VC-T-Motor. Bild: Nissan
Der japanische Autohersteller Nissan Motor hat einen neuen Typ von Benzin-Verbrennungsmotor vorgestellt, der moderne Dieselmotoren in mancher Hinsicht übertrifft.
Der neue Variable Compression-Turbo (VC-T) Motor ist in der Lage Verdichtungsverhältnis ändern gasförmig brennbares Gemisch, d. h. den Hub der Kolben in ICE-Zylinder... Dieser Parameter ist normalerweise fest. Anscheinend wird der VC-T der weltweit erste ICE mit variablem Verdichtungsverhältnis sein.
Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis des Volumens des Überkolbenraums des Zylinders einer Brennkraftmaschine an der Position des Kolbens im unteren Totpunkt (volles Zylindervolumen) zum Volumen des Überkolbenraums von des Zylinders an der Position des Kolbens am oberen Totpunkt, also auf das Volumen des Brennraums.
Erhöhen des Verdichtungsverhältnisses in Allgemeiner Fall erhöht seine Leistung und erhöht die Effizienz des Motors, dh es hilft, den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Konventionelle Ottomotoren haben typischerweise ein Verdichtungsverhältnis von 8:1 bis 10:1 und Sportwagen und Rennwagen können bis zu 12:1 oder mehr sein. Mit steigendem Verdichtungsverhältnis benötigt der Motor Kraftstoff mit einer höheren Oktanzahl.
VC-T-Motor. Bild: Nissan
Die Abbildung zeigt den Unterschied der Kolbensteigung bei unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen: 14:1 (links) und 8:1 (rechts). Insbesondere wird der Mechanismus zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses von 14:1 auf 8:1 demonstriert. Es geschieht auf diese Weise.
- Wenn das Verdichtungsverhältnis geändert werden muss, wird das Modul aktiviert Harmonischer Antrieb und verschiebt den Betätigungshebel.
- Der Betätigungshebel dreht die Antriebswelle ( Steuerwelle auf dem Diagramm).
- Wenn sich die Antriebswelle dreht, ändert sie den Winkel der Mehrlenkeraufhängung ( Mehrfachverbindung auf dem Diagramm)
- Die Mehrlenkeraufhängung bestimmt die Höhe, die jeder Kolben in seinem Zylinder anheben kann. Somit wird das Kompressionsverhältnis geändert. Der untere Totpunkt des Kolbens scheint gleich zu bleiben.
Die Änderung des Verdichtungsverhältnisses bei einem Verbrennungsmotor kann gewissermaßen mit der Änderung des Anstellwinkels bei Verstellpropellern verglichen werden – ein Konzept, das bei Propellern und Propellern seit vielen Jahrzehnten angewendet wird. Die variable Steigung des Propellers ermöglicht es Ihnen, die Effizienz des Propellers nahezu optimal zu halten, unabhängig von der Geschwindigkeit des Trägers im Strom.
Die Technologie zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors ermöglicht es, die Motorleistung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig strenge Standards für die Motoreffizienz zu erfüllen. Das ist wahrscheinlich das Meiste Echter Weg diese Standards einhalten. „Jeder arbeitet jetzt an variablen Verdichtungsverhältnissen und anderen Technologien, um die Effizienz von Benzinmotoren dramatisch zu verbessern“, sagt James Chao, Asia Pacific Managing Director und IHS-Berater, „seit mindestens zwanzig Jahren oder so.“ ... Es ist erwähnenswert, dass im Jahr 2000 Saab zeigte einen Prototyp eines solchen Saab Motors mit variabler Kompression (SVC) für den Saab 9-5, für den sie auf Fachausstellungen mehrere Auszeichnungen erhielt. Dann wurde das schwedische Unternehmen vom Konzern gekauft General Motors und hörte auf, am Prototyp zu arbeiten.
Saab Motor mit variabler Kompression (SVC). Foto: Reedhawk
Der VC-T-Motor soll 2017 mit dem Infiniti QX50 auf den Markt kommen. Die offizielle Präsentation ist für den 29. September auf dem Pariser Autosalon geplant. Dieser Zweiliter Vierzylinder-Motor wird ungefähr die gleiche Leistung und das gleiche Drehmoment wie der 3,5-Liter-V6 haben, der seinen Platz einnehmen wird, aber im Vergleich dazu einen Kraftstoffverbrauch von 27% bietet.
Nissan-Ingenieure sagen auch, dass der VC-T billiger sein wird als die modernen Turbodieselmotoren von heute und die aktuellen NOx- und anderen Emissionsvorschriften vollständig erfüllen. Abgase- solche Regeln gelten in der Europäischen Union und einigen anderen Ländern.
Nach Infiniti ist geplant, andere mit neuen Motoren auszustatten Nissan-Autos und möglicherweise ein Partnerunternehmen Renault. 
VC-T-Motor. Bild: Nissan
Es ist davon auszugehen, dass die komplizierten ICE-Design zunächst wird es kaum zuverlässig sein. Es ist sinnvoll, mit dem Kauf eines Autos mit VC-T-Motor einige Jahre zu warten, es sei denn, Sie möchten an der Erprobung einer experimentellen Technologie teilnehmen.
VC-T-Motor. Bild: Nissan
Der japanische Autohersteller Nissan Motor hat einen neuen Typ von Benzin-Verbrennungsmotor vorgestellt, der moderne Dieselmotoren in mancher Hinsicht übertrifft.
Der neue Variable Compression-Turbo (VC-T) Motor ist in der Lage Verdichtungsverhältnis ändern gasförmiges brennbares Gemisch, dh den Hub der Kolben in den Zylindern der Brennkraftmaschine zu verändern. Dieser Parameter ist normalerweise fest. Anscheinend wird der VC-T der weltweit erste ICE mit variablem Verdichtungsverhältnis sein.
Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis des Volumens des Überkolbenraums des Zylinders einer Brennkraftmaschine an der Position des Kolbens im unteren Totpunkt (volles Zylindervolumen) zum Volumen des Überkolbenraums von des Zylinders an der Position des Kolbens am oberen Totpunkt, also auf das Volumen des Brennraums.
Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses erhöht im Allgemeinen seine Leistung und erhöht die Effizienz des Motors, dh es hilft, den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Herkömmliche Ottomotoren haben typischerweise Verdichtungsverhältnisse zwischen 8:1 und 10:1, während sie bei Sport- und Rennwagen bis zu 12:1 oder mehr betragen können. Mit steigendem Verdichtungsverhältnis benötigt der Motor Kraftstoff mit einer höheren Oktanzahl.
VC-T-Motor. Bild: Nissan
Die Abbildung zeigt den Unterschied der Kolbensteigung bei unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen: 14:1 (links) und 8:1 (rechts). Insbesondere wird der Mechanismus zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses von 14:1 auf 8:1 demonstriert. Es geschieht auf diese Weise.
- Wenn das Verdichtungsverhältnis geändert werden muss, wird das Modul aktiviert Harmonischer Antrieb und verschiebt den Betätigungshebel.
- Der Betätigungshebel dreht die Antriebswelle ( Steuerwelle auf dem Diagramm).
- Wenn sich die Antriebswelle dreht, ändert sie den Winkel der Mehrlenkeraufhängung ( Mehrfachverbindung auf dem Diagramm)
- Die Mehrlenkeraufhängung bestimmt die Höhe, die jeder Kolben in seinem Zylinder anheben kann. Somit wird das Kompressionsverhältnis geändert. Der untere Totpunkt des Kolbens scheint gleich zu bleiben.
Die Änderung des Verdichtungsverhältnisses bei einem Verbrennungsmotor kann gewissermaßen mit der Änderung des Anstellwinkels bei Verstellpropellern verglichen werden – ein Konzept, das bei Propellern und Propellern seit vielen Jahrzehnten angewendet wird. Die variable Steigung des Propellers ermöglicht es Ihnen, die Effizienz des Propellers nahezu optimal zu halten, unabhängig von der Geschwindigkeit des Trägers im Strom.
Die Technologie zur Änderung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors ermöglicht es, die Motorleistung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig strenge Standards für die Motoreffizienz zu erfüllen. Dies ist wahrscheinlich der realistischste Weg, um diese Standards zu erfüllen. „Jeder arbeitet jetzt an variablen Verdichtungsverhältnissen und anderen Technologien, um die Effizienz von Benzinmotoren dramatisch zu verbessern“, sagt James Chao, Asia Pacific Managing Director und IHS-Berater, „seit mindestens zwanzig Jahren oder so.“ ... Erwähnenswert ist, dass Saab im Jahr 2000 einen Prototyp eines solchen Saab Variable Compression (SVC) Motors für den Saab 9-5 zeigte, für den es auf Fachausstellungen eine Reihe von Auszeichnungen erhielt. Dann wurde das schwedische Unternehmen von General Motors gekauft und stellte die Arbeit am Prototyp ein.
Saab Motor mit variabler Kompression (SVC). Foto: Reedhawk
Der VC-T-Motor soll 2017 mit dem Infiniti QX50 auf den Markt kommen. Die offizielle Präsentation ist für den 29. September auf dem Pariser Autosalon geplant. Dieser 2,0-Liter-Vierzylinder hat ungefähr die gleiche Leistung und das gleiche Drehmoment wie der 3,5-Liter-V6, der ersetzt, aber 27 % mehr Kraftstoffverbrauch liefert.
Nissan-Ingenieure sagen auch, dass der VC-T billiger sein wird als die modernen Turbodieselmotoren von heute und die aktuellen Vorschriften zu Stickoxid- und anderen Abgasemissionen, wie sie in der Europäischen Union und einigen anderen Ländern gelten, vollständig erfüllen.
Nach Infiniti ist geplant, weitere Autos von Nissan und eventuell Partnerfirma Renault mit neuen Motoren auszustatten.
VC-T-Motor. Bild: Nissan
Es ist davon auszugehen, dass der komplizierte Aufbau des Verbrennungsmotors zunächst nicht zuverlässig ist. Es ist sinnvoll, mit dem Kauf eines Autos mit VC-T-Motor einige Jahre zu warten, es sei denn, Sie möchten an der Erprobung einer experimentellen Technologie teilnehmen.
„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 zum ersten Mal ein Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis beleuchtet (siehe). Dann wurde es von Saab eingeführt. Die High-Tech zu dieser Zeit Saab-Motor Variable Compression (SVC) mit fünf Zylindern hatte einen Hubraum von 1,6 Litern, entwickelte aber für einen solchen Hubraum eine unvorstellbare 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 die CO2-Emissionen sanken 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 gingen diese Motoren damals jedoch nicht in Serie, sondern um den Koeffizienten zu erhöhen nützliche Aktion(Wirkungsgrad) der Verbrennungsmotor wurde durch die Einführung der Benzindirekteinspritzung verbessert, variable Geometrie Ansaugtrakt, intelligente Turbolader, etc. aktive Arbeitüber die Schaffung von Hybrid Kraftwerke, Elektrofahrzeuge, die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen und neue Wege der Wasserstoffspeicherung. 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. Dieses Jahr dieser Motor„in Metall“ präsentiert, wie der Saab 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, der in der Mitte auf einem verkürzten Pleuel des Kurbeltriebs (KShM) aufgesetzt ist. 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. Und wenn dieser Kipphebel zur einen oder anderen Seite geneigt wird, ändert sich die Position des oberen Kolbens. Totpunkt(OT) und dementsprechend das Volumen der Brennkammer. 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. Es wird von einer Exzenterwelle gesteuert, die mit Hilfe von Schneckengetriebe treibt den Elektromotor des Valvetronic-Systems (BMW) an. Es dauert weniger als 100 Millisekunden, um das Kompressionsverhältnis von 7 auf 18 zu ändern.
Das Volumen der Brennkammer wird nach dem Prinzip der Durchsatzänderung eingestellt Ölventile... 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 Geräuschpegels seines Betriebs. 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 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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Wie es auf den ersten Blick scheinen mag, moderner Motor Die Verbrennung hat die höchste Stufe ihrer Entwicklung erreicht. Auf dieser Moment verschiedene werden in Massenproduktion hergestellt und, wie sich herausstellte, zusätzlich die Möglichkeit implementiert.
In der Liste der wichtigsten Entwicklungen für letzten Jahren unterschieden werden: die Einführung hochpräziser Einspritzsysteme unter der Kontrolle einer komplexen Elektronik, die Erzielung hohe Energie ohne Hubraumerhöhung durch Aufladesysteme, Erhöhung, Nutzung etc.
Das Ergebnis ist eine spürbare Leistungssteigerung sowie eine Reduzierung der Abgasemissionen. Dies ist jedoch nicht alles. Designer und Ingenieure auf der ganzen Welt verbessern nicht nur aktiv bestehende Lösungen, sondern versuchen auch, ein völlig neues Design zu schaffen.
Es genügt, sich an Aufbauversuche zu erinnern, das Gerät loszuwerden oder das Verdichtungsverhältnis des Motors dynamisch zu ändern. Wir stellen sofort fest, dass sich einige Projekte zwar noch in der Entwicklung befinden, andere aber bereits Realität geworden sind. Zum Beispiel Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis. Werfen wir einen Blick auf die Funktionen, Vor- und Nachteile solcher ICEs.
Lesen Sie in diesem Artikel
Ändern des Kompressionsverhältnisses: Warum Sie es brauchen
Viele erfahrene Fahrer sind mit Konzepten wie Oktan für Benziner ebenso vertraut wie für Diesel. Für weniger sachkundige Leser sei daran erinnert, dass das Verdichtungsverhältnis das Verhältnis des Volumens über dem Kolben ist, das am UT (unterer Totpunkt) abgesenkt wird, zum Volumen, wenn der Kolben am OT (oberer Totpunkt) ansteigt.
Benziner haben durchschnittlich 8-14, Diesel 18-23. Das Verdichtungsverhältnis ist ein fester Wert und wird bei der Entwicklung eines bestimmten Motors konstruktiv festgelegt. Außerdem hängen die Anforderungen für die Verwendung der Oktanzahl von Benzin in einem bestimmten Motor vom Verdichtungsverhältnis ab. Parallel wird es berücksichtigt oder mit Aufladung.
Wenn wir über das Verdichtungsverhältnis selbst sprechen, ist dies tatsächlich ein Indikator, der bestimmt, wie stark das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Motorzylindern komprimiert wird. Einfach gesagt, eine gut komprimierte Mischung entzündet sich besser und brennt vollständiger. Es stellt sich heraus, dass eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses es Ihnen ermöglicht, ein Motorwachstum zu erzielen, eine verbesserte Rendite des Motors zu erzielen, den Kraftstoffverbrauch zu senken usw.
Es gibt jedoch auch Nuancen. Zunächst einmal dies. Auch hier, wenn Sie nicht ins Detail gehen, sollte normalerweise die Ladung von Kraftstoff und Luft in den Zylindern nur brennen und nicht explodieren. Außerdem muss die Zündung des Gemisches zu genau festgelegten Zeiten beginnen und enden.
In diesem Fall hat der Kraftstoff die sogenannte "Klopffestigkeit", dh die Fähigkeit, einer Detonation zu widerstehen. Wird das Verdichtungsverhältnis stark erhöht, so kann unter bestimmten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine der Kraftstoff im Motor zu detonieren beginnen.
Die Folge ist ein unkontrollierter explosiver Verbrennungsprozess in Zylindern, eine schnelle Zerstörung von Motorteilen durch eine Stoßwelle, eine deutliche Temperaturerhöhung im Brennraum usw. Wie Sie sehen, ist es aus diesen Gründen unmöglich, ein konstant hohes Kompressionsverhältnis zu erzielen. In diesem Fall ist der einzige Ausweg in dieser Situation die Möglichkeit, diesen Indikator in Bezug auf verschiedene Motorbetriebsmodi flexibel zu ändern.
Ein solcher "funktionierender" Motor wurde kürzlich von den Ingenieuren der Premium-Industrie vorgeschlagen Infiniti-Marke(die Elite-Abteilung von Nissan). Auch andere Autohersteller (SAAB, Peugeot, Volkswagen etc.) waren und sind an ähnlichen Entwicklungen beteiligt. Werfen wir also einen Blick auf einen Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis.
Variables Kompressionsverhältnis: So funktioniert es
Erstens können Sie durch die verfügbare Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis zu ändern, die Leistung von Turbomotoren erheblich steigern und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch senken. Auf den Punkt gebracht, je nach Betriebsart und Belastung ICE-Kraftstoff die Ladung wird unter den optimalsten Bedingungen komprimiert und verbrannt.
Bei minimaler Belastung des Aggregats wird den Zylindern ein sparsames „mageres“ Gemisch (viel Luft und wenig Kraftstoff) zugeführt. Ein hohes Verdichtungsverhältnis ist für eine solche Mischung gut geeignet. Steigt die Belastung des Motors (es wird ein "fettes" Gemisch zugeführt, in dem mehr Benzin vorhanden ist), dann steigt natürlich die Detonationsgefahr. Dementsprechend wird das Kompressionsverhältnis dynamisch reduziert, um dies zu verhindern.
Bei Motoren mit konstantem Verdichtungsverhältnis ist die Änderung eine Art Klopfschutz. Dieser Winkel wird "zurück" verschoben. Natürlich führt eine solche Winkelverschiebung dazu, dass es zwar keine Detonation gibt, aber auch an Kraft verliert. Bei einem Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis muss der VOZ nicht verschoben werden, dh es gibt keinen Leistungsverlust.
Bei der Implementierung der Schaltung selbst besteht die Aufgabe darin, dass das Arbeitsvolumen des Motors physisch abnimmt, aber alle Eigenschaften (Leistung, Drehmoment usw.)
Wir stellen sofort fest, dass an einer solchen Entscheidung gearbeitet wurde verschiedene Firmen... Als Ergebnis, verschiedene Wege Steuerung des Verdichtungsverhältnisses, zum Beispiel das variable Brennraumvolumen, Pleuel mit der Möglichkeit, die Kolben anzuheben usw.
- Eine der frühesten Entwicklungen war die Einführung eines zusätzlichen Kolbens in den Brennraum. Der angegebene Kolben konnte sich beim Ändern des Volumens bewegen. Der Nachteil des gesamten Designs war die Notwendigkeit, zusätzliche Teile zu installieren. Außerdem traten sofort Veränderungen in der Form der Brennkammer auf, der Kraftstoff verbrannte ungleichmäßig und fehlerhaft.
Aus diesen Gründen wurde dieses Projekt nie abgeschlossen. Das gleiche Schicksal ereilte die Entwicklung, die Kolben mit der Fähigkeit hatte, ihre Höhe zu ändern. Die angegebenen geteilten Kolben erwiesen sich als schwer, es kamen Schwierigkeiten bei der Umsetzung der Steuerung der Hubhöhe des Kolbendeckels hinzu usw.
- Weiterentwicklungen betrafen weder die Kolben noch den Brennraum, größtes Augenmerk wurde auf die Anhebung der Kurbelwelle gelegt. Mit anderen Worten, die Aufgabe bestand darin, die Steuerung des Kurbelwellenhubs zu realisieren.
Das Schema der Vorrichtung ist so, dass sich die Lagerzapfen der Welle in speziellen Exzenterkupplungen befinden. Diese Kupplungen werden von Zahnrädern angetrieben, die mit einem Elektromotor verbunden sind.
Die Drehung der Exzenter ermöglicht ein Anheben oder Absenken, was zu einer Änderung der Kolbenhubhöhe im Verhältnis führt. Dadurch vergrößert oder verkleinert sich das Volumen des Brennraums, während sich auch das Verdichtungsverhältnis ändert.
Beachten Sie, dass mehrere Prototypen basierend auf dem 1,8-Liter gebaut wurden Turboladereinheit von Volkswagen variierte das Verdichtungsverhältnis von 8 bis 16. Der Motor wurde lange getestet, aber es wurde nie ein Seriengerät.
- Ein weiterer Lösungsversuch war ein Motor, bei dem das Verdichtungsverhältnis durch Anheben des gesamten Zylinderblocks verändert wurde. Die Entwicklung gehört der Marke Saab, und das Aggregat selbst kam fast sogar in die Serie. Der Motor, bekannt als SVC, ist ein 1,6-Liter-5-Zylinder-Turbomotor.
Die Leistung betrug etwa 220 PS. Sek., Drehmoment knapp über 300 Nm. Bemerkenswert ist, dass der Kraftstoffverbrauch im Mittellastbetrieb um fast ein Drittel gesunken ist. Was den Kraftstoff selbst angeht, wurde es möglich, sowohl den AI-76 als auch den 98. einzufüllen.
Saab Ingenieure haben den Zylinderblock in zwei konventionelle Teile geteilt. Oben waren die Köpfe und Zylinderlaufbuchsen, unten die Kurbelwelle. Eine Art Verbindung dieser Teile des Blocks war einerseits ein bewegliches Scharnier und andererseits ein spezieller Mechanismus mit einem elektrischen Antrieb.
So wurde die Gelegenheit wahrgenommen, etwas zu erhöhen oberer Teil in einem bestimmten Winkel. Dieser Steigungswinkel betrug nur wenige Grad, während das Verdichtungsverhältnis von 8 bis 14 variierte. Gleichzeitig musste eine Gummiummantelung das „Gelenk“ abdichten.
In der Praxis erwiesen sich die Hebeteile für das Oberteil des Gerätes selbst sowie das Schutzgehäuse selbst als sehr schwache Elemente. Vielleicht verhinderte dies, dass der Motor in die Serie kam und das Projekt wurde weiter geschlossen.
- Die nächste Entwicklung wurde von Ingenieuren aus Frankreich weiter vorgeschlagen. Ein Turbomotor mit einem Arbeitsvolumen von 1,5 Litern konnte das Verdichtungsverhältnis von 7 auf 18 ändern und erzeugte eine Leistung von etwa 225 PS. Die Drehmomentkennlinie liegt fest bei rund 420 Nm.
Strukturell ist die Einheit komplex, geteilt. Im Bereich, wo das Pleuel an der Kurbelwelle befestigt ist, ist das Teil mit einem speziellen Zahnkipphebel ausgestattet. An der Verbindungsstelle des Pleuels mit dem Kolben wurde auch eine Zahnradschiene eingeführt.
Auf der anderen Seite wurde am Kipphebel eine Kolbenstange angebracht, die die Steuerung realisierte. Das System wurde aus dem Schmiersystem angetrieben, das Arbeitsfluid durch ein komplexes System von Kanälen, Ventilen geleitet und es gab auch einen zusätzlichen elektrischen Antrieb.
Kurz gesagt, die Bewegung des Steuerkolbens wirkte sich auf den Kipphebel aus. Dadurch verändert sich auch die Hubhöhe des Hauptkolbens im Zylinder. Beachten Sie, dass die Engine auch nicht seriell wurde und das Projekt eingefroren wurde.
- Der nächste Versuch, einen Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis zu entwickeln, war die Entscheidung der Infiniti-Ingenieure, nämlich der VCT-Motor (Variable Compression Turbocharged). Bei diesem Motor wurde es möglich, das Verdichtungsverhältnis von 8 auf 14 zu ändern. Das Konstruktionsmerkmal ist ein einzigartiger Schwenkmechanismus.
Es basiert auf der Verbindung der Pleuelstange mit dem unteren Hals, der beweglich ist. Ebenfalls verwendet wird ein System von Hebeln, die von einem Elektromotor angetrieben werden.
Der Controller steuert den Prozess, indem er Signale an den Elektromotor sendet. Der Elektromotor verschiebt nach Erhalt eines Befehls von der Steuereinheit den Schub und das Hebelsystem führt eine Positionsänderung durch, mit der Sie die Hubhöhe des Kolbens ändern können.
Das Ergebnis ist ein 2,0-Liter-Infiniti-VCT-Aggregat mit einer Leistung von etwa 265 PS. konnte im Vergleich zu ähnlichen Verbrennungsmotoren, die gleichzeitig ein konstantes Verdichtungsverhältnis aufweisen, fast 30% Kraftstoff einsparen.
Wenn es dem Hersteller gelingt, die aktuellen Probleme (Konstruktionskomplexität, erhöhte Vibrationen, Zuverlässigkeit, hohe Endkosten der Herstellung des Aggregats usw.) jede Chance, bereits 2018-2019 eine Serie zu werden.
Fassen wir zusammen
Unter Berücksichtigung der obigen Informationen wird deutlich, dass Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis eine signifikante Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um Benzinmotoren aufgeladen.
Vor dem Hintergrund der globalen Kraftstoffkrise, sowie die ständige Verschärfung der Umweltstandards ermöglichen diese Motoren nicht nur eine effiziente Kraftstoffverbrennung, sondern auch keine Begrenzung der Motorleistung.
Mit anderen Worten, ein solcher Verbrennungsmotor ist durchaus in der Lage, alle Vorteile eines leistungsstarken Benzin-Hochgeschwindigkeits-Turbomotors zu bieten. Gleichzeitig kann ein solches Aggregat in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch den heute beliebten Turbodiesel-Pendants vor allem aufgrund ihres Eigenen nahe kommen.
Lesen Sie auch
Das Gerät des Turboladers, die wichtigsten Strukturelemente, die Wahl der Turbine. Vor- und Nachteile von aufgeladenen Benzin- und Dieselmotoren.
Wir sind daran gewöhnt, dass Verdichtungsverhältnis und Hubraum unveränderte Konstruktionsparameter eines Automobilmotors sind. Es scheint, dass diese Gewohnheit bald entwöhnt werden muss. Trends in der Entwicklung des Motorenbaus deuten darauf hin, dass Motoren mit „variable unveränderlich“ die Zukunft gehört. Und das ist keineswegs eine vage Aussicht – wir sprechen von der Zukunft, die vor der Tür steht und bereits an die Tür klopft.
Prolog
Vor fast 15 Jahren war der schwedische Konzern SAAB ein renommierter Experte auf dem Gebiet der Motortechnik, wieder einmal empört den Frieden der Weltautomobilgemeinschaft. Auf dem Genfer Autosalon 2000 demonstrierte er das sensationelle Ergebnis langjähriger Arbeit am Projekt SVC (SAAB Variable Compression) - einen Prototypen eines Ottomotors mit mechanisches Gebläse und variablem Verdichtungsverhältnis. Das Publikum war "empört" sowohl über die fantastischen Leistungsmerkmale der Einheit als auch über ihren bescheidenen Appetit. Der 1,6-Liter-Reihen-Fünfzylinder entwickelt die Nennleistung und das maximale Drehmoment eines 3-Liter-V6-Motors (225 PS / 5800 min-1 bzw. 333 Nm / 4000 min-1). Beim Test des SVC-Motors im SAAB 9-5 betrug der Kraftstoffverbrauch im kombinierten Zyklus nur 8,3 l/100 km.
So eine tolle Kombination aus Kompaktheit, Traktionseigenschaften, Kraftstoffverbrauch und dementsprechend giftige Emissionen versprachen sowohl für den schwedischen Konzern als auch für die gesamte Weltautoindustrie im 21. Nicht umsonst wurde das SVC-Konzept gleich mehrfach von den Veranstaltern ausgezeichnet. Genfer Ausstellung und eine Reihe von Automobilpublikationen. In den begeisterten Kommentaren vieler ernsthafter Autoprofis wurde argumentiert, dass der Anfang Massenproduktion SVC-Motoren sind eine Sache von zwei bis drei Jahren. Inzwischen sind fast 15 vergangen, und es gibt keine „Saabs“ mit Wundermotoren. Die Leidenschaften rund um das sensationelle SVC-Projekt haben sich gelegt, und es gibt keine neuen Informationen über sein weiteres Schicksal. Hitzköpfe unter den SAAB-Fans "rollen Fässer" an die Geschäftsführung von GM - sie sagen, sie haben das Projekt bewusst eingefroren, was drohte, einen Anteil in die Produktion von Mehrliter-"G-Em"-"Hummographen" zu treiben und das Ganze zu entgleisen Zweig ihrer amerikanischen Industrie. Im Allgemeinen ist die Geschichte kurios. Ein Detektiv, könnte man sagen. Um es objektiv zu verstehen, müssen Sie zuerst verstehen, was die Essenz der Idee ist, das Unveränderliche zu ändern.
An den Fingern
Aus der Theorie der Wärmekraftmaschinen, die in der ersten Hälfte des 19. der Kompression (c) des Arbeitsfluids. Einfluss des Verdichtungsverhältnisses auf den Wirkungsgrad echter Wärmekraftmaschinen - Autoverbrennungsmotoren- nicht so eindeutig. Eine theoretisch begründete, "unbegrenzte" Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses wird durch die gleichzeitig wachsenden mechanischen Verluste für Reibung und Gasaustausch, thermische und mechanische Belastungen von Motorteilen, insbesondere Autokraftstoffen, ua erschwert. Daher können wir in Bezug auf einen Verbrennungsmotor (einer bestimmten Bauart) über den optimalen Wert des Verdichtungsverhältnisses sprechen, bei dem der maximale effektive Wirkungsgrad erreicht wird, der für die Kraftstoffeffizienz und die hohen Leistungseigenschaften verantwortlich ist. Genauer gesagt über den Bereich der optimalen Werte, da bei verschiedenen Betriebsmodi des Motors der Einfluss der begrenzenden Faktoren unterschiedlich und am stärksten ist effektive Arbeit kann mit unterschiedlichen Kompressionsverhältnissen erreicht werden.
Nehmen wir zum Beispiel Fremdansaugmotoren. Studien zeigen, dass das optimale Verdichtungsverhältnis für solche Motoren im Bereich von 13-15 liegt. Eine weitere Erhöhung von b führt nicht zu einer merklichen Verbesserung der Motorleistung aufgrund einer Erhöhung der mechanischen Verluste. Gleichzeitig liegt dieser Parameter bei modernen Ottomotoren in der Regel bei etwa 10, d.h. deutlich weniger als optimal. Grund ist der Wunsch, eine Detonation zu vermeiden, deren Gefahr vor allem bei Volllast, bei hohen Drücken und Temperaturen im Brennraum besteht. Es ist bekannt, dass ein Stadtautomotor nicht mehr als 10 % seiner Betriebszeit mit vollständig geöffneter Drosselklappe arbeitet. Dies bedeutet, dass das meiste davon nicht an Leistung gewinnt und Kraftstoff verschwendet. Ob das Kompressionsverhältnis einstellbar ist, auf Modi Leerlauf bewegen und Teillasten könnte der Motor mit optimalen Werten arbeiten, und nur in den Leistungsmodi würde er auf ein sicheres Niveau sinken. Es wird geschätzt, dass diese Maßnahme den Benzinverbrauch um etwa 10 % senken würde. Nicht sehr viele, aber nicht zu wenige, wenn man die riesige Zahl der betriebenen „Benzinfahrzeuge“ berücksichtigt. Die Gesamteinsparungen an Öl und Emissionsreduzierungen in der Atmosphäre wären ziemlich greifbar.
Ein variables Verdichtungsverhältnis wäre gut für Dieselmotoren. Auch moderne Diesel, die meistens aufgeladen sind, haben ein nicht optimales Verdichtungsverhältnis. Bei der Auslegung von Dieselmotoren wird es auf der Grundlage eines stabilen Kaltstarts des Motors ausgewählt. Je nach Ausführung des Motors kann er Werte von 16 bis 24 annehmen, was höher als das Optimum ist. Ein unnötig hohes Verdichtungsverhältnis durch akzeptables Anfahrverhalten verhindert eine Ladedruckerhöhung, d.h. Erhöhung der spezifischen Leistung von Dieselmotoren. Eine der Folgen eines hohen Kompressionsverhältnisses ist eine große maximaler Druck im Brennraum. Bei Druck erhöht es sich noch mehr, was zu überschreiten droht zulässige Belastungen auf Triebwerksteilen, reduziert seine Ressourcen und sogar Zerstörung. Die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis von Turbodiesel flexibel einzustellen, würde es ermöglichen, den Motor bei hohem V problemlos zu starten und in den Leistungsmodi auf 10-11 zu reduzieren, während der Ladedruck erhöht wird. Auf diese Weise kann die Leistung deutlich gesteigert werden, ohne dass eine Überschreitung des Grenzverbrennungsdrucks befürchtet werden muss.
Die genannten Vorteile, die die Kontrolle des Verdichtungsverhältnisses versprechen, liegen an der Oberfläche. Aber das alles sind Blumen, Beeren - vorne.
Zwei Tiefs
Es ist kein Geheimnis, dass wir das Aufkommen vieler moderner Technologien im Motorenbau dem Kampf um die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduzierung der Emissionen von Kohlendioxid und anderen Verbrennungsprodukten von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen in die Atmosphäre verdanken. Trotz der erzielten Erfolge ist der Kampf noch lange nicht vorbei. Neue Herausforderungen warten auf Motorbleche, angetrieben von noch härteren Umweltvorschriften und die steigenden Anforderungen an die Fahrleistungen von Autos. Neue Strategien für die Entwicklung von Automobilmotoren sind die Antwort auf neue Herausforderungen. Die meisten Experten im Bereich Motorentechnik sind sich einig, dass in naher Zukunft zwei miteinander verknüpfte Strategien besonders relevant sein werden: Downsizing und Downspeeding. Der Name des ersten in russischer Transkription wird "Downsizing" ausgesprochen und bedeutet "Verkleinerung", der Name des zweiten, der wie "Downspeeding" klingt, bedeutet "Reduzierung der Rotationsfrequenz". Achten wir auf beide "Downs", da sie sich direkt auf das Gesprächsthema beziehen.
Downsizing bedeutet, sich in zwei Richtungen zu bewegen: die Leistung und das Drehmoment des Motors zu erhöhen, ohne seinen Hubraum zu vergrößern, oder den Hubraum bei konstanter Leistungscharakteristik zu reduzieren. In beiden Fällen erhöhen sich die spezifischen Indikatoren des Motors, insbesondere die Literleistung, die dazu dient, das Hauptziel zu erreichen - den Kraftstoffverbrauch zu senken. Die Rede ist also von der Entwicklung kompakter und zugleich leistungsstarker Motoren. Solche Aggregate nutzen den Kraftstoff effizienter (insbesondere bei Teillast) aufgrund geringerer Verluste für Gasaustausch und Reibung sowie weniger Wärmeverlust aus dem Arbeitsmedium in die Wände der Brennkammer.
Pumpverluste und Reibungsverluste lassen sich weiter reduzieren, wenn bei einem kompakten Motor eine Leistungssteigerung nicht durch eine Erhöhung der Kurbelwellendrehzahl, sondern durch eine Drehmomenterhöhung über den gesamten Drehzahlbereich erreicht wird. Dies kann erreicht werden, indem der Füllgrad und der durchschnittliche effektive Zylinderdruck erhöht werden (siehe Spickzettel 2). Somit wird die Downsizing-Strategie noch vorteilhafter, wenn sie durch Downspeeding ergänzt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Idee, die spezifischen Eigenschaften von Motoren zu erhöhen, nicht neu ist. Im Laufe der Entwicklungsgeschichte wurden Automobilmotoren ständig verbessert, kompakter und leistungsstärker. Eine andere Sache ist, dass dieser Trend jetzt zu einer Priorität geworden ist und technologische Möglichkeiten aufgetaucht sind, die einen qualitativen Sprung in diese Richtung ermöglichen. Dimensionierungs- und Drehzahlreduzierungsstrategien sind sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren relevant, jedoch haben Ottomotoren in diesen Bereichen ein deutlich höheres Entwicklungspotenzial. Um die angestrebten Ziele in einem Ottomotor zu erreichen, ist geplant, mehrere bereits bewährte Technologien einzusetzen:
Vollvariable Ventilsteuerung mit vier Ventilen pro Zylinder (VVA);
Direkteinspritzung (GDI);
Druckluft-Boost (CH).
Der Schlüssel zum Erfolg bei der Entwicklung eines kompakten, leistungsstarken und kraftstoffsparenden Benzinmotors ist jedoch die Technologie mit variablem Kompressionsverhältnis (VCR). Um eine spürbare Steigerung der Literleistung zu erzielen, ist eine Hochdruckerhöhung erforderlich. In diesem Fall erhöht sich die Detonationsgefahr im Lastmodus um ein Vielfaches. Um dies zu vermeiden, "erweitern" sich normalerweise erzwungene Motoren mit einem festen Verdichtungsverhältnis - reduzieren Sie den Wert von ε um mehrere Einheiten (bis zu 7-8), und entfernen Sie sich weiter vom Optimum. Der Preis dafür ist die instabile Arbeit und die Völlerei des "ausgespannten" Motors bei Leerlauf und Teillast. Die VCR-Technologie wird es dem hochbeschleunigten Motor ermöglichen, in allen Modi äußerst effizient zu arbeiten. Um dies zu tun, müssen Sie nur lernen, £ im Bereich von 14 bis 7 sanft einzustellen. Die volle Kontrolle über die Detonation unter Hochdruck-Ladebedingungen ermöglicht es, den Hubraum des Motors um bis zu 50 % zu reduzieren, während seine Leistung beibehalten wird Eigenschaften.
Durch die flexible Regulierung des Verdichtungsverhältnisses wird es möglich sein, die Parameter der physikalischen Prozesse im Motor zu beeinflussen, die sich auf den Kraftstoffverbrauch und die Emission von Schadstoffen auswirken:
Druck und Temperatur am Ende des Kompressionshubs;
Maximaler Druck und Verbrennungstemperatur;
Expansionsverhältnis und Indikatoreffizienz;
Brennkammervolumen;
Abgastemperatur.
Zusammen mit extremem Downsizing eröffnet dies enorme Möglichkeiten, Energie einzusparen und den Kohlendioxidausstoß zu reduzieren. Also nach Informationen von verschiedene Quellen verbrauchen kompakte VCR-Motoren mit Kompressor 20-40 % weniger Kraftstoff im Vergleich zu herkömmlichen atmosphärische Motoren gleichwertige Leistung. Zum Beispiel lag der Kraftstoffverbrauch des SVC-Motors bei etwa 30 %. Die Treibhausgasemissionen werden um den gleichen Betrag reduziert.
Die variable Kompressionstechnologie wird eine Vielzahl von Motormanagement-Szenarien ermöglichen, um die Abgasemissionen zu reduzieren. So kann beispielsweise beim Anlassen eines kalten Motors der Anzeigenwirkungsgrad gezielt reduziert werden. Die daraus resultierende Temperaturerhöhung der Abgase beschleunigt die Aufheizung des Katalysators und reduziert gleichzeitig den Ausstoß von Stickoxiden. Im Maximalleistungsmodus reduziert die VCR-Technologie die Wärmebelastung im Brennraum und im Abgassystem, ohne auf die übliche Kühlmethode zurückzugreifen - die Anreicherung des Gemischs und die damit verbundenen erhöhten CO- und HC-Emissionen. Diese Art von Maßnahmen wird die zunehmende Umweltanforderungen zu Motoren ohne die Komplikation und Kostensteigerung von Abgasreinigungssystemen. Laut Experten werden Funkenmotoren dank der Technologie des variablen Verdichtungsverhältnisses in der Lage sein, Dieselmotoren auszuschalten und die verlorene Führung in Bezug auf Effizienz und Ökologie zurückzugeben.
Die Fähigkeit, das Unveränderliche zu ändern, wärmt die Seele derer, die die Verwendung von befürworten alternative Arten Kraftstoff. Ein breit einstellbares Verdichtungsverhältnis vereinfacht die Aufgabe, einen Multi-Fuel-Motor zu schaffen, der gleichermaßen effizient mit Benzin, Erdgas oder E-85-Alkohol-Benzin-Gemisch betrieben werden kann, das besonders in Schweden und den USA beliebt ist. Schließlich öffnet die VCR-Technologie den Weg für die Einführung neuer und die Verbesserung bestehender vielversprechender Technologien für den Motorenbau: die Nutzung des adaptiven Atkinson-Zyklus, die Bildung von Schichtladungen Luft-Kraftstoff-Gemisch, Verbrennung von ultramageren Gemischen und eine Reihe anderer.
Die vollständige Liste der potenziellen Vorteile von Verbrennungsmotoren mit variablem Verdichtungsverhältnis ist nicht darauf beschränkt, aber das oben Genannte reicht aus, um zu verstehen, warum die Mehrheit der Automobilhersteller an Entwicklungen in diese Richtung interessiert ist.
Es war nur auf dem Papier...
Idee ICE-Erstellung Das variable Verdichtungsverhältnis hat gestern die Köpfe der Motorenbauer nicht erobert. Wir können sagen, dass sie in letzter Zeit nur ihre Wiedergeburt erlebt. Das erste geschah zu Beginn des 20. Jahrhunderts, daher ist die Idee, das Unveränderliche zu ändern, nicht viel jünger als die Verbrennungsmotoren selbst. Etwa um die Mitte des letzten Jahrhunderts wurden bereits fast alle heute bekannten Verfahren entwickelt und patentiert (in Form von Diagrammen oder Konstruktionen), die es ermöglichten, das Verdichtungsverhältnis in einem Verbrennungsmotor zu variieren. Einige der vorgeschlagenen Lösungen blieben aus verschiedenen Gründen auf dem Papier, andere wurden in Hardware umgesetzt. Einige der erstellten VCR-Motoren wurden auf das Niveau der experimentellen Entwicklung gebracht, und nur wenige wurden in Kleinserie hergestellt und in Autos eingebaut. Es gibt auch solche "Inkarnationen", die seit fast hundert Jahren verwendet werden und in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, jedoch nicht zu Transportzwecken. Mehr dazu wird später besprochen. Schauen wir uns zunächst an, in welche Richtungen sich die Idee entwickelt hat, das Unveränderliche zu verändern.
Es ist nicht schwer, diese Richtungen grundsätzlich zu definieren. Dabei ist zu beachten, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis das Verhältnis von maximalem und minimalem Zylindervolumen bei OT bzw. OT des Kolbens ist (siehe Spickzettel 1). Aus dem obigen Ausdruck für b ist ersichtlich, dass es möglich ist, das Verdichtungsverhältnis durch Ändern des Volumens der Kompressionskammer (V), des Arbeitsvolumens des Motors (Vh) oder beider Parameter gleichzeitig zu beeinflussen. Außerdem kann bei konstantem Arbeitsvolumen das Verdichtungsverhältnis nur durch das Volumen des Verdichtungsraums variiert werden. Eine Analyse des Strukturdiagramms eines herkömmlichen Verbrennungsmotors mit Kurbeltrieb (KShM) gibt die wichtigsten Methoden zur Beeinflussung der Höhe des Verdichtungsraums (hc) an:
1) eine Änderung des Motorskeletts (der Abstand von der Drehachse der Kurbelwelle zum Bogen der Kompressionskammer);
2) Änderung der Kolbenhöhe;
3) Ändern der Länge der Pleuelstange;
4) Ändern des Radius der Kurbel.
Es ist wichtig zu beachten, dass sich im letzteren Fall - wenn sich der Radius der Kurbel ändert - zusammen mit dem Verdichtungsverhältnis auch das Arbeitsvolumen des Motors (die Größe des Kolbenhubs) ändert. Möglichkeit der gleichzeitigen Einwirkung auf beide geometrischen ICE-Parameter sehr verlockend. Vor allem, wenn sie einem umgekehrten Verhältnis gehorchen - mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses nimmt das Arbeitsvolumen ab und umgekehrt. Dadurch wird es beispielsweise möglich, den Hubraum im Anfahr- und Teillastbetrieb zu reduzieren und gleichzeitig durch hohe Pumpverluste und Reduzierung der Pumpverluste mit einem hohen Anzeiger und mechanischem Wirkungsgrad zu arbeiten. Mit steigender Last und steigendem Ladedruck wird der Motor „ausdehnen“ und gleichzeitig „vergrößern“. Auf diese Weise ist es möglich, an jedem Punkt der Motorlastkennlinie sowohl eine hohe Nennleistung als auch eine maximale Kraftstoffeffizienz zu erzielen.
Es ist möglich, das Volumen der Kompressionskammer nicht nur durch Änderung ihrer Höhe zu verkleinern oder zu vergrößern. Betrachten wir andere Möglichkeiten zur Beeinflussung des Wertes von Y als separaten fünften Punkt. Auch die resultierende Liste wäre ohne einen weiteren, sechsten Punkt nicht vollständig. Tatsache ist, dass die obigen Überlegungen Motoren betrafen, in denen Translationsbewegung der Kolben wird mit dem KShM in eine Drehung der Kurbelwelle umgewandelt. Viele andere Umwandlungsmechanismen sind im Stand der Technik bekannt, einschließlich solcher, die es Ihnen ermöglichen, die Bewegung der Kolben zu steuern und das Verdichtungsverhältnis und die Verdrängung zu beeinflussen. Ihr Einsatz bei der Konstruktion von VCR-Motoren kann ebenfalls sehr vielversprechend sein.
Fast ein Jahrhundert, das seit den Anfängen der Idee vergangen ist, haben die Ingenieure und Erfinder keine der angegebenen Richtungen missachtet. Lassen Sie uns einige der Ergebnisse notieren, die sie erzielt haben.
Änderung des Motorskeletts
Einer der ersten nach diesem Prinzip gebauten VCR-Motoren wurde in den 1920er Jahren von dem talentierten britischen Ingenieur und Forscher Sir Harry Ricardo entwickelt. Sir Ricardo entwickelte seinen Einzylindermotor mit variabler Verdichtung, um die Eigenschaften von Motorkraftstoffen und das Phänomen der Detonation zu untersuchen. Später führte er das Konzept der Oktanzahl von Kraftstoffen in den Alltag ein. Beim Ricardo-Motor wurde die Größe des Skeletts durch die Bewegung des Zylinders und des Blockkopfes relativ zum feststehenden Kurbelgehäuse und der Kurbelwelle verändert. Der Zylinder wurde mittels einer Mutter mit Trapezgewinde mit dem Kurbelgehäuse verbunden - die Bewegung des Zylinders wurde durch Drehen erreicht. Die Abstandsänderung zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle wurde durch eine Zwischenrolle im Nockenwellenkettentrieb ausgeglichen. Die meisten Motoren in Forschungseinrichtungen, einschließlich der modernsten, haben ein ähnliches Schema. Sie werden häufig verwendet, um alle Arten von physikalischen Prozessen in einem Verbrennungsmotor zu untersuchen. Sagen wir vorausschauend, dass auch das Mehrzylinder-SVC-Konzept das Prinzip nutzt, das Skelett durch die Verschiebung des Monoblocks, der die Zylinder und den Hauptrechner umfasst, zu variieren.
Es sind viele Motorkonstruktionen bekannt, bei denen dagegen die Kurbelwelle relativ zum Zylinder beweglich ist. Ein deutsches Patent von 1968 beschreibt einen Varimax-Motor, bei dem die Kurbelwellenlager im Kurbelgehäuse an einem Rahmen aufgehängt sind. Der Rahmen wird auf beiden Seiten von vertikalen Stangen getragen - auf der einen Seite fest und auf der anderen verstellbar. Der Versatz der Kurbelwellenachse wird durch Änderung der Länge der verstellbaren Stangen erreicht. Um die Welle zu bewegen, wird häufiger vorgeschlagen, ihre Hauptlager in Exzenterbuchsen zu installieren. Nach diesem Schema ist einer der von den Spezialisten des renommierten Forschungsunternehmens aus Deutschland FEV Motorentechnik entwickelten VCR-Motoren angeordnet. Die Buchsen haben Zahnkränze, die mit Zahnrädern kämmen, die sich auf einer einzigen Welle befinden.
Ein gemeinsamer Nachteil der genannten Strukturen ist eine Abnahme der Steifigkeit des Triebwerksskeletts, seines "Rückgrats", aufgrund von unvermeidliche Verwendung zusätzliche Verbindungen zwischen Kurbelgehäuse, Kurbelwelle und Zylinder. Die für die Höhenänderung des Skeletts verantwortlichen Mechanismen sind starken Belastungen durch Gas- und Trägheitskräfte ausgesetzt.
Konstruktionen mit beweglichen Kurbelwelle außerdem leiden sie unter ungenügender Steifigkeit der Stützen und ernsthafte Probleme verbunden mit der Ausrichtung der "Knie"-Achse mit der Achse der Eingangswelle des Getriebes. Was für stationäre Laborinstallationen unkritisch ist, stellt daher große Herausforderungen bei der Entwicklung zuverlässiger Produkte für Transportfahrzeuge.
Änderung der Kolbenhöhe
Auf den ersten Blick scheint die Höhenveränderung des Kolbens die attraktivste Methode zur Beeinflussung des Verdichtungsverhältnisses zu sein. Tatsächlich erfordert dieses Verfahren im Gegensatz zu anderen minimale Änderungen in der Architektur. Basismotor... Die Kolbenkonstruktion mit variabler Höhe wurde 1952 vom British Engine Research Institute vorgeschlagen. Der Kolben besteht aus zwei Teilen - einem "Körper" mit einer Schürze und einem beweglichen Kopf in Form eines Glases. Die Kontaktfläche zwischen Körper und Kopf wird durch die Kanäle in der Pleuelstange in den inneren Hohlraum zwischen ihnen abgedichtet Motoröl... Eine Änderung seines Betrags führt zu einer Höhenänderung des Kolbens. Mit zunehmender Höhe nimmt das Überkolbenspiel ab, das Verdichtungsverhältnis steigt und umgekehrt. Die Ölzufuhr wird durch ein Ventilsystem geregelt.
Nach den Briten arbeiteten die Motoren der Konzerne Ford und Mercedes-Benz in die gleiche Richtung und schlugen eigene Versionen von "Teleskopkolben" vor. Sie unterschieden sich in einem etwas anderen Ölversorgungsschema und der Organisation der Dichtung des beweglichen Kopfes. Kolben wurden bei der Konstruktion der hergestellten Motoren verwendet in Kleinserien... Der Variationsbereich des Verdichtungsverhältnisses für verschiedene Motoren war unterschiedlich. Zum Beispiel bei Autos M-B S-Klasse es war 11-14, aufgrund dieser effektiven Wirkungsgrad der Motoren um 5 % erhöht.
Den bemerkenswertesten Erfolg in dieser Richtung erzielte der amerikanische Konzern Continental. Seit einigen Jahren produziert es den Spezialdieselmotor AVCR-1100 mit variabler Kolbenhöhe. Das Verdichtungsverhältnis darin variierte von 10 bis 22. Die Erhöhung der Kolbenhöhe vom Minimum zum Maximum erfolgte in 60-65 Zyklen oder etwa 3 s, weil es nur für kurze Zeit möglich ist, während die Trägheitskräfte wirken am Kolben den Kraftgegendruck von Gasen überschreiten. Langsames Ansprechen ist nicht der bedeutendste Nachteil von Teleskopkolbenkonstruktionen. Ein Mechanismus mit Präzisionselementen muss bei hohen Temperaturen und Belastungen arbeiten. Eine der wahrscheinlichen Folgen davon ist die Verkokung des Öls und der Verlust der Kolbenkopfbeweglichkeit. Zudem ist die Durchführung des Verfahrens mit einer deutlichen Erhöhung der Masse der Kolben mit allen sich daraus ergebenden Konsequenzen verbunden.
Ändern der Länge der Pleuelstange und des Radius der Kurbel
Zu verschiedenen Zeiten wurde eine große Anzahl von Pleuelstangenkonstruktionen mit variabler Länge vorgeschlagen. Die meisten von ihnen basierten auf den gleichen Lösungen, die verwendet wurden, um die Höhe der Kolben zu ändern. Der Pleuelkörper wurde teleskopiert, seine Länge wurde mit mechanischen oder hydraulischen Geräten geändert. Solche Konstruktionen haben die gleichen Nachteile wie Teleskopkolben. Zudem erwies sich die Zuverlässigkeit der Konstruktion als noch geringer, da das Pleuel im Gegensatz zum Kolben hohen Biegebelastungen ausgesetzt ist. Mehrere Patente haben vorgeschlagen, die Länge der Pleuelstange durch Anordnen exzentrischer Elemente in den oberen oder unteren Köpfen zu ändern. Die praktische Umsetzung dieser Methoden erwies sich als so schwierig, dass sie reine Ideen blieben.
Die Verwendung eines Exzentermechanismus wurde auch als Mittel zur Änderung des Kurbelradius in Betracht gezogen. Am weitesten in diese Richtung ist das niederländische Ingenieurbüro Gomecsys vorangeschritten. Bei der von ihr vorgeschlagenen Konstruktion wird eine bewegliche Exzenterbuchse mit einem Zahnkranz um den Kurbelzapfen gelegt. Seine Winkelposition ändert sich aufgrund der Drehung eines Vorgelegezahnrads mit großem Durchmesser mit Innenverzahnung... Nach diesem Prinzip sind 2- und
4-Zylinder-Motoren - GoEngine-Prototypen. Der entwickelte Mechanismus wird gleichzeitig von zwei Zylindern bedient. Daher ist es nur für Motoren mit einem bestimmten Schema geeignet - einer geraden Anzahl von Zylindern, von denen zwei benachbarte synchron arbeiten. In anderen Fällen nehmen die Anzahl der Zahnradpaare, die Masse und die Abmessungen des Motors übermäßig zu. Dies allein schränkt die Möglichkeiten der praktischen Anwendung erheblich ein.
Verändern des Volumens der Kompressionskammer
Alternative Methoden zur Änderung des Volumens der Kompressionskammer beschränken sich hauptsächlich auf die Vorrichtung einer geteilten Kammer, die aus zwei kommunizierenden Teilen besteht - Haupt- und Zusatzteil. Das Volumen der zusätzlichen Kammer wird durch die Bewegung ihres Gewölbes variiert, die durch hydraulische, mechanische oder elektronische Geräte... Dadurch ändert sich das Gesamtvolumen des Brennraums und dementsprechend das Verdichtungsverhältnis.
Eines der ersten Systeme dieser Art wurde von der französischen Firma Hispano-Suiza gemeistert. Der Flugzeugdieselmotor HS-103 V8 verwendet eine Wirbelkammer mit variablem Volumen, deren bewegliches Dach unter der Wirkung von Hydraulik bewegt wurde. Eine ähnliche Vorrichtung zur Regulierung des Verdichtungsverhältnisses in einem Ottomotor wurde vom Ford-Konzern patentiert. Der Unterschied bestand darin, dass bei dieser Ausführung der bewegliche Teil der Zusatzkammer über eine Profilkurve bewegt wurde. Schließlich das Verdichtungsverhältnis in der ALVAR-Konzept-Engine, deren Urheberschaft gehört zum Volvo-Konzern... Hier Gewölbe zusätzliche Kameras Kompression war der Boden von kleinen Sekundärkolben, die von einer im Zylinderkopf befindlichen Welle angetrieben wurden.
Das Verfahren zum Unterteilen der Kompressionskammer ist insofern attraktiv, als die notwendigen Änderungen nur durch die Gestaltung des Kopfes begrenzt sind. Andererseits ist der Zylinderkopf (insbesondere eines modernen Mehrventilmotors) bereits dicht gepackt. Es ist also ein großes Problem, ein zusätzliches Element darin zu platzieren. Das Vorhandensein eines "Anhangs" in der Brennkammer stört unweigerlich den Prozess der Gemischbildung und Verbrennung, was zu einer Verschlechterung der Umwelteigenschaften des Motors führt. Schließlich arbeitet der Regelmechanismus im Bereich maximaler thermischer und mechanischer Belastungen, was seine Zuverlässigkeit nur beeinträchtigen kann.
In dieser Phase können einige Zwischenschlussfolgerungen gezogen werden. Leider sind sie nicht sehr beruhigend. Für Motoren mit traditionellem KShM wurden verschiedene Möglichkeiten zur Regulierung des Verdichtungsverhältnisses vorgeschlagen und in unterschiedlichem Maße getestet. Die meisten von ihnen ermöglichten es, die Aufgabe des Umrüstens zu lösen, aber keiner von ihnen erwies sich aufgrund der Schwierigkeiten bei der Herstellung oder Gewährleistung einer akzeptablen Leistung als absolut vorzuziehen und für den breiten Einsatz an Serienmotoren geeignet. Dies veranlasste Motoreningenieure, über andere Arten von Mechanismen nachzudenken, die Translationsbewegung in Rotation umwandeln.
Die Verwendung nicht-traditioneller Konvertierungsmechanismen
Diese Arbeit zum Erstellen eines spannungsfreien VCR-Motors kann als beliebt bezeichnet werden. Viele Autohersteller - Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot / Citroen - und Motorforschungsunternehmen: die deutsche FEV Motorentechnik, die britische Mayflower und die französische MCE-5-Entwicklung haben sich daran beteiligt und sind weiterhin aktiv daran beteiligt. Fla seit vielen Jahren werden ähnliche Entwicklungen bei NAMI durchgeführt. Versuchen wir, den Grund für das Interesse an diesem Thema zu verstehen.
Nachdem Sie ein großes Volumen von TMM (Theorie der Mechanismen und Maschinen, im Studentenjargon - das ist mein Grab) durchgesehen haben, finden Sie eine Vielzahl von kinematischen Mechanismen von Mechanismen, die im Prinzip in einem Verbrennungsmotor verwendet werden können, um Bewegung vom Kolben auf die Kurbelwelle übertragen. Kurbelmechanismus- die einfachste von ihnen, was ist ihr unbestreitbarer Verdienst. Nach der KIJJM-Klassifizierung handelt es sich um einen einteiligen Umwandlungsmechanismus, da der Kolben durch ein einziges Glied - die Pleuelstange - mit der Kurbel verbunden ist. Die Aufmerksamkeit der Ingenieure wurde auf Drei-Elemente-Mechanismen gelenkt, die mit relativer Einfachheit potenziell in der Lage sind, wichtiger Vorteil- flexible Steuerung der Kolbenbewegung. Dreiteilige Geräte werden in zwei geteilt große Gruppen- Auswuchten und Traversieren. Im ersten dreht sich der mit der Pleuelstange verbundene Lenker (Balancer), im zweiten macht er eine komplexe ebene Bewegung und wird als Traverse bezeichnet. Die Ausgleichsmechanismen sind durch den Zug mit der Kurbel verbunden, die Traversen - durch die Traverse selbst.
Viele Konstruktionen von ausgewuchteten Verbrennungsmotoren wurden patentiert und experimentell getestet. Die meisten davon waren 2-Takt-Motoren mit gegenläufiger Kolbenbewegung. Untersuchungen haben gezeigt, dass es sich nicht auszahlt, sich auf Ausgleichsmechanismen zu verlassen. Obwohl sich die Balance-Motoren als ausreichend erwiesen haben hohe Zuverlässigkeit, sie hatten im Vergleich zu herkömmlichen deutlich größere Abmessungen und übertrafen sie leicht in Bezug auf die Möglichkeit, die Bewegung der Kolben zu regulieren. Viel ermutigendere Ergebnisse wurden im Verlauf der experimentellen Erprobung von Traversierungsmechanismen erhalten. Sie bieten unter bestimmten Bedingungen nachweislich die folgenden Vorteile:
Akzeptabler Regelbereich des Verdichtungsverhältnisses (ε = 7–15);
Möglichkeit der gleichzeitigen Regulierung des Kompressionsverhältnisses und des Arbeitsvolumens und gemäß dem optimalen Algorithmus;
Die Fähigkeit, die Unwucht des Motors zu minimieren, indem das Gesetz der Kolbenbewegung optimiert und die Masse zusätzlicher Elemente verwendet wird;
Geringe Belastungen der VCR-Mechanismussteuerung und dadurch eine ziemlich hohe Geschwindigkeit;
Das Fehlen exotischer Teile, die Verwendung traditioneller Technologien für den Motorenbau.
Aus diesem Grund wird von den meisten der oben genannten Entwickler von VCR-Motoren der Traversenmechanismus zugrunde gelegt. Das bedeutet nicht, dass sie sich alle „Spur in Spur“ bewegen. Es werden verschiedene kinematische Schemata und verschiedene konstruktive Lösungen verwendet. Der Ausdruck "unter bestimmten Bedingungen" wurde früher nicht ohne Grund verwendet. Tatsächlich sind ihnen die Vorteile von Traversiermechanismen keineswegs "per Definition" innewohnt. Sie werden nur erreicht, wenn die geometrischen und konstruktiven Parameter aller Glieder im Hinblick auf das Bewegungsgesetz des Kolbens, das Gleichgewicht des Mechanismus und die Festigkeit optimiert sind. Im gegenwärtigen Stadium sind diese Fragen der Hauptgegenstand der Forschung.
Darüber hinaus werden verschiedene Optionen für den Antrieb und den Algorithmus zur automatischen Steuerung des Verdichtungsverhältnisses ausgearbeitet.
Inzwischen arbeitet MCE-5 in eine andere Richtung. Bei der Konstruktion des von ihr vorgeschlagenen VCR-Motors wird KShM verwendet, jedoch auf unkonventionelle Weise. Der obere Pleuelkopf ist nicht mit dem Kolben, sondern mit der Achse verbunden Zahnrad, die wiederum mit einer starr mit dem Kolben verbundenen Stange verbunden ist. Auf den ersten Blick ist die Lösung nicht unumstritten, hat aber laut den Entwicklern eine Reihe von Vorteilen. Es wird argumentiert, dass der Mechanismus eine Einstellung des Verdichtungsverhältnisses über einen weiten Bereich ermöglicht, minimale Reibungsverluste durch den fehlenden Seitendruck des Kolbens an den Zylinderwänden bietet, äußerst zuverlässig ist und eine lange Lebensdauer hat.
Dies werden wir im nächsten Artikel überprüfen können, der sich mit "variable unverändert" den vielversprechendsten ICE-Projekten widmet.
Einzigartige Informationen zu Konstruktion, Betrieb und Reparatur von Turboladersystemen finden Sie auf der Website turbomaster.ru
Die Herausgeber danken dem Doktor der Technischen Wissenschaften Georg Ter-Mkrtichyan für seine Hilfe bei der Vorbereitung des Artikels.
- Sergey Samokhin