Ściśle związane z wydajnością. W silnikach benzynowych stopień sprężania jest ograniczony do obszaru spalania stukowego. Ograniczenia te mają szczególne znaczenie dla pracy silnika przy pełnym obciążeniu, natomiast przy częściowych obciążeniach wysoki stopień sprężania nie stwarza zagrożenia stukowego. Pożądane jest obniżenie stopnia sprężania w celu zwiększenia mocy silnika i poprawy wydajności, jednak jeśli stopień sprężania jest niski dla wszystkich zakresów pracy silnika, doprowadzi to do spadku mocy i wzrostu zużycia paliwa przy częściowych obciążeniach. W tym przypadku wartości stopnia sprężania z reguły dobiera się znacznie poniżej wartości, przy których osiąga się najbardziej ekonomiczne wskaźniki pracy silnika. Oczywiście pogarszając sprawność silników, jest to szczególnie widoczne podczas pracy przy częściowych obciążeniach. Tymczasem zmniejszenie napełnienia cylindrów mieszaniną palną, wzrost względnej ilości gazów resztkowych, spadek temperatury części itp. stwarzają możliwości zwiększenia stopnia sprężania przy częściowych obciążeniach w celu poprawy ekonomiki silnika i zwiększenia jego mocy. Aby rozwiązać ten problem kompromisów, opracowywane są opcje silnika ze zmiennym stopniem sprężania.
Szerokie zastosowanie w projektowaniu silników sprawiło, że kierunek tej pracy stał się jeszcze bardziej istotny. Faktem jest, że po doładowaniu obciążenia mechaniczne i termiczne części silnika znacznie wzrastają i dlatego należy je zwiększyć, zwiększając masę całego silnika jako całości. W takim przypadku z reguły skraca się żywotność części pracujących w bardziej obciążonych warunkach i zmniejsza się niezawodność silnika. W przypadku przejścia na zmienny stopień sprężania, proces pracy w silniku doładowanym może być zorganizowany tak, aby dzięki odpowiedniemu spadkowi stopnia sprężania przy dowolnych ciśnieniach doładowania, maksymalne ciśnienia cyklu pracy (tj. sprawność operacyjna) pozostaną bez zmian lub zmienią się nieznacznie. Jednocześnie pomimo wzrostu pracy użytecznej na cykl, a co za tym idzie mocy silnika, maksymalne obciążenia jego części mogą nie wzrosnąć, co umożliwia doładowanie silników bez wprowadzania zmian w ich konstrukcji.
Bardzo ważne dla prawidłowego przebiegu procesu spalania w silniku o zmiennym stopniu sprężania jest dobranie odpowiedniego kształtu komory spalania, który zapewnia najkrótszą drogę rozprzestrzeniania się płomienia. Zmiana przodu rozchodzenia się płomienia musi być bardzo szybka, aby uwzględnić różne tryby pracy silnika podczas pracy pojazdu. Biorąc pod uwagę zastosowanie dodatkowych części w mechanizmie korbowym, konieczne jest również opracowanie układów o niskim współczynniku tarcia, aby nie stracić korzyści płynących ze stosowania zmiennego stopnia sprężania.
Jeden z najczęstszych wariantów silnika ze zmiennym stopniem sprężania pokazano na rysunku.
Ryż. Schemat silnika ze zmiennym stopniem sprężania:
1 - korbowód; 2 - tłok; 3 - wał mimośrodowy; 4 - dodatkowy korbowód; 5 - czop korbowodu wału korbowego; 6 - bujak
Przy obciążeniach częściowych dodatkowe 4 zajmują najniższą pozycję i podnoszą obszar suwu roboczego tłoka. Stopień kompresji jest maksymalny. Przy dużych obciążeniach mimośród na wale 3 podnosi oś górnej głowicy dodatkowego korbowodu 4. Zwiększa to prześwit nad tłokiem i zmniejsza stopień sprężania.
W 2000 roku w Genewie zaprezentowano eksperymentalny silnik benzynowy SAAB ze zmiennym stopniem sprężania. Jego unikalne cechy pozwalają mu osiągnąć 225 KM. o objętości roboczej 1,6 litra. i utrzymać zużycie paliwa porównywalne do połowy wielkości silnika. Bezstopniowa pojemność skokowa umożliwia pracę silnika na benzynie, oleju napędowym lub alkoholu.
Cylindry silnika i głowica bloku wykonane są jako monoblok, czyli jako pojedynczy blok, a nie osobno jak w konwencjonalnych silnikach. Osobnym blokiem jest również skrzynia korbowa i grupa korbowód-tłok. Monoblok można przesuwać w skrzyni korbowej. W tym przypadku lewa strona monobloku opiera się na osi 1 umieszczonej w bloku, która służy jako zawias, prawa strona może być podnoszona lub opuszczana za pomocą korbowodu 3 sterowanego przez wał mimośrodowy 4. W celu uszczelnienia monoblok i skrzynia korbowa są dostarczane z falistej gumowej osłony 2.
Ryż. Silnik o zmiennej kompresji SAAB:
1 - oś; 2 - gumowa osłona; 3 - korbowód; 4 - wał mimośrodowy.
Stopień sprężania zmienia się, gdy monoblok jest przechylany względem skrzyni korbowej za pomocą napędu hydraulicznego o stałym skoku tłoka. Odchylenie monobloku od pionu prowadzi do zwiększenia objętości komory spalania, co powoduje spadek stopnia sprężania.
Wraz ze spadkiem kąta nachylenia wzrasta stopień kompresji. Maksymalne odchylenie monobloku od osi pionowej wynosi 4%.
Przy minimalnej prędkości obrotowej wału korbowego i zresetowaniu dopływu paliwa, a także przy niskich obciążeniach, monoblok zajmuje najniższe położenie, w którym objętość komory spalania jest minimalna (stopień sprężania - 14). Układ doładowania jest wyłączony, a powietrze dostaje się bezpośrednio do silnika.
Pod obciążeniem, z powodu obrotu wału mimośrodowego, korbowód odchyla monoblok na bok, a objętość komory spalania wzrasta (stopień sprężania - 8). W takim przypadku sprzęgło załącza sprężarkę, a powietrze zaczyna napływać do silnika pod nadciśnieniem.
Ryż. Zmiana dopływu powietrza do silnika SAAB w różnych trybach:
1 - zawór dławiący; 2 - zawór obejściowy; 3 - sprzęgło; a - przy niskiej częstotliwości obrotu wału korbowego; b - w trybach obciążenia
Optymalny stopień sprężania jest obliczany przez jednostkę sterującą układu elektronicznego, biorąc pod uwagę prędkość wału korbowego, obciążenie, rodzaj paliwa i inne parametry.
Ze względu na konieczność szybkiej reakcji na zmiany stopnia sprężania w tym silniku konieczne było odejście od turbosprężarki na rzecz doładowania mechanicznego z intercoolerem o maksymalnym ciśnieniu doładowania 2,8 kgf/cm2.
Zużycie paliwa dla opracowanego silnika jest o 30% mniejsze niż w konwencjonalnym silniku tej samej wielkości, a wskaźniki toksyczności spalin odpowiadają aktualnym normom.
Francuska firma MCE-5 Development opracowała dla koncernu Peugeot-Citroen silnik o zmiennym stopniu sprężania VCR (Variable Compression Ratio). To rozwiązanie wykorzystuje oryginalną kinematykę mechanizmu korbowego.
W tej konstrukcji przeniesienie ruchu z korbowodu na tłoki odbywa się przez sektor z podwójnymi zębami 5. Po prawej stronie silnika znajduje się zębatka podporowa 7, na której spoczywa sektor 5. Takie sprzężenie zapewnia ściśle posuwisto-zwrotny ruch tłoka cylindra, który jest połączony z zębatką 4. Zębatka 7 jest połączona z tłokiem 6 hydraulicznego cylindra sterującego.
W zależności od trybu pracy silnika sygnał ze sterownika silnika zmienia położenie tłoka 6 cylindra sterującego połączonego z zębatką 7. Przesunięcie zębatki sterującej 7 w górę lub w dół zmienia położenie GMP i BDC tłok silnika, a wraz z nim stopień sprężania od 7:1 do 20:1 w 0,1 sek. W razie potrzeby można zmienić stopień sprężania dla każdego cylindra osobno.
Ryż. Silnik VCR o zmiennej kompresji:
1 - wał korbowy; 2 - korbowód; 3 - zębata rolka podporowa; 4 - zębatka tłoka; 5 - sektor zębaty; 6 - tłok cylindra sterującego; 7 - listwa osprzętu sterującego.
Unikalna technologia stopnia sprężania stanowi prawdziwy przełom w konstrukcji silnika - 2-litrowy silnik VC-Turbo stale zmienia swoją charakterystykę, dostosowując stopień sprężania w celu uzyskania optymalnej mocy wyjściowej i maksymalnego zużycia paliwa. Pod względem właściwości trakcyjnych ten 2-litrowy silnik benzynowy z turbodoładowaniem jest porównywalny z zaawansowanymi silnikami turbodiesel o tej samej pojemności skokowej.
Silnik VC-Turbo stale i całkowicie niezauważony przez kierowcę zmienia stopień sprężania za pomocą systemu dźwigni, które podnoszą lub obniżają górny martwy punkt (TDC) tłoków, zapewniając w ten sposób najlepszą wydajność i oszczędność.
Wysoki stopień sprężania w zasadzie sprawia, że silnik jest bardziej wydajny, ale w niektórych trybach istnieje ryzyko wybuchowego spalania (detonacji). Z drugiej strony niski stopień sprężania zapobiega stukaniu i zapewnia wysoką moc i moment obrotowy. Podczas jazdy stopień sprężania silnika VC-Turbo zmienia się z 8:1 (dla maksymalnej dynamiki) do 14:1 (dla minimalnego zużycia paliwa), podkreślając filozofię INFINITI skoncentrowaną na kierowcy.
Silnik INFINITI VC-Turbo to pierwszy na świecie gotowy do produkcji silnik o zmiennym stopniu sprężania, który debiutuje produkcyjnie w nowym QX50. Ta unikalna technologia zmiennego sprężania stanowi przełom w konstrukcji silników spalinowych – 2,0-litrowy silnik VC-Turbo w QX50 nieustannie się zmienia, dostosowując stopień sprężania w celu optymalizacji mocy i zużycia paliwa. Łączy w sobie moc 2,0-litrowego turbodoładowanego silnika benzynowego z momentem obrotowym i wydajnością zaawansowanego czterocylindrowego silnika wysokoprężnego.
Unikalne połączenie dynamiki i wydajności sprawia, że VC-Turbo staje się prawdziwą alternatywą dla nowoczesnych turbodoładowanych silników wysokoprężnych, nie w słowach, ale w rzeczywistości obalając opinię, że tylko hybrydowe i wysokoprężne jednostki napędowe mogą zapewnić wysoki moment obrotowy i wydajność. VC-Turbo rozwija 268 KM. (200 kW) przy 5600 obr/min i 380 Nm przy 4400 obr/min, co jest najlepszą kombinacją mocy i ciągu wśród czterocylindrowych silników. Stosunek mocy do masy VC-Turbo jest wyższy niż w wielu konkurencyjnych silnikach turbo i jest zbliżony do niektórych benzynowych V6. Jednoprzepływowa turbosprężarka zapewnia natychmiastową reakcję silnika na zwiększone dostarczanie paliwa.
Nowy INFINITI QX50 z silnikiem VC-Turbo to najbardziej wydajny pojazd w swojej klasie o niezrównanej wydajności. Wersja z napędem na przednie koła zużywa łącznie zaledwie 8,7 l/100 km, czyli o 35% lepiej niż V6 QX50 poprzedniej generacji. Wersja crossovera premium z napędem na wszystkie koła ze średnim zużyciem paliwa 9,0 l/100 km jest o 30% bardziej wydajna niż jej poprzednik.
Inne oczywiste zalety konstrukcyjne nowego silnika to kompaktowe wymiary i zmniejszona waga. Blok cylindrów i głowica cylindrów są odlewane z lekkiego stopu aluminium, a komponenty stopnia sprężania są wykonane ze stali wysokowęglowej. W rezultacie nowy VC-Turbo waży o 18 kg lżej niż 3,5-litrowy silnik INFINITI z serii VQ, a także zajmuje mniej miejsca w komorze silnika.
Za zmianę stopnia sprężania w silniku VC-Turbo odpowiada układ dźwigni, silnik elektryczny oraz unikalna reduktor fali. Silnik elektryczny jest połączony z dźwignią sterującą poprzez skrzynię biegów. Skrzynia biegów obraca się, obracając wałek sterujący w bloku cylindrów, co z kolei zmienia położenie wahaczy, przez które tłoki napędzają wał korbowy. Nachylenie wahaczy zmienia położenie górnego martwego punktu tłoków, a wraz z nim stopień sprężania. Mimośrodowy wałek sterujący reguluje stopień sprężania we wszystkich cylindrach jednocześnie. W efekcie nie tylko stopień sprężania, ale także pojemność silnika waha się od 1997 cm3 (8:1) do 1970 cm3 (14:1).
Silnik VC-Turbo płynnie przełącza się również między standardowym cyklem pracy Otto a cyklem Atkinsona, dodatkowo zwiększając moc i wydajność. Cykl Atkinsona był tradycyjnie używany do poprawy wydajności hybrydowych systemów napędowych. Gdy silnik spalinowy pracuje zgodnie z cyklem Atkinsona, zawory dolotowe są zamknięte, co pozwala na większe rozszerzenie się roboczej mieszaniny w cylindrach, spalanie z większą wydajnością. Silnik INFINITI pracuje w cyklu Atkinsona przy wysokich stopniach sprężania, gdzie ze względu na dłuższy skok tłoka zawory ssące pozostają otwarte przez krótki czas już w fazie sprężania.
Silnik INFINITI VC-Turbo to pierwszy na świecie gotowy do produkcji silnik o zmiennym stopniu sprężania, który debiutuje produkcyjnie w nowym QX50. Ta unikalna technologia zmiennego sprężania stanowi przełom w konstrukcji silników spalinowych – 2,0-litrowy silnik VC-Turbo w QX50 nieustannie się zmienia, dostosowując stopień sprężania w celu optymalizacji mocy i zużycia paliwa. Łączy w sobie moc 2,0-litrowego turbodoładowanego silnika benzynowego z momentem obrotowym i wydajnością zaawansowanego czterocylindrowego silnika wysokoprężnego.
Po obniżeniu stopnia sprężania VC-Turbo, silnik powraca do normalnej pracy (cykl Otto), z wyraźnie rozdzielonymi fazami wydechu, sprężania, spalania i wydechu - osiągając tym samym wyższą moc układu napędowego.
Oprócz zmiennego stopnia sprężania silnik VC-Turbo wykorzystuje szereg innych zaawansowanych technologii INFINITI. Optymalną równowagę między wydajnością a mocą zapewniają zarówno systemy wtrysku wielopunktowego (MPI), jak i wtrysku bezpośredniego (GDI):
- GDI poprawia efektywność spalania, zapobiegając stukaniu silnika przy wysokich stopniach sprężania
- Z kolei MPI z wyprzedzeniem przygotowuje mieszankę paliwową, zapewniając jej całkowite spalenie w cylindrach przy niskich obciążeniach.
Przy określonych prędkościach silnik niezależnie przełącza się z jednego układu wtryskowego na inny, a przy maksymalnych obciążeniach może pracować jednocześnie.
Silnik INFINITI VC-Turbo to pierwszy na świecie gotowy do produkcji silnik o zmiennym stopniu sprężania, który debiutuje produkcyjnie w nowym QX50. Ta unikalna technologia zmiennego sprężania stanowi przełom w konstrukcji silników spalinowych – 2,0-litrowy silnik VC-Turbo w QX50 nieustannie się zmienia, dostosowując stopień sprężania w celu optymalizacji mocy i zużycia paliwa. Łączy w sobie moc 2,0-litrowego turbodoładowanego silnika benzynowego z momentem obrotowym i wydajnością zaawansowanego czterocylindrowego silnika wysokoprężnego.
Silnik INFINITI VC-Turbo to pierwszy na świecie gotowy do produkcji silnik o zmiennym stopniu sprężania, który debiutuje produkcyjnie w nowym QX50. Ta unikalna technologia zmiennego sprężania stanowi przełom w konstrukcji silników spalinowych – 2,0-litrowy silnik VC-Turbo w QX50 nieustannie się zmienia, dostosowując stopień sprężania w celu optymalizacji mocy i zużycia paliwa. Łączy w sobie moc 2,0-litrowego turbodoładowanego silnika benzynowego z momentem obrotowym i wydajnością zaawansowanego czterocylindrowego silnika wysokoprężnego.
Silnik INFINITI VC-Turbo to pierwszy na świecie gotowy do produkcji silnik o zmiennym stopniu sprężania, który debiutuje produkcyjnie w nowym QX50. Ta unikalna technologia zmiennego sprężania stanowi przełom w konstrukcji silników spalinowych – 2,0-litrowy silnik VC-Turbo w QX50 nieustannie się zmienia, dostosowując stopień sprężania w celu optymalizacji mocy i zużycia paliwa. Łączy w sobie moc 2,0-litrowego turbodoładowanego silnika benzynowego z momentem obrotowym i wydajnością zaawansowanego czterocylindrowego silnika wysokoprężnego.
Silnik INFINITI VC-Turbo to pierwszy na świecie gotowy do produkcji silnik o zmiennym stopniu sprężania, który debiutuje produkcyjnie w nowym QX50. Ta unikalna technologia zmiennego sprężania stanowi przełom w konstrukcji silników spalinowych – 2,0-litrowy silnik VC-Turbo w QX50 nieustannie się zmienia, dostosowując stopień sprężania w celu optymalizacji mocy i zużycia paliwa. Łączy w sobie moc 2,0-litrowego turbodoładowanego silnika benzynowego z momentem obrotowym i wydajnością zaawansowanego czterocylindrowego silnika wysokoprężnego.
Jednoprzepływowa turbosprężarka zwiększa moc i wydajność silnika, zapewniając szybkie reakcje na pedał przyspieszenia przy wszystkich obrotach i stopniu sprężania. Dzięki turbodoładowaniu moc silnika jest porównywalna z sześciocylindrowym silnikiem wolnossącym. Sprężarka jednoprzepływowa charakteryzuje się zwartością, a także zmniejszonymi stratami energii cieplnej i ciśnieniem spalin.
Kolektor wydechowy zintegrowany z aluminiową głowicą bloku również zwiększa wydajność silnika i decyduje o jego kompaktowych rozmiarach. To rozwiązanie umożliwiło inżynierom INFINITI umieszczenie katalizatora tuż za turbiną, zmniejszając w ten sposób drogę spalin. Dzięki temu katalizator szybciej nagrzewa się po uruchomieniu silnika i wcześniej przechodzi w tryb pracy.
Technologia zmiennego stopnia sprężania stanowi przełom w rozwoju układów napędowych. QX50, napędzany silnikiem VC-Turbo, to pierwszy w historii pojazd produkcyjny, który zapewnia kierowcom silnik, który zmienia się na żądanie, ustanawiając nowy punkt odniesienia w zakresie możliwości i wyrafinowania układu napędowego. Ten niezwykle płynny silnik oferuje klientom moc i osiągi, a także wydajność i oszczędność.
Ciśnienie doładowania jest kontrolowane przez elektronicznie sterowany zawór upustowy, który precyzyjnie kontroluje przepływ spalin przez turbinę. Zapewnia to wysoką moc i oszczędność oraz pomaga zredukować szkodliwe emisje.
Dzięki zmiennemu stopniowi sprężania doskonale wyważony silnik VC-Turbo rezygnuje z wałków wyrównoważających normalnie wymaganych w silnikach czterocylindrowych. VC-Turbo działa płynniej niż konwencjonalne odpowiedniki rzędowe, a poziom hałasu i wibracji jest porównywalny z tradycyjnym V6. Stało się to możliwe między innymi dzięki układowi z dodatkowymi wahaczami, w których korbowody są prawie pionowe podczas suwu roboczego tłoków (w przeciwieństwie do tradycyjnego mechanizmu korbowego, w którym poruszają się z boku na bok). Rezultatem jest doskonały ruch posuwisto-zwrotny, który nie wymaga wyważania wałków. Właśnie dlatego VC-Turbo jest tak kompaktowy, jak tradycyjny 2-litrowy czterocylindrowy silnik, pomimo zmiennego stopnia sprężania.
Na szczególną uwagę zasługuje wyjątkowo niski poziom wibracji nowego silnika. W teście fabrycznym, w którym INFINITI porównuje osiągi VC-Turbo z czterocylindrowymi silnikami konkurencji, rewolucyjny silnik zapewnia znacznie niższy poziom hałasu – prawie jak jednostki sześciocylindrowe.
Dzieje się tak również dzięki „lustrzanej” powłoce INFINITI na ściankach cylindrów, która zmniejsza tarcie o 44%, dzięki czemu silnik pracuje płynniej. Powłoka jest nakładana metodą natryskiwania plazmowego, a następnie utwardzana i honowana w celu uzyskania ultra gładkiej powierzchni.
Nowy INFINITI QX50 z 2,0-litrowym silnikiem VC-Turbo to pierwszy samochód na świecie wyposażony w Active Torque Rod (ATR) Active Vibration Reduction. Nowy QX50 jest jedynym pojazdem w swojej klasie, w którym zastosowano tę technologię. Zintegrowany z górnym mocowaniem silnika, przez które większość hałasu i wibracji jest zwykle przenoszona na karoserię, ATR jest wyposażony w czujnik przyspieszenia, który wykrywa drgania. System generuje drgania posuwisto-zwrotne w przeciwfazie, dzięki czemu czterocylindrowy silnik pozostaje tak cichy i płynny jak silniki V6, a także redukuje hałas silnika o 9 dB w porównaniu z poprzednim QX50. W rezultacie VC-Turbo jest jednym z najcichszych i najbardziej zrównoważonych silników w segmencie SUV-ów premium.
Pierwsze na świecie aktywne mocowania zostały zainstalowane przez INFINITI w silniku wysokoprężnym w 1998 roku, potwierdzając innowacyjność marki w dziedzinie układów napędowych. System ATR był rozwijany przez inżynierów INFINITI od 2009 do 2017 roku, ze szczególnym uwzględnieniem zmniejszenia gabarytów i wagi – w pierwszych prototypach głównym problemem były wymiary silnika wibracyjnego. Jednak rozwój bardziej kompaktowych siłowników posuwisto-zwrotnych umożliwił umieszczenie ATR w mniejszej obudowie, w pełni zachowując zdolność systemu do tłumienia wibracji tak skutecznie, jak to tylko możliwe.
Na temat:
- Brytyjczycy wyznaczyli datę końca ery ICE
Specjaliści H2 opowiadali o skuteczności...
„Zmienny stopień sprężania” to technologia, która zapewni przyszłość silnika benzynowego na kolejne 30-50 lat, a pod względem właściwości pozwoli mu znacznie prześcignąć silniki wysokoprężne. Kiedy pojawią się te jednostki i jak są lepsze od istniejących?
Po raz pierwszy silnik ze zmiennym stopniem sprężania został zaprezentowany na targach motoryzacyjnych w Genewie w 2000 roku (patrz). Następnie został wprowadzony przez Saaba. Najbardziej zaawansowany technologicznie silnik Saaba o zmiennej kompresji (SVC) z pięcioma cylindrami miał wówczas pojemność skokową 1,6 litra, ale jak na taką pojemność rozwijał niesamowitą moc 225 KM. z. i moment obrotowy 305 Nm. Inne cechy również okazały się doskonałe - zużycie paliwa przy średnich obciążeniach spadło aż o 30%, a emisja CO2 spadła o taką samą wielkość. Jeśli chodzi o CO, CH, NOx, itp., według twórców są one zgodne ze wszystkimi istniejącymi i planowanymi w najbliższej przyszłości normami toksyczności. Ponadto zmienny stopień sprężania umożliwił silnikowi pracę na różnych markach benzyny - od A-76 do A-98 - praktycznie bez pogorszenia wydajności i bez detonacji. Kilka miesięcy później podobną jednostkę napędową zaprezentowała firma FEV Motorentechnik. Był to 1,8-litrowy silnik Audi A6, który zmniejszył zużycie paliwa o 27%.
Jednak ze względu na złożoność konstrukcji silniki te nie wchodziły wówczas w serie, a w celu zwiększenia sprawności (sprawności) silnik spalinowy został ulepszony poprzez wprowadzenie bezpośredniego wtrysku paliwa, zmiennej geometrii układu dolotowego , inteligentne turbosprężarki itp. Równolegle prowadzono aktywne prace nad tworzeniem elektrowni hybrydowych, pojazdów elektrycznych, rozwojem wodorowych ogniw paliwowych i nowych metod magazynowania wodoru. Niemniej jednak potencjał tkwiący w silnikach o zmiennym stopniu sprężania prześladował wielu inżynierów. W efekcie powstało wiele mechanizmów realizacji tej idei „w metalu”.
Najbliższy jego dzisiejszej realizacji jest francuski projekt silnika MCE-5, który rozpoczął się w 1997 roku. Koncepcja, która się wtedy narodziła, miała wiele niedociągnięć, które trzeba było eliminować na prawie dziesięć lat. W tym roku silnik ten został zaprezentowany „w metalu”, podobnie jak Saab w 2000 roku na Salonie Samochodowym w Genewie.
Czterocylindrowy silnik ma pojemność 1,5 litra i zapewnia maksymalną moc 160 kW (218 KM) i moment obrotowy 300 Nm. Oprócz zmiennego stopnia sprężania silnik jest wyposażony w bezpośredni wtrysk, zmienny układ rozrządu i spełnia wszystkie obiecujące normy środowiskowe.
Jak zmienia się stopień kompresji
MCE-5 ma zakres regulacji stopnia kompresji 7-18 (7:1-18:1). Ponadto kontrola i zmiana stopnia sprężania odbywa się indywidualnie w każdym cylindrze.
Ten mechanizm jest dość skomplikowany. Główna część to dwustronnie ścięta przekładnia, pośrodku osadzona na skróconym korbowodzie mechanizmu korbowego (KShM). Z kolei koło tłokowe z jednej strony sprzęga się z korbowodem tłoka, az drugiej z korbowodem mechanizmu zmiany objętości komory spalania. Zasada działania tej konstrukcji jest bardzo prosta - koło tłokowe na osi korbowodu jest rodzajem wahacza. A jeśli ten wahacz zostanie przechylony w jedną lub drugą stronę, położenie górnego martwego punktu (TDC) zmieni się na tłoku i odpowiednio objętość komory spalania. A ponieważ wielkość skoku tłoka jest stała, zmienia się stopień sprężania (stosunek objętości cylindrów do objętości komory spalania). Za pochylenie wahacza odpowiada konstrukcja hydromechaniczna, sterowana elektronicznie. Składa się również z tłoka z korbowodem, którego dolny koniec zazębia się z wahaczem (sektorem zębatym) po drugiej stronie. Objętość powyżej i poniżej tego tłoka jest połączona z układem smarowania, a w samym tłoku, zwanym tłokiem olejowym, znajduje się specjalny zawór, który umożliwia przepływ oleju od góry do dołu. Jest sterowany przez wał mimośrodowy, który za pomocą przekładni ślimakowej napędza silnik elektryczny systemu Valvetronic (BMW). Zmiana stopnia kompresji z 7 na 18 zajmuje mniej niż 100 milisekund.
Objętość komory spalania jest regulowana zgodnie z zasadą zmiany pojemności zaworów olejowych. Po ich otwarciu tłok oleju podnosi się, a komora spalania zwiększa się.
Zasób - niezawodność
Strukturalnie nowy silnik stał się bardziej złożony. Zgodnie z teorią prawdopodobieństwa jej wiarygodność powinna się zmniejszyć, ale twórcy temu zaprzeczają. Twierdzą, że ukończenie silnika zajęło bardzo dużo czasu i wszystko było dobrze obliczone i sprawdzone. Zasób tej jednostki wzrośnie, ponieważ obciążenia boczne i udarowe występujące w klasycznym silniku spalinowym z powodu korbowodu, którego oś znajduje się pod kątem do osi tłoka (z wyjątkiem TDC i BDC) , nie będzie już oddziaływać na tłok. W nowym silniku siła tłoka i korbowodu sztywno do niego „przywiązanego” przenoszona jest odpowiednio tylko w płaszczyźnie pionowej, nacisk na ścianki cylindra jest niewielki, więc powierzchnie trące tych części zużywają się znacznie mniej . Takie cechy konstrukcyjne silnika zapewniły również zmniejszenie poziomu hałasu jego pracy. A dodatkowo grupa tłoków zaczęła pracować znacznie ciszej i zmniejszyły się straty energii na tarcie – to kolejny plus kilka procent na korzyść sprawności silnika.
Inne sposoby zmiany objętości komory spalania:
 |
||
 |
||
 |
||
 |
Cechą konstrukcyjną działania pierwszego zadeklarowanego silnika ze zmiennym stopniem sprężania jest głowica 1 i szczyt bloku 2 cylindry były ruchome i za pomocą specjalnej korby 3 przesunięty w górę i w dół względem wału korbowego 4 ze stałą osią i spodem bloku cylindrów.
|
|
Jurij Dacyk
Zdjęcie MCE
Jeśli znajdziesz błąd, wybierz fragment tekstu i naciśnij Ctrl + Enter.
Coraz częściej słyszy się autorytatywne opinie, że obecnie rozwój silników spalinowych osiągnął najwyższy poziom i nie ma już możliwości znaczącej poprawy ich osiągów. Projektanci pozostają z pełzającymi ulepszeniami, dopracowywaniem systemów doładowania i wtrysku oraz dodawaniem coraz większej ilości elektroniki. Japońscy inżynierowie nie zgadzają się z tym. Infiniti, które zbudowało silnik ze zmiennym stopniem sprężania, miało do powiedzenia. Dowiemy się jakie są zalety takiego silnika i jaka jest jego przyszłość.
Na wstępie przypomnijmy, że stopień sprężania to stosunek objętości nad tłokiem w dolnym martwym punkcie do objętości, gdy tłok znajduje się u góry. W przypadku silników benzynowych liczba ta wynosi od 8 do 14, w przypadku silników wysokoprężnych - od 18 do 23. Stopień sprężania jest ustalony przez projekt. Oblicza się go w zależności od liczby oktanowej użytej benzyny i obecności doładowania.
Możliwość dynamicznej zmiany stopnia sprężania w zależności od obciążenia pozwala na zwiększenie wydajności silnika z turbodoładowaniem, zapewniając spalanie każdej porcji mieszanki paliwowo-powietrznej z optymalnym sprężeniem. Przy małych obciążeniach, gdy mieszanka jest uboga, stosowana jest maksymalna kompresja, a w trybie obciążenia, gdy wtryskuje się dużo benzyny i możliwa jest detonacja, silnik spręża mieszankę do minimum. Pozwala to nie regulować „wstecznego” czasu zapłonu, który pozostaje w najbardziej efektywnej pozycji do odłączania mocy. Teoretycznie system zmiany stopnia sprężania w silniku spalinowym umożliwia nawet dwukrotne zmniejszenie objętości roboczej silnika przy zachowaniu właściwości trakcyjnych i dynamicznych.
Schemat silnika ze zmienną objętością komory spalania i korbowodów z systemem podnoszenia tłoka
Jednym z pierwszych, który się pojawił, był system z dodatkowym tłokiem w komorze spalania, który podczas ruchu zmieniał swoją objętość. Ale od razu pojawiło się pytanie o umieszczenie kolejnej grupy części w głowicy bloku, gdzie wałki rozrządu, zawory, wtryskiwacze i świece zapłonowe były już zatłoczone. Ponadto naruszona została optymalna konfiguracja komory spalania, przez co paliwo było spalane nierównomiernie. Dlatego system pozostał w murach laboratoriów. System z tłokami o zmiennej wysokości nie wyszedł poza eksperyment. Dzielone tłoki były zbyt ciężkie i pojawiły się bezpośrednie trudności konstrukcyjne w kontrolowaniu wysokości podnoszenia pokrywy.
Układ podnoszenia wału korbowego na sprzęgłach mimośrodowych FEV Motorentechnik (po lewej) i mechanizm przesuwu do zmiany skoku tłoka
Inni projektanci przeszli przez kontrolę podnoszenia wału korbowego. W tym systemie czopy łożyskowe wału korbowego są umieszczone w mimośrodowych sprzęgłach napędzanych przez koła zębate przez silnik elektryczny. Kiedy mimośrody obracają się, wał korbowy unosi się lub opada, co odpowiednio zmienia unoszenie tłoków do głowicy bloku, zwiększa lub zmniejsza objętość komory spalania, a tym samym zmienia stopień sprężania. Taki silnik pokazała w 2000 roku niemiecka firma FEV Motorentechnik. System został zintegrowany z czterocylindrowym silnikiem Volkswagena z turbodoładowaniem o pojemności 1,8 litra, w którym stopień sprężania zmieniano od 8 do 16. Silnik rozwijał moc 218 KM. i moment obrotowy 300 Nm. Do 2003 roku silnik był testowany w Audi A6, ale nie wszedł do produkcji.
Niezbyt udany okazał się również system odwrotny, który również zmienia wysokość tłoków, ale nie poprzez sterowanie wałem korbowym, ale przez podniesienie bloku cylindrów. Działający silnik o podobnej konstrukcji zademonstrował w 2000 roku Saab, a także przetestował go na modelu 9-5, planując uruchomienie masowej produkcji. Nazwany Saab Variable Compression (SVC), pięciocylindrowy silnik o pojemności 1,6 litra z turbodoładowaniem wytwarzał 225 KM. z. i moment obrotowy 305 Nm, natomiast zużycie paliwa przy średnich obciążeniach spadło o 30%, a dzięki regulowanemu stopniowi sprężania silnik bez problemu mógł zużywać każdą benzynę - od A-80 do A-98.
Układ silnika Saab Variable Compression, w którym stopień sprężania zmienia się poprzez ugięcie górnej części bloku cylindrów
Saab rozwiązał problem podnoszenia bloku cylindrów w następujący sposób: blok został podzielony na dwie części - górną z głowicą i tulejami cylindrowymi oraz dolną, w której pozostał wał korbowy. Z jednej strony górna część była połączona z dolną zawiasem, a z drugiej strony zamontowano mechanizm napędzany elektrycznie, który niczym wieko na skrzyni unosił górną część o kąt do 4 stopnie. Zakres stopnia sprężania podczas podnoszenia i opuszczania można było elastycznie zmieniać od 8 do 14. Do uszczelnienia części ruchomych i nieruchomych zastosowano elastyczną gumową osłonę, która okazała się jednym z najsłabszych punktów konstrukcji wraz z zawiasy i mechanizm podnoszący. Po przejęciu Saaba przez General Motors Amerykanie zamknęli projekt.
Projekt MCE-5, w którym zastosowano mechanizm z tłokami roboczymi i sterującymi połączonymi za pomocą zębatego wahacza
Na przełomie wieków francuscy inżynierowie firmy MCE-5 Development S.A. zaproponowali również konstrukcję silnika ze zmiennym stopniem sprężania. Pokazany przez nich 1,5-litrowy silnik z turbodoładowaniem, w którym stopień sprężania mógł wahać się od 7 do 18, rozwijał moc 220 KM. z. i moment obrotowy 420 Nm. Konstrukcja jest tutaj dość skomplikowana. Korbowód jest podzielony i zaopatrzony od góry (w części zamontowanej na wale korbowym) w zębaty wahacz. Przylega do niego kolejna część korbowodu od tłoka, którego końcówka ma zębatkę. Druga strona wahacza jest połączona z zębatką tłoka sterującego, która jest napędzana przez układ smarowania silnika za pomocą specjalnych zaworów, kanałów i napędu elektrycznego. Gdy tłok sterujący porusza się, działa na wahacz i zmienia się skok tłoka roboczego. Silnik został przetestowany eksperymentalnie na Peugeocie 407, ale producent nie był zainteresowany tym systemem.
Teraz konstruktorzy Infiniti postanowili powiedzieć swoje słowo, prezentując silnik z technologią Variable Compression-Turbocharged (VC-T), która umożliwia dynamiczną zmianę stopnia sprężania z 8 na 14. Japońscy inżynierowie zastosowali mechanizm trawersowy: stworzyli ruchomy połączenie korbowodu z jego dolną szyjką, które z kolei połączone są systemem dźwigni napędzanych silnikiem elektrycznym. Po otrzymaniu polecenia z jednostki sterującej silnik elektryczny przesuwa pręt, układ dźwigni zmienia położenie, regulując w ten sposób wysokość podnoszenia tłoka i odpowiednio zmieniając stopień sprężania.
Konstrukcja systemu Variable Compression do silnika Infiniti VC-T: a – tłok, b – korbowód, c – trawers, d – wał korbowy, e – silnik elektryczny, f – wał pośredni, g – ciąg.
Dzięki tej technologii dwulitrowy turbodoładowany silnik benzynowy Infiniti VC-T rozwija moc 270 KM, będąc o 27% bardziej ekonomicznym niż inne dwulitrowe silniki firmy o stałym stopniu sprężania. Japończycy planują wprowadzić silniki VC-T do masowej produkcji w 2018 roku, wyposażając je w crossover QX50, a następnie w inne modele.
Należy zauważyć, że to właśnie wydajność jest obecnie głównym celem opracowywania silników o zmiennym stopniu sprężania. Przy nowoczesnym rozwoju technologii ciśnieniowych i wtryskowych nie jest dużym problemem dla projektantów, aby dogonić moc w silniku. Kolejne pytanie: ile benzyny w super napompowanym silniku wleci do rury? W przypadku konwencjonalnych silników seryjnych wartości zużycia mogą być niedopuszczalne, co działa jak ogranicznik mocy pompowania. Japońscy projektanci postanowili pokonać tę barierę. Według Infiniti, ich silnik benzynowy VC-T jest w stanie działać jako alternatywa dla nowoczesnych turbodoładowanych diesli, wykazując takie samo zużycie paliwa przy lepszych osiągach pod względem mocy i niższej emisji.
Jaki jest wynik końcowy?
Prace nad silnikami o zmiennym stopniu sprężania trwają już kilkanaście lat - w tym obszarze zajmowali się projektanci z Forda, Mercedesa, Nissana, Peugeota i Volkswagena. Inżynierowie z instytutów badawczych i firm po obu stronach Atlantyku otrzymali tysiące patentów. Ale jak dotąd żaden taki silnik nie wszedł do masowej produkcji.
Infiniti też nie radzi sobie dobrze. Jak przyznają sami twórcy silnika VC-T, ich pomysł nadal ma wspólne problemy: złożoność i koszt konstrukcji wzrosły, a problemy z wibracjami nie zostały rozwiązane. Ale Japończycy mają nadzieję sfinalizować projekt i wprowadzić go do masowej produkcji. Jeśli tak się stanie, przyszli nabywcy muszą tylko zrozumieć: ile będą musieli przepłacić za nową technologię, jak niezawodny będzie taki silnik i ile zaoszczędzi na paliwie.
Pomysł stworzenia silnika benzynowego, w którym stopień sprężania w cylindrach byłby zmienny, nie jest nowy. Tak więc podczas przyspieszania, kiedy wymagana jest największa moc silnika, można na kilka sekund poświęcić jego oszczędność, zmniejszając stopień sprężania - zapobiegnie to detonacji, samozapłonu mieszanki paliwowej, która może wystąpić przy dużych obciążeniach. Przy równomiernym ruchu, wręcz przeciwnie, należy zwiększyć stopień sprężania, aby uzyskać bardziej efektywne spalanie mieszanki paliwowej i zmniejszyć zużycie paliwa - w tym przypadku obciążenie silnika jest niewielkie, a ryzyko stukania minimalne.
Ogólnie rzecz biorąc, w teorii wszystko jest proste, ale wdrożenie tego pomysłu w praktyce okazało się nie tak łatwe. A japońscy projektanci jako pierwsi wprowadzili pomysł do modelu produkcyjnego.
Istotą technologii opracowanej przez Nissana jest ciągła zmiana maksymalnego wzniosu tłoka (tzw. górny martwy punkt – GMP), w zależności od wymaganej mocy silnika, co z kolei prowadzi do zmniejszenia lub zwiększenia stopnia sprężania w silniku. cylindry. Kluczową częścią tego systemu jest specjalne połączenie korbowodów, które są połączone z wałem korbowym za pomocą ruchomego zespołu wahacza. Blok z kolei jest połączony z mimośrodowym wałem sterującym i silnikiem elektrycznym, który na polecenie elektroniki wprawia ten sprytny mechanizm w ruch, zmieniając nachylenie wahaczy i położenie GMP tłoków we wszystkich cztery cylindry jednocześnie.
Różnica w stopniu sprężania w zależności od położenia GMP tłoka. Na zdjęciu po lewej silnik w trybie ekonomicznym, po prawej w trybie maksymalnej mocy. O: Gdy wymagana jest zmiana stopnia sprężania, silnik elektryczny obraca się i porusza ramieniem napędowym. B: Ramię napędowe obraca wałek sterujący. C: gdy wał się obraca, działa na dźwignię powiązaną z wahaczem, zmieniając kąt nachylenia tego ostatniego. D: w zależności od położenia wahacza, GMP tłoka jest podnoszony lub opuszczany, zmieniając w ten sposób stopień sprężania.
W rezultacie podczas przyspieszania stopień sprężania zmniejsza się do 8:1, po czym silnik przechodzi w tryb ekonomiczny ze stopniem sprężania 14:1. Jednocześnie jego objętość robocza waha się od 1997 do 1970 cm3. „Turbo-cztery” nowego Infiniti QX50 rozwija pojemność 268 litrów. z. i 380 Nm momentu obrotowego - znacznie więcej niż 2,5-litrowy V6 jego poprzednika (jego osiągi - 222 KM i 252 Nm), zużywając o jedną trzecią mniej benzyny. Ponadto VC-Turbo jest o 18 kg lżejszy od wolnossącej „szóstki”, zajmuje mniej miejsca pod maską i osiąga maksymalny moment obrotowy przy niższych obrotach.
Nawiasem mówiąc, system kontroli stopnia sprężania nie tylko zwiększa wydajność silnika, ale także zmniejsza poziom wibracji. Dzięki wahaczom korbowody podczas suwu roboczego tłoków zajmują niemal pionową pozycję, podczas gdy w konwencjonalnych silnikach poruszają się z boku na bok (stąd nazwa korbowodów). W rezultacie, nawet bez wałków wyrównoważających, ta 4-cylindrowa jednostka pracuje tak cicho i płynnie jak V6.
Ale zmienna pozycja TDC za pomocą złożonego systemu dźwigni to nie jedyna cecha nowego silnika. Zmieniając stopień sprężania, jednostka ta jest również w stanie przełączać się między dwoma cyklami pracy: klasycznym Otto, używanym przez większość silników benzynowych i cyklem Atkinsona, który występuje głównie w hybrydach. W tym drugim przypadku (przy wysokim stopniu sprężania), ze względu na większy skok tłoka, mieszanina robocza bardziej się rozpręża, spalając się z większą wydajnością, w efekcie zwiększa się sprawność i spada zużycie benzyny.
Oprócz dwóch cykli pracy silnik ten wykorzystuje również dwa systemy wtrysku: klasyczny MPI i bezpośredni GDI, który poprawia wydajność spalania i zapobiega stukaniu przy wysokich stopniach sprężania. Oba systemy działają naprzemiennie i jednocześnie przy dużych obciążeniach. Pozytywny wpływ na wzrost sprawności silnika ma również specjalna powłoka ścianek cylindrów, która jest nakładana metodą natryskiwania plazmowego, a następnie hartowana i honowana. Rezultatem jest bardzo gładka „lustro-podobna” powierzchnia, która zmniejsza tarcie pierścieni tłokowych o 44%.
Kolejną unikalną cechą VC-Turbo jest aktywna redukcja wibracji Active Torque Road, zintegrowana z jej górnym mocowaniem, która opiera się na siłowniku posuwisto-zwrotnym. System ten jest kontrolowany przez czujnik przyspieszenia, który wykrywa drgania silnika i w odpowiedzi generuje przeciwfazowe drgania tłumiące. Aktywne wsporniki w Infiniti zostały po raz pierwszy zastosowane w 1998 roku w silniku wysokoprężnym, ale system ten okazał się zbyt uciążliwy, więc nie został rozpowszechniony. Projekt leżał pod dywanem do 2009 roku, kiedy japońscy inżynierowie zaczęli go ulepszać. Kolejne 8 lat zajęło rozwiązanie problemu nadwagi i przewymiarowanego amortyzatora drgań. Ale wynik jest imponujący: dzięki ATR 4-cylindrowa jednostka nowego Infiniti QX50 jest o 9 dB cichsza niż V6 swojego poprzednika!