenhubs stärker aus und verbrennt effizienter, wodurch der Wirkungsgrad steigt und der Benzinverbrauch sinkt.
Neben zwei Arbeitszyklen nutzt dieser Motor auch zwei Einspritzsysteme: den klassischen MPI und den direkten GDI, der die Verbrennungseffizienz verbessert und das Klopfen bei hohen Verdichtungsverhältnissen vermeidet. Beide Systeme arbeiten abwechselnd und bei hoher Last gleichzeitig. Einen positiven Beitrag zur Effizienzsteigerung des Motors leistet auch eine spezielle Beschichtung der Zylinderwände, die durch Plasmaspritzen aufgebracht und anschließend abgeschreckt und gehont wird. Das Ergebnis ist eine ultraglatte „spiegelähnliche“ Oberfläche, die die Kolbenringreibung um 44% reduziert.
Ein weiteres einzigartiges Merkmal des VC-Turbo ist die in die obere Halterung integrierte Active Torque Road Active Vibration Reduction, die auf einem Hubantrieb basiert. Dieses System wird von einem Beschleunigungssensor gesteuert, der Motorvibrationen erkennt und als Reaktion darauf gegenphasige Dämpfungsvibrationen erzeugt. Aktive Stützen in Infiniti wurden erstmals 1998 bei einem Dieselmotor verwendet, aber dieses System erwies sich als zu umständlich, sodass es sich nicht durchsetzte. Das Projekt lag bis 2009 unter dem Teppich, als japanische Ingenieure begannen, es zu verbessern. Es dauerte weitere 8 Jahre, um das Problem des Übergewichts und der überdimensionierten Schwingungsdämpfer zu lösen. Aber das Ergebnis kann sich sehen lassen: Dank ATR ist der 4-Zylinder des neuen Infiniti QX50 9 dB leiser als der V6 des Vorgängers!