Важным техническим показателем современного ДВС является степень сжатия, которая представляет собой отношение объема рабочего цилиндра, когда поршень находится в, так называемой, нижней мертвой точке (НМТ) к объему камеры сгорания.
Рост степени сжатия позволяет создавать наиболее подходящие условия для воспламенения ТВС (топливо-воздушной смеси) в камере сгорания, и как результат - более рационального использования выделяемой при этом энергии.
Особенности системы изменения сжатия
Степень сжатия изменяется в зависимости от типа используемого топлива и рабочих режимов двигателя. Подобные изменения учитываются и применяются системой изменения степени сжатия.
В бензиновых ДВС данный показатель ограничивается исключительно той областью, в которой происходит детонация ТВС . При малых нагрузках увеличение сжатия не приводит к процессу детонации, а вот при усиленных нагрузках детонация может достигнуть критической точки.
Двигатель с системой сжатия МСЕ-5
ДВС, оснащенный подобной системой, имеет достаточно сложную конструкцию, которая предполагает изменение характеристики рабочего хода поршней в цилиндрах.
Секатор зубчатый вступает во взаимодействие с рабочим поршнем и поршнем управления. Коромысло соединяется через рычаг с коленвалом.
Секатор движется под воздействием поршня управления. Камера над поршнем начинает заполняться маслом, объем которого строго контролируется специальным клапаном.
При перемещении секатора происходит изменение положении ВМТ поршня, и как следствие - изменение рабочего объема камеры сгорания при значительном интервале сжатия.
В настоящее время двигатель МСЕ-5 еще не пущен в серийное производство, но имеет неплохие перспективы развития в будущем.
Новую концепцию ДВС, оснащенного современной системой сжатия представила компания Lotus Cars. Это уникальный двухтактный двигатель, получивший название Omnivore, который позволяет использовать различные виды топлива - бензин, дизель, спирт, этанол и др.
Верхняя часть камеры оснащена шайбой, перемещение которой приводит к изменению объема камеры. Это позволяет обеспечить наивысшую степень сжатия - 40 к 1.
Несмотря на свою эффективность, подобная система сжатия в настоящее время не позволяет добиться хороших показателей относительно экономичного расхода топлива и экологичности двухтактного двигателя.
Двигатели с переменной степенью сжатия.Развитие двигателей и улучшение их мощностных и экономических показателей связано с повышением степени сжатия. Однако для бензиновых двигателей величина степени сжатия ограничивается появлением аномальных процессов сгорания. Одним из наиболее опасных его видов является калильное зажигание. Особенно опасно движение с калильным зажиганием при использовании , как с механическим приводом нагнетателя, так и при турбонаддуве. Увеличение температуры и давления заряда в цилиндре даже при высокооктановом бензине способствует перегреву поверхности камеры сгорания и преждевременному неуправляемому воспламенению смеси еще до появления искры. Обычно воспламенение происходит от электродов свечи или ее изолятора. При этом датчик детонации, как правило, не может четко фиксировать момент начала калильного зажигания, а может привести к появлению нагара и шунтирования при длительной работе на режимах малых нагрузок, например в условиях городского движения.
Но гораздо чаще мы сталкиваемся с другим видом аномального сгорания - детонацией. Это сгорание с высокими скоростями (до 2000 м/с) остаточной части топливовоздушного заряда в зоне наиболее удаленной от свечи. Сгорание сопровождается металлическими стуками, иногда неправильно называемыми "стуком ". При длительной работе с детонацией перегревается двигатель, начинается эрозия стенок , ломаются перемычки . Все эти явления особенно усугубляются при использовании наддува. Датчик детонации, автоматически устанавливающий более поздние углы опережения зажигания при появлении детонации, полностью проблемы не решает, т.к. при стишком поздних углах опережения зажигания повышается температура отработавших газов, начинается прогар выпускных клапанов, может даже треснуть коллектор и т.п. Поэтому большинство бензиновых двигателей с наддувом, даже при эффективной системе охлаждения наддувочного воздуха, имеют значительно меньшую степень сжатия (примерно на целую единицу при прочих равных условиях). В результате на основных эксплуатационных режимах (при движении по ровной дороге с постоянной скоростью, когда нагрузка не превышает 2/3 от полной) из-за низкой степени сжатия увеличение расхода топлива иногда доходит до 10-20%. Но на частичных нагрузках, когда давление и температура заряда в цилиндре снижаются, аномальных процессов можно не опасаться. Казалось бы, на этих режимах следовало поднять и степень сжатия. Давней мечтой двигателистов было создание устройства для изменения степени сжатия на ходу. Для автомобильных двигателей, работающих значительную часть времени на резко переменных нагрузках, основной проблемой является возможность изменять степень сжатия за доли секунды, например при переходе от режима холостого хода к полной нагрузке, особенно во время разгона автомобиля на низших передачах. Важной проблемой при создании двигателя с переменной степенью сжатия является также и постоянное ужесточение требований к выбросу оксидов азота, увеличивающихся при высоких температурах и давлении в процессе сгорания. Но использование для серийных двигателей трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов и микропроцессорных систем управления двигателем, включая управление зажиганием и механизмом изменения степени сжатия, позволяет решать эти проблемы. Дополнительным поводом повышенного интереса к созданию двигателя с переменной степенью сжатия с целью улучшения топливной экономичности, является особое внимание, уделяемое последнее время к количеству выброса С02, связанное с парниковым эффектом во всем мире. А для его снижения необходимо уменьшать расход топлива. Одновременно целесообразность оптимизации степени сжатия на различных режимах определяется все возрастающими требованиями к выбросу СО, СН и особенно оксидов азота.
Существует много оригинальных решений регулирования степени сжатия. Одним из них являлось выполнение дополнительной камеры в головке блока с клапаном, отключающим ее от основной камеры сгорания при переходе на частичные нагрузки. Основным недостатком данного решения является увеличение поверхности камеры сгорания и, соответственно, повышенным потерям в охлаждающую среду, перегрев клапана, газодинамические потери.
Аналогичным решением стало установка в головке цилиндров дополнительного поршня с гидроприводом, при перемещении которого изменялся объем камеры сгорания.
Другим направлением было изменение геометрии крейцкопфного кривошипно-шатунного механизма путем отклонения направляющего штока, или создание других вариантов кривошипно-шатунного механизма, позволяющих менять расположение поршня относительно головки цилиндра.
Оригинальным решением было применение составного телескопического поршня с гидроприводом, автоматически перемещающего днище поршня в зависимости от среднего давления в цилиндре: при увеличении наполнения, а следовательно, и давления газа в цилиндре, масло из рабочей полости выдавливается, днище утапливается в поршень и объем камеры сгорания увеличивается. Но эти двигатели в серийном производстве так и не появились из-за существенного усложнения конструкции. Кроме того, на изменение степени сжатия требовалось слишком много времени.
Реальное решение для изменения степени сжатия было применено на двигателях для определения октанового чиста топлива. Это достигалось перемещением цилиндра с головкой цилиндра относительно коленчатого вала. Однако для этих двигателей время на изменение степени сжатия не имеет решающего значения.
Для современного автомобиля оригинальная конструкция двигателя с переменной степенью сжатия с использованием этого же принципа была разработана фирмой известной многими смелыми прогрессивными решениями. Это особенно важно в связи с тем, что рядный 5-ти цилиндровый длинноходный двигатель 1,6 л (S/D=88/68MM) был оборудован объемным нагнетателем с механическим приводом, обеспечивающим давление наддува до 2,8 бар. Опоры коленчатого вала размещены в картере. Моноблок цилиндров выполнен заодно с головкой, в которой расположены клапаны и распределительные валы. Картер и моноблок имеют общую ось. Эксцентриковый механизм с шатуном по сигналу электронного блока управления поворачивает моноблок относительно картера в пределах 40градусов, при этом степень сжатия меняется от 8 (при работе с нагнетателем) до 14 (на режимах малых нагрузок). Двигатель развивает 165 кВт при 6000 об/мин (140 л.с.), максимальный крутящий момент - 305 Нм при 4000 об/мин. Такие мощностных показатели соответствуют обычному двигателю с рабочим объемом 3 л.
1. соединительный рычаг
2. шестерня синхронизации
3. стойка поршня
4. рабочий поршень
5. выпускной клапан
6. головка блока цилиндров
7. впускной клапан
8. поршень управления
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Японский автопроизводитель Nissan Motor представил новый тип бензинового двигателя внутреннего сгорания , который по некоторым параметрам превосходит продвинутые современные дизельные двигатели.
Новый двигатель Variable Compression-Turbo (VC-T) способен при необходимости изменять степень сжатия
газообразной горючей смеси, то есть изменять шаг хода поршней в цилиндрах ДВС. Этот параметр обычно является фиксированным. Судя по всему, VC-T станет первым в мире ДВС с изменяемой степенью сжатия смеси.
Степень сжатия - отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке (полный объём цилиндра) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке, то есть к объёму камеры сгорания.
Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность и увеличивает КПД двигателя, то есть способствует снижению расхода топлива.
В обычных бензиновых двигателях степень сжатия обычно составляет от 8:1 до 10:1, а в спортивных машинах и гоночных болидах может достигать 12:1 или больше. При повышении степени сжатия двигатель нуждается в топливе с бóльшим октановым числом.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
На иллюстрации показана разница в шаге поршней на разной степени сжатия: 14:1 (слева) и 8:1 (справа). В частности, демонстрируется механизм изменения степени сжатия от 14:1 к 8:1. Он происходит таким образом.
- В случае необходимости изменить степень сжатия активируется модуль Harmonic Drive и сдвигает рычаг актуатора.
- Рычаг актуатора поворачивает приводной вал (Control Shaft на схеме).
- Когда приводной вал поворачивается, он изменяет угол наклона многорычажной подвески (Multi-link на схеме)
- Многорычажная подвеска определяет высоту, на которую каждый поршень способен подняться в своём цилиндре. Таким образом, изменяется степень сжатия. Нижняя мёртвая точка поршня, судя по всему, остаётся прежней.
Изменение степени сжатия в ДВС можно в каком-то смысле сравнить с изменением угла атаки в винтах регулируемого шага - концепции, которая много десятилетий применяется в воздушных и гребных винтах. Изменяемый шаг винта позволяет поддерживать эффективность движителя близкой к оптимальной вне зависимости от скорости движения носителя в потоке.
Технология изменения степени сжатия ДВС даёт возможность сохранить мощность двигателя при соблюдении строгих нормативов к экономичности двигателя. Вероятно, это вообще самый реальный способ соблюсти эти нормативы. «Все сейчас работают над изменяемой степень сжатия и другими технологиями, чтобы значительно улучшить экономичность бензиновых двигателей, - говорит Джеймс Чао (James Chao), управляющий директор по Азиатско-Тихоокеанскому региону и консультант IHS, - По крайней мере последние двадцать лет или около того». Стоит упомянуть, что в 2000 году компания Saab показывала прототип такого двигателя Saab Variable Compression (SVC) для Saab 9-5, за который удостоилась ряда наград на технических выставках. Затем шведскую фирму купил концерн General Motors и прекратил работу над прототипом.
Двигатель Saab Variable Compression (SVC). Фото: Reedhawk
Двигатель VC-T обещают вывести на рынок в 2017 году с автомобилями марки Infiniti QX50. Официальная презентация назначена на 29 сентября на Парижском автосалоне. Этот двухлитровый четырёхцилиндровый двигатель будет обладать примерно такой же мощностью и крутящим моментом, что и 3,5-литровый двигатель V6, место которого займёт, но обеспечит экономию топлива 27%, по сравнению с ним.
Инженеры Nissan говорят также, что VC-T будет дешевле, чем современные продвинутые дизельные двигатели с турбонаддувом, и будет полностью соответствовать современным нормам на выбросы оксида азота и других выхлопных газов - такие правила действуют в Евросоюзе и некоторых других странах.
После Infiniti новыми двигателями планируется оснащать другие автомобили Nissan и, возможно, партнёрской компании Renault.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Можно предположить, что усложнённая конструкция ДВС в первое время вряд ли будет отличаться надёжностью. Есть смысл выждать несколько лет, прежде чем покупать автомобиль с двигателем VC-T, если только вы не хотите участвовать в тестировании экспериментальной технологии.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Японский автопроизводитель Nissan Motor представил новый тип бензинового двигателя внутреннего сгорания, который по некоторым параметрам превосходит продвинутые современные дизельные двигатели.
Новый двигатель Variable Compression-Turbo (VC-T) способен при необходимости изменять степень сжатия газообразной горючей смеси, то есть изменять шаг хода поршней в цилиндрах ДВС. Этот параметр обычно является фиксированным. Судя по всему, VC-T станет первым в мире ДВС с изменяемой степенью сжатия смеси.
Степень сжатия - отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра двигателя внутреннего сгорания при положении поршня в нижней мёртвой точке (полный объём цилиндра) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке, то есть к объёму камеры сгорания.
Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность и увеличивает КПД двигателя, то есть способствует снижению расхода топлива.
В обычных бензиновых двигателях степень сжатия обычно составляет от 8:1 до 10:1, а в спортивных машинах и гоночных болидах может достигать 12:1 или больше. При повышении степени сжатия двигатель нуждается в топливе с бóльшим октановым числом.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
На иллюстрации показана разница в шаге поршней на разной степени сжатия: 14:1 (слева) и 8:1 (справа). В частности, демонстрируется механизм изменения степени сжатия от 14:1 к 8:1. Он происходит таким образом.
- В случае необходимости изменить степень сжатия активируется модуль Harmonic Drive и сдвигает рычаг актуатора.
- Рычаг актуатора поворачивает приводной вал (Control Shaft на схеме).
- Когда приводной вал поворачивается, он изменяет угол наклона многорычажной подвески (Multi-link на схеме)
- Многорычажная подвеска определяет высоту, на которую каждый поршень способен подняться в своём цилиндре. Таким образом, изменяется степень сжатия. Нижняя мёртвая точка поршня, судя по всему, остаётся прежней.
Изменение степени сжатия в ДВС можно в каком-то смысле сравнить с изменением угла атаки в винтах регулируемого шага - концепции, которая много десятилетий применяется в воздушных и гребных винтах. Изменяемый шаг винта позволяет поддерживать эффективность движителя близкой к оптимальной вне зависимости от скорости движения носителя в потоке.
Технология изменения степени сжатия ДВС даёт возможность сохранить мощность двигателя при соблюдении строгих нормативов к экономичности двигателя. Вероятно, это вообще самый реальный способ соблюсти эти нормативы. «Все сейчас работают над изменяемой степень сжатия и другими технологиями, чтобы значительно улучшить экономичность бензиновых двигателей, - говорит Джеймс Чао (James Chao), управляющий директор по Азиатско-Тихоокеанскому региону и консультант IHS, - По крайней мере последние двадцать лет или около того». Стоит упомянуть, что в 2000 году компания Saab показывала прототип такого двигателя Saab Variable Compression (SVC) для Saab 9-5, за который удостоилась ряда наград на технических выставках. Затем шведскую фирму купил концерн General Motors и прекратил работу над прототипом.
Двигатель Saab Variable Compression (SVC). Фото: Reedhawk
Двигатель VC-T обещают вывести на рынок в 2017 году с автомобилями марки Infiniti QX50. Официальная презентация назначена на 29 сентября на Парижском автосалоне. Этот двухлитровый четырёхцилиндровый двигатель будет обладать примерно такой же мощностью и крутящим моментом, что и 3,5-литровый двигатель V6, место которого займёт, но обеспечит экономию топлива 27%, по сравнению с ним.
Инженеры Nissan говорят также, что VC-T будет дешевле, чем современные продвинутые дизельные двигатели с турбонаддувом, и будет полностью соответствовать современным нормам на выбросы оксида азота и других выхлопных газов - такие правила действуют в Евросоюзе и некоторых других странах.
После Infiniti новыми двигателями планируется оснащать другие автомобили Nissan и, возможно, партнёрской компании Renault.
Двигатель VC-T. Изображение: Nissan
Можно предположить, что усложнённая конструкция ДВС в первое время вряд ли будет отличаться надёжностью. Есть смысл выждать несколько лет, прежде чем покупать автомобиль с двигателем VC-T, если только вы не хотите участвовать в тестировании экспериментальной технологии.
Недавно на автосалоне в Париже марка Infiniti (читай, альянс Renault-Nissan) представила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Фирменная технология Variable Compression-Turbocharged (VC-T) позволяет варьировать эту самую степень, буквально высасывая все соки из двигателя.
В «идеальной вселенной» правило простое - чем выше степень сжатия топливо-воздушной смеси, тем лучше. Смесь максимально расширяется, поршни движутся как заведенные, следовательно, мощность и КПД мотора максимальны. Другими словами, топливо сжигается чрезвычайно эффективно.
Все было бы замечательно, если б не сама природа топлива. В ходе издевательств его терпению когда-то наступает предел: чем ровнее сгорает смесь - тем лучше, но при высоких нагрузках (высокая степень сжатия, большие обороты) смесь начинает взрываться, а не сгорать. Такое явление называется детонацией, и эта штука весьма разрушительна. Стенки камеры сгорания и сам поршень испытывают серьезные ударные нагрузки и постепенно, но довольно быстро разрушаются. Кроме того, падает эффективность мотора - нормальное рабочее давление на поршень падает.
Таким образом, наиболее выгодный вариант - когда двигатель в любом режиме работает на грани детонации, не допуская этого явления. Инженеры Infiniti составили график, на котором обозначили для себя эффективные режимы работы двигателя в зависимости от нагрузки, величины оборотов и степени сжатия топливо-воздушной смеси. (На самом деле эффективность сгорания топлива можно повышать и другими способами, например, увеличением количества клапанов на цилиндр, настройкой графика их работы, даже выбором места над поршнем, куда направляется впрыск порции топлива. Конечно, мы об этом помним.) Первые два параметра, понятно, зависят как от внешних факторов, так и от тщательного подбора трансмиссии. А третий - степень сжатия - также решено было изменять в пределах от 8:1 до 14:1.
Технически это выглядит как введение в конструкцию кривошипно-шатунного механизма дополнительного элемента - коромысла между шатуном и коленвалом. Коромысло управляется электромотором - рычаг можно сдвигать таким образом, что диапазон хода поршня варьируется в пределах 5 мм. Этого достаточно для существенного изменения степени сжатия.
Достоинств без недостатков не бывает. На первый взгляд, они очевидны: увеличение сложности конструкции, некоторая прибавка в весе... Однако насчет этих минусов грех жаловаться - двигатель получился очень сбалансированным, благодаря чему из конструкции были выведены балансировочные валы. Вероятно также, что двигатель особо чувствителен к марке и качеству топлива. Думается, эта проблема - во всяком случае, в значительной степени - решается программными методами.
Поскольку в названии технологии присутствует слово Turbocharged, очевидно, что такие моторы будут турбированными. Первый из них - двухлитровый 270-сильный встанет под капот кроссовера Infiniti QX50. Уверяют, что двигатель с изменяемой степенью сжатия потребляет на целых 27% меньше топлива, чем обычный мотор аналогичного объема. Цифра крайне внушительная. Надо думать, что и экологичность (количество выбросов вредных веществ) у него на высоте.