Silniki o zmiennej kompresji: od Saaba po Infiniti. Nissan opracowuje ICE ze zmiennym stopniem sprężania

Silnik VC-T. Zdjęcie: Nissan

Japoński producent samochodów Nissan Motor zaprezentował nowy typ benzynowego silnika spalinowego, który pod pewnymi względami przewyższa nowoczesne silniki wysokoprężne.

Nowy silnik Variable Compression-Turbo (VC-T) jest zdolny do zmień stopień kompresji gazowy mieszanina palna czyli zmienić skok tłoków w Butle lodowe... Ten parametr jest zwykle ustalony. Najwyraźniej VC-T będzie pierwszym na świecie ICE ze zmiennym stopniem kompresji.

Stopień sprężania to stosunek objętości przestrzeni nadtłokowej cylindra silnika spalinowego w położeniu tłoka w dolnym martwym punkcie (cała objętość cylindra) do objętości przestrzeni nadtłokowej cylinder w położeniu tłoka w górnym martwym punkcie, czyli do objętości komory spalania.

Zwiększenie stopnia kompresji w przypadek ogólny zwiększa jego moc i zwiększa sprawność silnika, czyli przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa.

Konwencjonalne silniki benzynowe zwykle mają stopień sprężania od 8:1 do 10:1, a samochody sportowe a samochody wyścigowe mogą mieć do 12:1 lub więcej. Wraz ze wzrostem stopnia sprężania silnik potrzebuje paliwa o wyższej liczbie oktanowej.

Silnik VC-T. Zdjęcie: Nissan

Ilustracja pokazuje różnicę skoku tłoka przy różnych stopniach sprężania: 14:1 (po lewej) i 8:1 (po prawej). W szczególności zademonstrowano mechanizm zmiany stopnia kompresji z 14:1 na 8:1. Tak się dzieje.

1. Jeśli konieczna jest zmiana stopnia kompresji, moduł jest aktywowany Napęd harmoniczny i przesuwa dźwignię siłownika.
2. Dźwignia uruchamiająca obraca wał napędowy ( Wał sterujący na schemacie).
3. Gdy wał napędowy obraca się, zmienia kąt zawieszenia wielowahaczowego ( Multi-link na schemacie)
4. Zawieszenie wielowahaczowe określa wysokość, na jaką każdy tłok jest w stanie podnieść się w swoim cylindrze. W ten sposób zmienia się stopień kompresji. Wydaje się, że dolny martwy punkt tłoka pozostaje taki sam.

Zmianę stopnia sprężania w silniku spalinowym można w pewnym sensie porównać do zmiany kąta natarcia w śmigłach o zmiennym skoku – koncepcji stosowanej w śmigłach i śmigłach od wielu dziesięcioleci. Zmienny skok śmigła pozwala na utrzymanie sprawności śmigła bliskiej optymalnej, niezależnie od prędkości ruchu nośnika w strumieniu.

Technologia zmiany stopnia sprężania silnika spalinowego umożliwia utrzymanie mocy silnika przy jednoczesnym spełnieniu surowych norm dotyczących sprawności silnika. To chyba najbardziej prawdziwy sposób zgodne z tymi normami. „Wszyscy pracują obecnie nad zmiennymi stopniami sprężania i innymi technologiami, aby radykalnie poprawić wydajność silników benzynowych” – mówi James Chao, dyrektor zarządzający Azji i Pacyfiku oraz konsultant IHS – „Od co najmniej ostatnich dwudziestu lat”. Warto wspomnieć, że w 2000 roku Saab pokazała prototyp takiego silnika Saab o zmiennej kompresji (SVC) dla Saaba 9-5, za który zdobyła szereg nagród na wystawach technicznych. Następnie szwedzka firma została kupiona przez koncern Silniki ogólne i przestał pracować nad prototypem.

Silnik Saaba o zmiennej kompresji (SVC). Zdjęcie: Reedhawk

Silnik VC-T ma zostać wprowadzony na rynek w 2017 roku wraz z Infiniti QX50. Oficjalna prezentacja zaplanowana jest na 29 września podczas Salonu Samochodowego w Paryżu. Ten dwulitrowy czterocylindrowy silnik będzie miał mniej więcej taką samą moc i moment obrotowy jak 3,5-litrowy V6, który zajmie jego miejsce, ale zapewni w porównaniu z nim 27% oszczędności paliwa.

Inżynierowie Nissana twierdzą również, że VC-T będzie tańszy niż dzisiejsze zaawansowane silniki wysokoprężne z turbodoładowaniem i będzie w pełni zgodny z obecnymi przepisami dotyczącymi emisji NOx i innymi. spaliny- takie zasady obowiązują w Unii Europejskiej i niektórych innych krajach.

Po Infiniti planowane jest wyposażanie innych w nowe silniki Samochody Nissan i ewentualnie firma partnerska Renault.


Silnik VC-T. Zdjęcie: Nissan

Można założyć, że skomplikowane ICE projekt na początku nie będzie to wiarygodne. Z zakupem samochodu z silnikiem VC-T warto poczekać kilka lat, chyba że chcesz wziąć udział w testowaniu technologii eksperymentalnej.

Silnik VC-T. Zdjęcie: Nissan

Japoński producent samochodów Nissan Motor zaprezentował nowy typ benzynowego silnika spalinowego, który pod pewnymi względami przewyższa nowoczesne silniki wysokoprężne.

Nowy silnik Variable Compression-Turbo (VC-T) jest zdolny do zmień stopień kompresji gazowa mieszanka palna, czyli do zmiany skoku tłoków w cylindrach silnika spalinowego. Ten parametr jest zwykle ustalony. Najwyraźniej VC-T będzie pierwszym na świecie ICE ze zmiennym stopniem kompresji.

Stopień sprężania to stosunek objętości przestrzeni nadtłokowej cylindra silnika spalinowego w położeniu tłoka w dolnym martwym punkcie (cała objętość cylindra) do objętości przestrzeni nadtłokowej cylinder w położeniu tłoka w górnym martwym punkcie, czyli do objętości komory spalania.

Wzrost stopnia sprężania generalnie zwiększa jego moc i zwiększa sprawność silnika, czyli przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa.

Konwencjonalne silniki benzynowe zazwyczaj mają stopień sprężania od 8:1 do 10:1, podczas gdy w samochodach sportowych i wyścigowych może on wynosić nawet 12:1 lub więcej. Wraz ze wzrostem stopnia sprężania silnik potrzebuje paliwa o wyższej liczbie oktanowej.

Silnik VC-T. Zdjęcie: Nissan

Ilustracja pokazuje różnicę skoku tłoka przy różnych stopniach sprężania: 14:1 (po lewej) i 8:1 (po prawej). W szczególności zademonstrowano mechanizm zmiany stopnia kompresji z 14:1 na 8:1. Tak się dzieje.

1. Jeśli konieczna jest zmiana stopnia kompresji, moduł jest aktywowany Napęd harmoniczny i przesuwa dźwignię siłownika.
2. Dźwignia uruchamiająca obraca wał napędowy ( Wał sterujący na schemacie).
3. Gdy wał napędowy obraca się, zmienia kąt zawieszenia wielowahaczowego ( Multi-link na schemacie)
4. Zawieszenie wielowahaczowe określa wysokość, na jaką każdy tłok jest w stanie podnieść się w swoim cylindrze. W ten sposób zmienia się stopień kompresji. Wydaje się, że dolny martwy punkt tłoka pozostaje taki sam.

Zmianę stopnia sprężania w silniku spalinowym można w pewnym sensie porównać do zmiany kąta natarcia w śmigłach o zmiennym skoku – koncepcji stosowanej w śmigłach i śmigłach od wielu dziesięcioleci. Zmienny skok śmigła pozwala na utrzymanie sprawności śmigła bliskiej optymalnej, niezależnie od prędkości ruchu nośnika w strumieniu.

Technologia zmiany stopnia sprężania silnika spalinowego umożliwia utrzymanie mocy silnika przy jednoczesnym spełnieniu surowych norm dotyczących sprawności silnika. Jest to prawdopodobnie najbardziej realistyczny sposób na spełnienie tych standardów. „Wszyscy pracują obecnie nad zmiennymi stopniami sprężania i innymi technologiami, aby radykalnie poprawić wydajność silników benzynowych”, mówi James Chao, dyrektor zarządzający Azji i Pacyfiku i konsultant IHS, „Od co najmniej ostatnich dwudziestu lat”. Warto wspomnieć, że w 2000 roku Saab pokazał prototyp takiego silnika Saab Variable Compression (SVC) do Saaba 9-5, za który zdobył szereg nagród na wystawach technicznych. Następnie szwedzka firma została kupiona przez General Motors i przestała pracować nad prototypem.

Silnik Saaba o zmiennej kompresji (SVC). Zdjęcie: Reedhawk

Silnik VC-T ma zostać wprowadzony na rynek w 2017 roku wraz z Infiniti QX50. Oficjalna prezentacja zaplanowana jest na 29 września podczas Salonu Samochodowego w Paryżu. Ten dwulitrowy czterocylindrowy silnik będzie miał mniej więcej taką samą moc i moment obrotowy jak 3,5-litrowy V6, który zastąpi, ale zapewni o 27% większą oszczędność paliwa.

Inżynierowie Nissana twierdzą również, że VC-T będzie tańszy niż dzisiejsze zaawansowane silniki wysokoprężne z turbodoładowaniem i będzie w pełni zgodny z obowiązującymi przepisami dotyczącymi emisji tlenków azotu i innych emisji spalin – takie przepisy obowiązują w Unii Europejskiej i niektórych innych krajach.

Po Infiniti planowane jest wyposażanie innych samochodów Nissana i ewentualnie firmy partnerskiej Renault w nowe silniki.


Silnik VC-T. Zdjęcie: Nissan

Można założyć, że skomplikowana konstrukcja silnika spalinowego na początku raczej nie będzie niezawodna. Z zakupem auta z silnikiem VC-T warto poczekać kilka lat, chyba że chcesz wziąć udział w testowaniu eksperymentalnej technologii.

„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 zaprezentował ją Saab. Najbardziej zaawansowana technologia w tamtym czasie Silnik Saaba Zmienna kompresja (SVC) z pięcioma cylindrami miała pojemność 1,6 litra, ale rozwinęła niewyobrażalną moc 225 KM dla takiej pojemności. z. i moment obrotowy 305 Nm. Inne cechy również okazały się doskonałe - zużycie paliwa przy średnich obciążeniach spadło aż o 30%, podobnie jak emisja CO2. 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 temu 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, ale w celu zwiększenia współczynnika przydatne działanie(Sprawność) poprawiono silnik spalinowy poprzez wprowadzenie bezpośredniego wtrysku paliwa, zmienna geometria przewód dolotowy, inteligentne turbosprężarki itp. aktywna praca nad stworzeniem hybrydy elektrownie, pojazdy elektryczne, rozwój wodorowych ogniw paliwowych i nowe sposoby przechowywania 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 ten silnik zaprezentowany „w metalu”, 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, zmieni się położenie górnego tłoka. martwy środek(TDC) 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 olejowym, znajduje się specjalny zawór, który umożliwia przepływ oleju od góry do dołu. Jest kontrolowany przez wał mimośrodowy, który przy pomocy przekładnia ślimakowa 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 przepustowości zawory olejowe... 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 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.

Jak może się wydawać na pierwszy rzut oka, nowoczesny silnik spalanie wewnętrzne osiągnęło najwyższy etap ewolucji. Na ten moment różne są masowo produkowane i pojawiły się dodatkowo wdrożone możliwości.

Na liście najważniejszych wydarzeń dla ostatnie lata można wyróżnić: wprowadzenie wysokoprecyzyjnych układów wtryskowych pod kontrolą złożonej elektroniki, uzyskanie duża moc bez zwiększania przemieszczenia z powodu układów turbodoładowania, zwiększania, użytkowania itp.

Rezultatem jest zauważalna poprawa osiągów oraz redukcja emisji spalin. To jednak nie wszystko. Projektanci i inżynierowie na całym świecie nadal nie tylko aktywnie ulepszają istniejące rozwiązania, ale także starają się stworzyć zupełnie nowy projekt.

Wystarczy przypomnieć próby budowy, pozbycia się urządzenia czy dynamicznej zmiany stopnia sprężania silnika. Od razu zauważamy, że choć niektóre projekty są jeszcze w fazie rozwoju, inne już stały się rzeczywistością. Na przykład silniki o zmiennym stopniu sprężania. Przyjrzyjmy się cechom, zaletom i wadom takich ICE.

Przeczytaj w tym artykule

Zmiana stopnia kompresji: dlaczego tego potrzebujesz

Wielu doświadczonych kierowców zna pojęcia takie jak liczba oktanowa w silnikach benzynowych i wysokoprężnych. Dla mniej doświadczonych czytelników pamiętaj, że stopień sprężania to stosunek objętości nad tłokiem, który jest obniżony w BDC (dolny martwy punkt) do objętości, gdy tłok podnosi się w GMP (górny martwy punkt).

Jednostki benzynowe mają średnio 8-14, diesle 18-23. Stopień sprężania jest wartością stałą i jest ustalany konstrukcyjnie podczas opracowywania konkretnego silnika. Również wymagania dotyczące stosowania liczby oktanowej benzyny w konkretnym silniku będą zależeć od stopnia sprężania. Równolegle jest to brane pod uwagę lub z doładowaniem.

Jeśli mówimy o samym stopniu sprężania, w rzeczywistości jest to wskaźnik, który określa, jak bardzo zostanie skompresowana mieszanka paliwowo-powietrzna w cylindrach silnika. Mówiąc najprościej, dobrze skompresowana mieszanka lepiej się zapala i spala pełniej. Okazuje się, że wzrost stopnia sprężania pozwala osiągnąć wzrost silnika, uzyskać lepszy zwrot z silnika, zmniejszyć zużycie paliwa itp.

Jednak są też niuanse. Przede wszystkim to. Ponownie, jeśli nie wchodzisz w szczegóły, zwykle ładunek paliwa i powietrza w cylindrach powinien po prostu palić, a nie eksplodować. Ponadto zapłon mieszanki musi rozpoczynać się i kończyć w ściśle określonych godzinach.

W tym przypadku paliwo ma tak zwaną „odporność na uderzenia”, czyli zdolność do przeciwstawiania się detonacji. Jeśli stopień sprężania zostanie znacznie zwiększony, paliwo może zacząć detonować w silniku w określonych warunkach pracy silnika spalinowego.

Efektem jest niekontrolowany wybuchowy proces spalania w cylindrach, gwałtowne zniszczenie części silnika przez falę uderzeniową, znaczny wzrost temperatury w komorze spalania itp. Jak widać, z tych powodów niemożliwe jest uzyskanie stałego wysokiego stopnia kompresji. W tym przypadku jedynym wyjściem w tej sytuacji jest możliwość elastycznej zmiany tego wskaźnika w odniesieniu do różnych trybów pracy silnika.

Taki „działający” silnik zaproponowali niedawno inżynierowie premium Marka Infiniti(elitarny oddział Nissana). Również inni producenci samochodów (SAAB, Peugeot, Volkswagen itp.) byli i nadal są zaangażowani w podobne projekty. Przyjrzyjmy się więc silnikowi o zmiennym stopniu sprężania.

Zmienny współczynnik kompresji: jak to działa

Przede wszystkim dostępna możliwość zmiany stopnia sprężania pozwala na znaczne zwiększenie osiągów silników turbo przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia paliwa. Krótko mówiąc, w zależności od trybu pracy i obciążenia na ICE paliwoładunek jest kompresowany i spalany w najbardziej optymalnych warunkach.

Gdy obciążenie jednostki napędowej jest minimalne, do cylindrów dostarczana jest ekonomiczna „uboga” mieszanka (dużo powietrza i mało paliwa). Do takiej mieszanki dobrze nadaje się wysoki stopień sprężania. Jeśli obciążenie silnika rośnie (dostarczana jest „bogata” mieszanka, w której jest więcej benzyny), wówczas naturalnie wzrasta ryzyko detonacji. W związku z tym, aby temu zapobiec, stopień kompresji jest dynamicznie zmniejszany.

W silnikach, w których stopień sprężania jest stały, zmiana jest rodzajem zabezpieczenia przed stukaniem. Ten kąt jest przesunięty „do tyłu”. Naturalnie takie przesunięcie kąta powoduje, że choć nie dochodzi do detonacji, to jednocześnie traci moc. Jeśli chodzi o silnik o zmiennym stopniu sprężania, nie ma potrzeby przesuwania VOZ, to znaczy nie ma strat mocy.

Jeśli chodzi o wykonanie samego obwodu, w rzeczywistości zadanie sprowadza się do tego, że występuje fizyczny spadek objętości roboczej silnika, ale wszystkie cechy (moc, moment obrotowy itp.)

Od razu zauważamy, że taka decyzja została wypracowana różne firmy... W rezultacie, różne sposoby sterowanie stopniem sprężania np. zmienna objętość komory spalania, korbowody z możliwością podniesienia tłoków itp.

• Jednym z najwcześniejszych osiągnięć było wprowadzenie dodatkowego tłoka do komory spalania. Określony tłok mógł się poruszać podczas zmiany objętości. Minusem całego projektu była konieczność montażu dodatkowych części. Również natychmiast pojawiły się zmiany kształtu komory spalania, paliwo spalało się nierównomiernie i wadliwie.

Z tych powodów projekt ten nigdy nie został ukończony. Ten sam los spotkał rozwój, który miał tłoki z możliwością zmiany ich wysokości. Wskazane tłoki dzielone okazały się ciężkie, dodano utrudnienia związane z realizacją sterowania wysokością podnoszenia pokrywy tłoka itp.

• Dalsze zmiany nie wpłynęły na tłoki i komorę spalania, maksymalną uwagę zwrócono na kwestię podnoszenia wału korbowego. Innymi słowy, zadaniem było wdrożenie sterowania podnośnikiem wału korbowego.

Schemat urządzenia jest taki, że czopy łożyskowe wału znajdują się w specjalnych sprzęgłach mimośrodowych. Sprzęgła te są napędzane przez koła zębate połączone z silnikiem elektrycznym.

Obrót mimośrodów umożliwia podnoszenie lub opuszczanie, co prowadzi do zmiany wysokości podnoszenia tłoka w stosunku do. W efekcie zwiększa się lub zmniejsza objętość komory spalania, a także zmienia się stopień sprężania.

Zwróć uwagę, że kilka prototypów zostało zbudowanych w oparciu o 1,8 litra jednostka turbodoładowana od Volkswagena stopień sprężania wahał się od 8 do 16. Silnik był testowany przez długi czas, ale nigdy nie stał się jednostką seryjną.

• Kolejną próbą znalezienia rozwiązania był silnik, w którym zmieniono stopień sprężania poprzez podniesienie całego bloku cylindrów. Rozwój należy do marki Saab, a sama jednostka niemal weszła do serii. Silnik, znany jako SVC, to 1,6-litrowa, 5-cylindrowa jednostka z turbodoładowaniem.

Moc wynosiła około 220 KM. sek., moment obrotowy nieco ponad 300 Nm. Warto zauważyć, że zużycie paliwa przy średnich obciążeniach spadło o prawie jedną trzecią. Jeśli chodzi o samo paliwo, możliwe stało się tankowanie zarówno AI-76, jak i 98.

Inżynierowie Saaba podzielili blok cylindrów na dwie konwencjonalne części. Na górze znajdowały się głowice i tuleje cylindrowe, a na dole wał korbowy. Swoistym połączeniem tych części bloku z jednej strony był ruchomy zawias, az drugiej specjalny mechanizm wyposażony w napęd elektryczny.

Zrealizowano więc okazję do lekkiego podniesienia Górna część pod pewnym kątem. Ten kąt wzniosu wynosił tylko kilka stopni, a stopień sprężania wahał się od 8 do 14. Jednocześnie gumowa obudowa musiała uszczelnić „złącze”.

W praktyce elementy podnoszące samej górnej części urządzenia, a także sama obudowa ochronna, okazały się bardzo słabymi elementami. Być może właśnie to uniemożliwiło silnikowi wejście do serii i projekt został dalej zamknięty.

• Kolejne rozwiązanie zostało zaproponowane przez inżynierów z Francji. Silnik turbo o pojemności roboczej 1,5 litra był w stanie zmienić stopień sprężania z 7 na 18 i wytwarzał moc około 225 KM. Charakterystyka momentu obrotowego jest ustalona na około 420 Nm.

Strukturalnie jednostka jest złożona, podzielona. W obszarze mocowania korbowodu do wału korbowego część wyposażona jest w specjalny zębaty wahacz. Na styku korbowodu z tłokiem wprowadzono również szynę zębatą.

Z drugiej strony do wahacza przymocowano zębatkę tłoka, która realizowała sterowanie. Układ był napędzany z układu smarowania, płyn roboczy przechodził przez skomplikowany układ kanałów, zaworów, a także był dodatkowy napęd elektryczny.

Krótko mówiąc, ruch tłoka sterującego wpłynął na wahacz. W rezultacie zmieniła się również wysokość podnoszenia głównego tłoka w cylindrze. Zauważ, że silnik również nie stał się seryjny, a projekt został zamrożony.

• Kolejną próbą stworzenia silnika o zmiennym stopniu sprężania była decyzja inżynierów Infiniti, a mianowicie silnik VCT (Variable Compression Turbocharged). W tym silniku możliwa stała się zmiana stopnia sprężania z 8 na 14. Cechą konstrukcyjną jest unikalny mechanizm trawersu.

Polega na połączeniu korbowodu z dolną szyjką, która jest ruchoma. Stosowany jest również system dźwigni, które są napędzane silnikiem elektrycznym.

Sterownik steruje procesem, wysyłając sygnały do ​​silnika elektrycznego. Silnik elektryczny po otrzymaniu polecenia z centralki przesuwa ciąg, a system dźwigni realizuje zmianę położenia, co pozwala na zmianę wysokości podnoszenia tłoka.

Rezultatem jest 2,0-litrowa jednostka Infiniti VCT o mocy około 265 KM. pozwoliło zaoszczędzić prawie 30% paliwa w porównaniu do podobnych silników spalinowych, które jednocześnie mają stały stopień sprężania.

Jeśli producentowi uda się skutecznie rozwiązać bieżące problemy (złożoność konstrukcji, zwiększone wibracje, niezawodność, wysoki koszt końcowy produkcji jednostki itp.), to optymistyczne wypowiedzi przedstawicieli firmy mogą się sprawdzić, a sam silnik każda szansa na zostanie seryjnym już w latach 2018-2019.

Podsumujmy

Biorąc pod uwagę powyższe informacje, staje się jasne, że silniki o zmiennym stopniu sprężania są w stanie zapewnić znaczne zmniejszenie zużycia paliwa o silniki benzynowe turbodoładowany.

Na tle globalnego kryzys paliwowy, a także ciągłe zaostrzanie norm środowiskowych, silniki te pozwalają nie tylko efektywnie spalać paliwo, ale także nie ograniczać mocy silnika.

Innymi słowy, taki silnik spalinowy jest w stanie zaoferować wszystkie zalety potężnego, szybkiego silnika benzynowego z turbodoładowaniem. Jednocześnie pod względem zużycia paliwa taka jednostka może zbliżyć się do popularnych dziś odpowiedników turbodiesla, przede wszystkim ze względu na własne.

Przeczytaj także

Urządzenie turbosprężarki, główne elementy konstrukcyjne, dobór turbiny. Zalety i wady turbodoładowanych silników benzynowych i wysokoprężnych.

Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że stopień sprężania i pojemność skokowa są niezmienionymi parametrami konstrukcyjnymi silnika samochodowego. Wydaje się, że niedługo ten nawyk trzeba będzie odstawić. Trendy w rozwoju motoryzacji wskazują, że przyszłość należy do silników ze „zmienną niezmienną”. I wcale nie jest to mglista perspektywa – mówimy o przyszłości, która jest na progu i już puka do drzwi.

Prolog

Prawie 15 lat temu szwedzki koncern SAAB, uznany ekspert w dziedzinie technologia silnika, po raz kolejny oburzył pokój światowej społeczności motoryzacyjnej. Na targach motoryzacyjnych w Genewie w 2000 roku zademonstrował rewelacyjny wynik wieloletniej pracy nad projektem SVC (SAAB Variable Compression) – prototypowym silnikiem iskrowym z dmuchawa mechaniczna i zmienny stopień kompresji. Publiczność była „oburzona” zarówno fantastyczną charakterystyką mocy urządzenia, jak i jego skromnym apetytem. Silnik rzędowy o pojemności 1,6 litra rozwijał moc znamionową i maksymalny moment obrotowy charakterystyczne dla 3-litrowego silnika V-6 (odpowiednio 225 KM / 5800 min-1 i 333 Nm / 4000 min-1). Podczas testów silnika SVC w SAAB 9-5 zużycie paliwa w cyklu mieszanym wyniosło tylko 8,3 l/100 km.

Tak świetne połączenie kompaktowości, charakterystyka trakcji, zużycie paliwa, a co za tym idzie toksyczne emisje, obiecywały wspaniałe perspektywy zarówno dla szwedzkiego koncernu, jak i dla całego światowego przemysłu motoryzacyjnego w XXI wieku. Nie bez powodu koncept SVC od razu otrzymał od organizatorów kilka nagród. Wystawa w Genewie oraz szereg publikacji motoryzacyjnych. W entuzjastycznych komentarzach wielu poważnych profesjonalistów motoryzacyjnych argumentowano, że początek produkcja masowa Silniki SVC to kwestia dwóch do trzech lat. Tymczasem minęło prawie 15, a „Saabów” z cudownymi silnikami nie ma. Namiętności wokół sensacyjnego projektu SVC opadły, a na temat jego dalszych losów nie ma nowych informacji. Pasjonaci spośród fanów SAAB „toczą beczki” do kierownictwa GM – mówią, że celowo zamrozili projekt, co groziło wbiciem udziałów w produkcję wielolitrowych „hummografów” „G-Em” i wykolejeniem całości gałęzi ich amerykańskiego przemysłu. Ogólnie historia jest ciekawa. Można powiedzieć, że detektyw. Aby zrozumieć to obiektywnie, trzeba najpierw zrozumieć, co jest istotą idei zmieniania tego, co niezmienne.

Na palcach

Z teorii silników cieplnych, zapoczątkowanej w pierwszej połowie XIX wieku przez francuskiego naukowca i inżyniera Sadi Carnota, wiadomo, że sprawność idealnego obiegu termodynamicznego (jego sprawność cieplna) wzrasta wraz ze wzrostem stopnia kompresji (c) płynu roboczego. Wpływ stopnia sprężania na sprawność rzeczywistych silników cieplnych - samochodowe silniki spalinowe- nie tak jednoznaczne. Uzasadniony teoretycznie „nieograniczony” wzrost stopnia sprężania utrudniają jednocześnie rosnące straty mechaniczne na tarcie i wymianę gazową, obciążenia cieplne i mechaniczne części silnika, zwłaszcza paliw samochodowych, i szereg innych. Dlatego w odniesieniu do silnika spalinowego (o określonej konstrukcji) możemy mówić o optymalnej wartości stopnia sprężania, przy którym osiągana jest maksymalna efektywna sprawność, odpowiadająca za efektywność paliwową i wysoką charakterystykę mocy. Dokładniej, o zakresie optymalnych wartości, ponieważ w różnych warunkach pracy silnika stopień wpływu czynników ograniczających jest różny i najbardziej efektywna praca można osiągnąć przy różnych stopniach kompresji.

Weźmy na przykład silniki iskrowe z zasysaniem zewnętrznym. Badania pokazują, że optymalny stopień sprężania dla takich silników mieści się w przedziale 13-15. Dalszy wzrost b nie prowadzi do zauważalnej poprawy osiągów silnika ze względu na wzrost strat mechanicznych. Jednocześnie ten parametr dla nowoczesnych silników benzynowych wynosi zwykle około 10, tj. znacznie mniej niż optymalny. Powodem jest chęć uniknięcia detonacji, której niebezpieczeństwo powstaje przede wszystkim przy pełnym obciążeniu, przy wysokich ciśnieniach i temperaturach w komorze spalania. Wiadomo, że silnik samochodu miejskiego pracuje przy całkowicie otwartej przepustnicy przez nie więcej niż 10% czasu pracy. Oznacza to, że większość z nich nie zyskuje na mocy i marnuje paliwo. Niezależnie od tego, czy stopień kompresji jest regulowany, w trybach bezczynny ruch i częściowych obciążeń, silnik mógłby pracować z optymalnymi wartościami, a tylko w trybach mocy obniżyłby się do bezpiecznego poziomu. Szacuje się, że ten środek zmniejszyłby zużycie benzyny o około 10%. Niewiele, ale nie za mało, jeśli weźmiemy pod uwagę ogromną liczbę eksploatowanych „pojazdów benzynowych”. Całkowite oszczędności w redukcji ropy i emisji do atmosfery byłyby całkiem namacalne.

Zmienny stopień sprężania byłby dobry dla silników wysokoprężnych. Nowoczesne diesle, z których większość jest turbodoładowana, mają również nieoptymalny stopień sprężania. Przy projektowaniu silników wysokoprężnych dobiera się go pod kątem zapewnienia stabilnego zimnego rozruchu silnika. W zależności od konstrukcji silnika może przyjmować wartości od 16 do 24, czyli wyższe od optymalnego. Niepotrzebnie wysoki stopień sprężania ze względu na akceptowalną charakterystykę rozruchu zapobiega wzrostowi ciśnienia doładowania, tj. zwiększenie mocy właściwej silników wysokoprężnych. Jedną z konsekwencji wysokiego stopnia kompresji jest duża maksymalne ciśnienie w komorze spalania. Pod ciśnieniem zwiększa się jeszcze bardziej, co grozi przekroczeniem dopuszczalne obciążenia na częściach silnika, zmniejszając jego zasoby, a nawet zniszczenie. Możliwość elastycznej regulacji stopnia sprężania turbodiesli pozwoliłaby na bezproblemowe uruchomienie silnika przy wysokim V, a w trybach mocy zredukowałaby go do 10-11, jednocześnie zwiększając ciśnienie doładowania. W ten sposób można znacznie zwiększyć moc bez obaw o przekroczenie granicznego ciśnienia spalania.

Zauważone zalety, które obiecują możliwość dostosowania stopnia kompresji, jak mówią, leżą na powierzchni. Ale wszystko to są kwiaty, jagody - z przodu.

Dwa upadki

Nie jest tajemnicą, że pojawienie się wielu nowoczesnych technologii w budowie silników zawdzięczamy walce o zmniejszenie zużycia paliwa i zmniejszenie emisji dwutlenku węgla i innych produktów spalania paliw węglowodorowych do atmosfery. Mimo osiągniętych sukcesów walka bynajmniej się nie skończyła. Nowe wyzwania czekają na arkusze silnika, napędzane jeszcze trudniejszymi regulacje środowiskowe oraz rosnące wymagania dotyczące właściwości jezdnych pojazdów. Nowe strategie rozwoju silników samochodowych są odpowiedzią na nowe wyzwania. Większość ekspertów w dziedzinie inżynierii samochodowej zgadza się, że w niedalekiej przyszłości szczególnie istotne będą dwie powiązane ze sobą strategie: zmniejszanie i zmniejszanie prędkości. Nazwa pierwszego w rosyjskiej transkrypcji wymawia się „zmniejszenie” i oznacza „zmniejszenie rozmiaru”, nazwa drugiego, brzmiąca jak „zmniejszenie prędkości”, oznacza „zmniejszenie częstotliwości obrotów”. Zwróćmy uwagę na oba „upadki”, ponieważ dotyczą one bezpośrednio tematu rozmowy.

Downsizing oznacza poruszanie się w dwóch kierunkach: zwiększenie mocy i momentu obrotowego silnika bez zwiększania jego pojemności skokowej lub zmniejszenie pojemności skokowej przy stałej charakterystyce wyjściowej. W obu przypadkach wzrastają określone wskaźniki silnika, w szczególności moc litra, co służy osiągnięciu głównego celu - zmniejszenia zużycia paliwa. Innymi słowy, mówimy o rozwoju kompaktowych i jednocześnie mocnych silników. Takie jednostki efektywniej wykorzystują paliwo (zwłaszcza przy częściowych obciążeniach) ze względu na mniejsze straty wymiany gazowej i tarcia, a także mniejszy wyciek ciepła z płynu roboczego do ścian komory spalania.

Możliwe jest dalsze zmniejszenie strat pompowania i strat tarcia, jeśli w kompaktowym silniku wzrost mocy osiąga się nie ze względu na wzrost prędkości wału korbowego, ale ze względu na wzrost momentu obrotowego w całym zakresie prędkości. Można to osiągnąć poprzez zwiększenie stopnia napełnienia i średniego efektywnego ciśnienia w butli (patrz ściągawka 2). W ten sposób strategia zmniejszania rozmiarów staje się jeszcze bardziej korzystna, gdy zostanie uzupełniona o zmniejszenie prędkości.

Należy zauważyć, że pomysł na zwiększenie specyficznych cech silników nie jest nowy. W całej historii rozwoju silniki samochodowe były stale ulepszane, stając się bardziej kompaktowe i mocniejsze. Inna sprawa, że ​​teraz ten trend stał się priorytetem i pojawiły się możliwości technologiczne, które umożliwiają uzyskanie skoku jakościowego w tym kierunku. Strategie doboru rozmiarów i redukcji prędkości są istotne zarówno w przypadku silników benzynowych, jak i wysokoprężnych, ale silniki iskrowe mają znacznie większy potencjał rozwojowy w tych obszarach. Aby osiągnąć zamierzone cele w silniku o zapłonie iskrowym, planuje się zastosowanie kilku sprawdzonych już technologii:

W pełni zmienny rozrząd z czterema zaworami na cylinder (VVA);

Bezpośredni wtrysk paliwa (GDI);

Wymuszony wtrysk powietrza (CH).

Jednak kluczem do sukcesu w tworzeniu kompaktowego, mocnego i oszczędnego silnika benzynowego jest technologia zmiennego współczynnika kompresji (VCR). Rzeczywiście, aby uzyskać wymierny wzrost mocy litra, wymagane jest wysokie ciśnienie. W takim przypadku ryzyko detonacji w trybach obciążenia wzrośnie wielokrotnie. Aby tego uniknąć, zwykle silniki wymuszone ze stałym stopniem sprężania „rozwijają się” – zmniejszają wartość ε o kilka jednostek (do 7-8) i oddalają się od optimum. Ceną, jaką trzeba za to zapłacić, jest niestabilna praca i obżarstwo „niezaciśniętego” silnika przy obciążeniu jałowym i częściowym. Technologia magnetowidu pozwoli na niezwykle wydajną pracę wysoko przyspieszonego silnika we wszystkich trybach. Aby to zrobić, wystarczy nauczyć się płynnie regulować £ w zakresie od 14 do 7. Pełna kontrola nad detonacją w warunkach doładowania wysokiego ciśnienia pozwoli na zmniejszenie pojemności skokowej silnika nawet o 50%, przy zachowaniu ich mocy cechy.

Dzięki elastycznej regulacji stopnia sprężania będzie można wpływać na parametry procesów fizycznych w silniku, które wpływają na zużycie paliwa i emisję toksycznych składników:

Ciśnienie i temperatura na końcu suwu sprężania;

Maksymalne ciśnienie i temperatura spalania;

Współczynnik ekspansji i sprawność wskaźnika;

Objętość komory spalania;

Temperatura spalin.

Wraz z ekstremalnym redukcją, otwiera to ogromne możliwości oszczędzania energii i redukcji emisji dwutlenku węgla. Tak więc, zgodnie z informacjami z różne źródła, kompaktowe silniki VCR z doładowaniem zużywają 20-40% mniej paliwa w porównaniu z tradycyjnymi silniki atmosferyczne równoważna moc. Na przykład zużycie paliwa silnika SVC wynosiło około 30%. Emisja gazów cieplarnianych zostanie zmniejszona o taką samą ilość.

Technologia zmiennego sprężania pozwoli na różne scenariusze zarządzania silnikiem w celu zmniejszenia emisji spalin. Na przykład podczas uruchamiania zimnego silnika możliwe będzie celowe zmniejszenie sprawności wskaźnika. Wynikający z tego wzrost temperatury spalin przyspieszy nagrzewanie się katalizatora i jednocześnie zmniejszy emisję tlenków azotu. W trybie maksymalnej mocy technologia VCR zmniejszy obciążenia cieplne w komorze spalania i układzie wydechowym, bez uciekania się do powszechnie stosowanej metody chłodzenia – wzbogacania mieszanki i związanego z tym zwiększonej emisji CO i HC. Tego rodzaju środki zapewnią wzrost wymagania środowiskowe do silników bez komplikacji i wzrostu kosztów systemów oczyszczania spalin. Zdaniem ekspertów, dzięki technologii zmiennego stopnia sprężania, silniki iskrowe będą w stanie wybić silniki wysokoprężne i przywrócić utraconą pozycję lidera w zakresie wydajności i ekologii.

Zdolność do zmiany niezmiennego rozgrzewa duszę tych, którzy opowiadają się za używaniem gatunki alternatywne paliwo. Szeroko regulowany stopień sprężania znacznie upraszcza zadanie stworzenia silnika wielopaliwowego, który może równie wydajnie pracować na benzynie, gazie ziemnym lub mieszance alkoholu i benzyny E-85, która jest szczególnie popularna w Szwecji i Stanach Zjednoczonych. Wreszcie, technologia VCR otwiera drogę do wprowadzenia nowych i udoskonalenia istniejących obiecujących technologii silnikowych: zastosowanie adaptacyjnego cyklu Atkinsona, tworzenie ładunków uwarstwionych mieszanka paliwowo-powietrzna, spalanie bardzo ubogich mieszanin i wiele innych.

Pełna lista potencjalnych zalet ICE ze zmiennym stopniem sprężania nie jest przez to wyczerpana, ale powyższe wystarczy, aby zrozumieć, dlaczego większość producentów samochodów jest zainteresowana rozwojem w tym kierunku.

To było tylko na papierze ...

Pomysł Tworzenie ICE zmienny stopień sprężania nie zawładnął wczoraj konstruktorami silników. Można powiedzieć, że ostatnio przeżywa dopiero swoje odrodzenie. Pierwszy miał miejsce na początku XX wieku, więc pomysł zmiany niezmiennego jest niewiele młodszy niż same silniki spalinowe. Mniej więcej w połowie ubiegłego wieku prawie wszystkie znane dziś metody zostały już opracowane i opatentowane (w postaci schematów lub projektów), które umożliwiają zmianę stopnia sprężania w silniku spalinowym. Część z proponowanych rozwiązań z różnych powodów pozostała na papierze, część została wcielona w sprzęt. Niektóre z tworzonych silników VCR zostały doprowadzone do poziomu rozwoju eksperymentalnego, a tylko nieliczne były produkowane w małych seriach i instalowane w samochodach. Są też takie „wcielenia”, które są używane od prawie stu lat i będą wykorzystywane w silnikach spalinowych, ale nie do celów transportowych. Więcej na ten temat omówimy później. Najpierw zobaczmy, w jakich kierunkach rozwinęła się idea zmiany na niezmienne.

Zasadniczo określenie tych kierunków nie jest trudne. Aby to zrobić, musisz pamiętać, że geometryczny stopień sprężania to stosunek maksymalnej i minimalnej objętości cylindra, gdy tłok znajduje się odpowiednio w BDC i GMP (patrz ściągawka 1). Z powyższego wyrażenia na b można zauważyć, że można wpływać na stopień sprężania poprzez zmianę objętości komory sprężania (V), objętości roboczej silnika (Vh) lub obu parametrów jednocześnie. Ponadto przy stałej objętości roboczej stopień sprężania może się zmieniać tylko ze względu na objętość komory sprężania. Analiza schematu strukturalnego tradycyjnego silnika spalinowego z mechanizmem korbowym (KShM) podaje główne sposoby wpływania na wysokość komory sprężania (hc):

1) zmiana szkieletu silnika (odległość od osi obrotu wału korbowego do łuku komory sprężania);

2) zmiana wysokości tłoka;

3) zmiana długości korbowodu;

4) zmiana promienia korby.

Należy zauważyć, że w tym drugim przypadku – gdy zmienia się promień korby – wraz ze stopniem sprężania zmienia się również objętość robocza silnika (wielkość skoku tłoka). Możliwość jednoczesnego działania na obu geometrycznych ICE parametr bardzo kuszące. Zwłaszcza jeśli przestrzegają odwrotnej zależności - wraz ze wzrostem stopnia sprężania objętość robocza zmniejszy się i na odwrót. Umożliwi to np. zmniejszenie pojemności skokowej silnika w trybach rozruchu i obciążenia częściowego, a jednocześnie pracę z wysokim wskaźnikiem i sprawnością mechaniczną dzięki dużym stratom na pompowaniu i zmniejszeniu strat na pompowaniu. Wraz ze wzrostem obciążenia i wzrostem ciśnienia doładowania silnik „rozszerzy się”, a jednocześnie „powiększy się”. W ten sposób możliwe będzie uzyskanie zarówno wysokiej mocy znamionowej, jak i maksymalnej efektywności paliwowej w każdym punkcie charakterystyki obciążenia silnika.

Możliwe jest zmniejszenie lub zwiększenie objętości komory sprężania nie tylko poprzez zmianę jej wysokości. Weźmy pod uwagę inne sposoby wpływania na wartość Y jako oddzielny, piąty punkt. Powstała lista nie byłaby też kompletna bez jeszcze jednego, szóstego punktu. Faktem jest, że powyższe rozważania dotyczyły silników, w których: ruch translacyjny tłok jest zamieniany na obrót wału korbowego za pomocą KShM. W stanie techniki znanych jest wiele innych mechanizmów konwertujących, w tym takich, które pozwalają kontrolować ruch tłoków i wpływać na stopień sprężania i przemieszczenie. Bardzo obiecujące może być również ich zastosowanie w konstrukcji silników magnetowidów.

Przez prawie wiek, który minął od powstania pomysłu, inżynierowie-wynalazcy nie lekceważyli żadnego ze wskazanych kierunków. Zwróćmy uwagę na niektóre z wyników, jakie osiągnęli.

Zmiana szkieletu silnika

Jeden z pierwszych silników VCR zbudowany na tej zasadzie został stworzony w latach dwudziestych przez utalentowanego brytyjskiego inżyniera i badacza Sir Harry'ego Ricardo. Sir Ricardo opracował swój jednocylindrowy silnik o zmiennym sprężaniu do badania właściwości paliw silnikowych i zjawiska detonacji. Później wprowadził do codziennego życia pojęcie liczby oktanowej paliwa. W silniku Ricardo wielkość szkieletu została zmieniona ze względu na ruch cylindra i głowicy bloku względem stacjonarnej skrzyni korbowej i wału korbowego. Cylinder był połączony ze skrzynią korbową za pomocą nakrętki z gwintem trapezowym - ruch cylindra uzyskiwano poprzez jego obracanie. Zmiana odległości między wałem korbowym a wałkiem rozrządu była kompensowana rolką pośrednią w łańcuchu napędowym wałka rozrządu. Większość silników znajdujących się w ośrodkach badawczych, w tym najnowocześniejszych, ma podobny schemat. Są szeroko stosowane do badania wszelkiego rodzaju procesów fizycznych w silniku spalinowym. Patrząc w przyszłość, powiedzmy, że koncepcja wielocylindrowego SVC wykorzystuje również zasadę różnicowania szkieletu ze względu na przemieszczenie monobloku, który obejmuje cylindry i główny komputer.

Znanych jest wiele konstrukcji silników, w których wał korbowy ma zdolność poruszania się względem cylindra. Niemiecki patent z 1968 r. opisuje silnik Varimax, w którym łożyska wału korbowego są zawieszone wewnątrz skrzyni korbowej na ramie. Rama wsparta jest z obu stron na pionowych prętach - z jednej strony zamocowanych, z drugiej regulowanych. Przesunięcie osi wału korbowego uzyskuje się poprzez zmianę długości regulowanych prętów. Częściej, aby przesunąć wał, proponuje się instalowanie jego głównych łożysk w tulejach mimośrodowych. Jeden z silników VCR opracowanych przez specjalistów znanej firmy badawczej z Niemiec FEV Motorentechnik jest ustawiony według tego schematu. Tuleje posiadają wieńce zębate, które zazębiają się z kołami zębatymi znajdującymi się na jednym wale.

Wspólną wadą wspomnianych konstrukcji jest zmniejszenie sztywności szkieletu silnika, jego „kręgosłupa”, ze względu na nieuniknione użycie dodatkowe połączenia między skrzynią korbową, wałem korbowym i cylindrem. Mechanizmy odpowiedzialne za zmianę wysokości szkieletu poddawane są dużym obciążeniom od gazu i sił bezwładności.

Konstrukcje z ruchomymi wał korbowy poza tym cierpią na niewystarczającą sztywność podpór i poważne problemy związane z wyrównaniem osi „kolana” z osią wału wejściowego skrzyni biegów. Zatem to, co nie jest krytyczne dla stacjonarnych instalacji laboratoryjnych, stanowi poważne wyzwanie w rozwoju niezawodnych produktów do pojazdów transportowych.

Zmiana wysokości tłoka

Na pierwszy rzut oka zmiana wysokości tłoka wydaje się najbardziej atrakcyjną metodą wpływania na stopień sprężania. Rzeczywiście, w przeciwieństwie do innych, ta metoda wymaga minimalnych zmian w architekturze. silnik podstawowy... Konstrukcja tłoka o zmiennej wysokości została zaproponowana w 1952 roku przez Brytyjski Instytut Badawczy Silników. Tłok składa się z dwóch części - „korpusu” ze spódnicą oraz ruchomej głowicy wykonanej w formie szkła. Powierzchnia styku między korpusem a głowicą jest uszczelniona w wewnętrznej wnęce między nimi przez kanały w korbowodzie olej silnikowy... Zmiana jego wysokości prowadzi do zmiany wysokości tłoka. Wraz ze wzrostem wysokości zmniejsza się prześwit nad tłokiem, wzrasta stopień sprężania i odwrotnie. Dopływ oleju jest regulowany przez system zaworów.

W ślad za Brytyjczykami w tym samym kierunku działały silniki koncernów Ford i Mercedes-Benz, oferując własne wersje „teleskopowych” tłoków. Różniły się nieco innym schematem zasilania olejem i organizacją uszczelnienia ruchomej głowicy. Do konstrukcji produkowanych silników zastosowano tłoki w małych partiach... Zakres zmienności stopnia sprężania dla różnych silników był różny. Na przykład w samochodach Klasa M-B S było 11-14, dzięki temu skuteczne Sprawność silników zwiększona o 5%.

Największy sukces w tym kierunku odniosła amerykańska korporacja Continental. Od wielu lat produkuje silnik wysokoprężny specjalnego przeznaczenia AVCR-1100 ze zmienną wysokością tłoka. Stopień sprężania wahał się w nim od 10 do 22. Wzrost wysokości tłoka od minimum do maksimum następował w 60-65 cyklach, czyli około 3 s, ponieważ jest to możliwe tylko przez krótki czas, podczas gdy działające siły bezwładności na tłoku przekroczyć ciśnienie wsteczne gazów. Powolna reakcja nie jest najważniejszą wadą konstrukcji z tłokami teleskopowymi. Mechanizm z precyzyjnymi elementami zmuszony jest do pracy w warunkach wysokich temperatur i obciążeń. Jedną z prawdopodobnych konsekwencji tego jest zakoksowanie oleju i utrata ruchomości głowicy tłoka. Ponadto wdrożenie metody wiąże się ze znacznym wzrostem masy tłoków ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami.

Zmiana długości korbowodu i promienia korby

W różnych czasach proponowano wiele różnych konstrukcji korbowodów. Większość z nich opierała się na tych samych rozwiązaniach, które zastosowano do zmiany wysokości tłoków. Korpus korbowodu wykonano teleskopowo, zmieniano jego długość za pomocą urządzeń mechanicznych lub hydraulicznych. Konstrukcje te mają te same wady, co tłoki teleskopowe. Ponadto niezawodność konstrukcji okazała się jeszcze niższa ze względu na fakt, że korbowód, w przeciwieństwie do tłoka, podlega dużym obciążeniom zginającym. Kilka patentów proponowało zmianę długości korbowodu poprzez umieszczenie elementów mimośrodowych w górnej lub dolnej głowicy. Praktyczna realizacja tych metod okazała się tak trudna, że ​​pozostały czystymi pomysłami.

Jako sposób na zmianę promienia korby rozważano również zastosowanie mechanizmu mimośrodowego. Najdalej w tym kierunku posunęła się holenderska firma inżynieryjna Gomecsys. W zaproponowanym przez nią projekcie wokół czopa korbowego umieszczona jest ruchoma tuleja mimośrodowa z pierścieniem zębatym. Jego położenie kątowe zmienia się, obracając koło zębate licznika o dużej średnicy z zazębienie wewnętrzne... Zgodnie z tą zasadą 2- i

Silniki 4-cylindrowe - prototypy GoEngine. Opracowany mechanizm jest jednocześnie obsługiwany przez dwa cylindry. Dlatego nadaje się tylko do silników o określonym schemacie - parzystej liczbie cylindrów, z których dwa sąsiednie działają synchronicznie. W innych przypadkach nadmiernie wzrasta liczba par kół zębatych, masa i wymiary silnika. Już samo to znacznie zawęża możliwości jego praktycznego zastosowania.

Zmiana objętości komory sprężania

Alternatywne sposoby zmiany objętości komory sprężania sprowadzają się głównie do urządzenia o komorze dzielonej, składającej się z dwóch połączonych części – głównej i dodatkowej. Objętość dodatkowej komory jest zróżnicowana ruchem jej sklepienia, co odbywa się hydraulicznie, mechanicznie lub urządzenia elektryczne... Zmienia to całkowitą objętość komory spalania i odpowiednio stopień sprężania.

Jeden z pierwszych takich systemów opanowała francuska firma Hispano-Suiza. Samolotowy silnik wysokoprężny HS-103 V8 wykorzystywał komorę wirową o zmiennej objętości, której ruchomy dach poruszał się pod wpływem hydrauliki. Podobne urządzenie do regulacji stopnia sprężania w silniku o zapłonie iskrowym opatentował koncern Ford. Różnica polegała na tym, że w tej konstrukcji ruchoma część dodatkowej komory była przesuwana za pomocą wyprofilowanej krzywki. Wreszcie stopień sprężania w silniku koncepcyjnym ALVAR, którego autorstwo należy do do koncernu Volvo... Tutaj krypty dodatkowe kamery kompresja służyła jako dna małych tłoków wtórnych, które były napędzane z wału znajdującego się w głowicy cylindrów.

Atrakcyjny sposób podziału komory sprężania polega na tym, że niezbędne zmiany są ograniczone jedynie konstrukcją głowicy. Z drugiej strony głowica cylindra (zwłaszcza nowoczesnego silnika wielozaworowego) jest już ciasno upakowana. Dlatego umieszczenie w nim dodatkowego elementu to spory problem. Obecność „wyrostka” w komorze spalania nieuchronnie zakłóca proces tworzenia i spalania mieszanki, co prowadzi do pogorszenia właściwości środowiskowych silnika. Wreszcie mechanizm regulujący działa w strefie maksymalnych obciążeń termicznych i mechanicznych, co może jedynie wpływać na jego niezawodność.

Na tym etapie można wyciągnąć pewne wnioski pośrednie. Niestety nie są zbyt pocieszające. W przypadku silników z tradycyjnym KShM zaproponowano i przetestowano w różnym stopniu różne opcje regulacji stopnia sprężania. Większość z nich umożliwiła rozwiązanie problemu wymiany, ale żaden z nich nie okazał się absolutnie preferowany i odpowiedni do powszechnego stosowania w silnikach seryjnych ze względu na trudności w produkcji lub zapewnieniu akceptowalnych osiągów. To skłoniło inżynierów silników do zastanowienia się nad innymi typami mechanizmów, które przekształcają ruch postępowy w obrót.

Zastosowanie nietradycyjnych mechanizmów konwertujących

Tę linię prac nad stworzeniem silnika VCR bez napięcia można nazwać popularną. Wielu producentów samochodów - Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot / Citroen - oraz firmy zajmujące się badaniami motoryzacyjnymi: niemiecki FEV Motorentechnik, brytyjski Mayflower i francuski MCE-5 Development są w to zaangażowani i nadal aktywnie w niego zaangażowani. Fla, podobne zmiany były prowadzone w NAMI od wielu lat. Spróbujmy zrozumieć powód zainteresowania tym tematem.

Po przejrzeniu sporej objętości TMM (teoria mechanizmów i maszyn, w slangu studenckim - to mój grób), można znaleźć ogromną liczbę schematów kinematycznych mechanizmów, które w zasadzie można wykorzystać w silniku spalinowym do przenieść ruch z tłoka na wał korbowy. mechanizm korbowy- najprostszy z nich, jaka jest jego niezaprzeczalna zaleta. Według klasyfikacji KIJJM jest to jednoczęściowy mechanizm konwertujący, ponieważ tłok jest połączony z korbą za pomocą jednego ogniwa - korbowodu. Uwagę inżynierów zwrócono na trzyelementowe mechanizmy, które przy względnej prostocie mogą potencjalnie zapewnić: ważna zaleta- elastyczna kontrola ruchu tłoka. Urządzenia trzyczęściowe dzielą się na dwa duże grupy- balansowanie i trawersowanie. W pierwszym ogniwo (balanser) połączone z korbowodem obraca się, w drugim wykonuje złożony ruch płaski i nazywany jest trawersem. Mechanizmy wyważające połączone są z korbą trakcją, a poprzeczne - przez samą trawersę.

Wiele konstrukcji zrównoważonych silników spalinowych zostało opatentowanych i przetestowanych eksperymentalnie. Większość z nich to silniki dwusuwowe z przeciwstawnym ruchem tłoka. Badania wykazały, że poleganie na mechanizmach równoważących się nie opłaca. Chociaż silniki wyważające okazały się wystarczające wysoka niezawodność, miały znacznie większe gabaryty w porównaniu z tradycyjnymi, nieznacznie przewyższając je pod względem możliwości regulacji ruchu tłoków. Znacznie bardziej zachęcające wyniki uzyskano w trakcie eksperymentalnych testów mechanizmów trawersu. Wykazano, że zapewniają one następujące korzyści pod pewnymi warunkami:

Dopuszczalny zakres regulacji stopnia sprężania (ε = 7–15);

Możliwość jednoczesnej regulacji stopnia kompresji i objętości roboczej oraz według optymalnego algorytmu;

Możliwość minimalizacji niewyważenia silnika poprzez optymalizację prawa ruchu tłoka oraz wykorzystanie masy elementów dodatkowych;

Małe obciążenia na kontroli mechanizmu magnetowidu, aw konsekwencji dość duża prędkość;

Brak egzotycznych części, zastosowanie tradycyjnych technologii do budowy silników.

Dlatego właśnie mechanizm trawersu jest traktowany jako podstawa przez większość wspomnianych powyżej twórców silników VCR. Nie oznacza to, że wszystkie poruszają się „w torze”. Stosowane są różne schematy kinematyczne i różne rozwiązania konstrukcyjne. Wyrażenie „pod pewnymi warunkami” było wcześniej używane z jakiegoś powodu. Rzeczywiście, zalety mechanizmów trawersu są w nich nieodłączne, bynajmniej nie „z definicji”. Osiąga się je tylko wtedy, gdy parametry geometryczne i konstrukcyjne wszystkich ogniw są zoptymalizowane z punktu widzenia prawa ruchu tłoka, równowagi mechanizmu i wytrzymałości. Na obecnym etapie pytania te są głównym przedmiotem badań.

Ponadto opracowywane są różne opcje mechanizmu napędowego oraz algorytm automatycznej kontroli stopnia sprężania.

Tymczasem MCE-5 działa w innym kierunku. Zaproponowana przez nią konstrukcja silnika magnetowidu wykorzystuje KShM, ale w niekonwencjonalny sposób. Górna głowica korbowodu nie jest połączona z tłokiem, ale z osią tryb, który z kolei jest połączony z prętem sztywno przymocowanym do tłoka. Na pierwszy rzut oka rozwiązanie nie jest bezdyskusyjne, ale według twórców ma szereg zalet. Twierdzi się, że mechanizm umożliwia regulację stopnia sprężania w szerokim zakresie, zapewnia minimalne straty tarcia ze względu na brak bocznego nacisku tłoka na ścianki cylindra, jest wyjątkowo niezawodny i ma długą żywotność.

Będziemy mogli to sprawdzić w kolejnym artykule, który będzie poświęcony najbardziej obiecującym projektom ICE z „zmienną niezmienioną”.

Aby uzyskać unikalne informacje na temat projektowania, obsługi i naprawy systemów turbodoładowania, odwiedź stronę internetową turbomaster.ru

Redakcja jest wdzięczna doktorowi nauk technicznych Georgowi Ter-Mkrtichyanowi za pomoc w przygotowaniu artykułu.

• Siergiej Samochin