Система изменения степени сжатия

Подробная информация о первом в мире бензиновом серийном двигателе с изменяемой степенью сжатия. Ему предсказывают большое будущее и говорят, что разработанная Инфинити технология станет большой угрозой для существования дизельных моторов.

Бензиновый поршневой двигатель, который может динамически изменять степень сжатия*, то есть величину, на которую поршень сжимает топливовоздушную смесь в цилиндре, давняя мечта многих поколений инженеров, разрабатывавших двигатели внутреннего сгорания. Некоторые автомобильные марки были как никогда близки к разгадке теории, были сделаны даже образцы таких моторов, например, успехов в этом достиг Saab.

Возможно у шведского автопроизводителя сложилась бы совершенно иная судьба, если бы в январе 2000 года Saab не был окончательно приобретен корпорацией General Motors. К сожалению, для заокеанского хозяина были не интересны подобные разработки и дело было приостановлено.

*Степень сжатия- объём камеры сгорания в момент, когда поршень находится в нижней мертвой точке, к объему, когда он подминается к верхней мертвой точке. Иными словами, это показатель сжатия поршнем воздушно-топливной смеси в цилиндре

Основной соперник был сломлен и Nissan, как второй потенциальный разработчик инновационной системы с изменяемым коэффициентом сжатия, продолжил путь в гордом одиночестве. 20 лет кропотливого труда, расчетов и моделирования не прошли даром, люксовое подразделение японской компании известное под брендом Infiniti представило окончательную разработку двигателя с изменяемой степенью сжатия который мы увидим под капотом модели . Станет ли ее разработка лебединой песней всех дизельных двигателей? Вопрос интересный.

2.0 литровый четырехцилиндровый турбированный силовой агрегат (расчетная мощность 270 л.с. и 390 Нм крутящего момента) получил наименование VC-T (Variable Compression-Turbocharged). Уже в названии отражены принцип его работы и технические данные. Система VC-T способна плавно и непрерывно динамически изменять степень сжатия от показателя 8:1 до 14:1.

Общий принцип действия системы двигателя VC-T можно описать следующим образом:

Это схематичное простое описание принципа работы системы. На самом деле конечно же все гораздо сложнее.

Действительно силовые агрегаты с низкой степенью сжатия не могут обладать высокой производительностью. Все мощные двигатели, в особенности у гоночных машин, как правило, имеют очень высокую степенью сжатия, у многих болидов она превышает 12:1, и даже доходит до 15:1 у двигателей работающих на метаноле. Тем не менее такая высокая степень сжатия также способна сделать моторы более эффективными и экономичным. Это наводит на логичный вопрос, почему бы не делать двигатели, которые бы всегда обладали высокой степенью сжатия воздушно-топливной смеси? Зачем городить огород со сложными системами привода поршней?

Главная причина невозможности использования такой системы при работе на обычном низкооктановом топливе- появление при высокой степени сжатия и высокой нагрузке детонации. Бензин начинает не сгорать, а взрываться. Что понижает выживаемость узлов и агрегатов мотора и снижает его экономичность. По сути у бензинового двигателя происходит тоже самое, что и у мотора, работающего на ДТ, за счет высокого сжатия воспламеняется топливовоздушная смесь, правда происходит это не в нужный момент и это не предусмотрено конструкцией мотора.

В моменты «кризиса» сгорания топливо-воздушной смеси и приходит на помощь изменяемая степень сжатия, которая способна снижаться в моменты пиковой мощности с максимальным нагнетанием давления наддувом турбокомпрессора, что предотвратит мотор от детонации. И наоборот, во время работы на малых оборотах с малым давлением наддува, степень сжатия будет повышаться, увеличивая тем самым крутящий момент и снижая расход топлива.

В дополнение к этому, двигатели оснащаются системой регулируемых фаз газораспределения, что делает возможной работу двигателя по циклу Аткинсона в то время, когда от мотора не требуется отдачи высоких мощностных показателей.

Такие моторы обычно встречаются у гибридных автомобилей, главным для которых является экологичность и малый расход топлива.

Результатом всех проведенных изменений стал двигатель, который способен на 27 процентов увеличить топливную экономичность в сравнении с 3,5-литровым V6 Nissan обладающего примерно так же мощностью и крутящим моментом. По информации Reuters, на пресс-конференции инженеры компании Nissan заявил, что новый двигатель обладает крутящим моментом сопоставимым с показателями современного турбодизеля, и при этом он должен быть дешевле в производстве, чем любой современный турбодизельный мотор.

Вот почему Ниссан делает такую большую ставку на разработанную систему, ведь в его представлении она имеет потенциал, способный частично заменить дизельные двигатели по многим параметрам использования, возможно, включая более дешевые варианты для стран, где бензин является основным видом топлива, примером такой страны может быть и Россия.

Если идея приживется, в будущем наверняка появятся двухцилиндровые бензиновые силовые агрегаты, которые неплохо подойдут . Это может стать одной из веток развития системы.

Гибкость двигателя кажется впечатляющей. Технически такого эффекта удалось добиться при помощи, особого рычага привода воздействующего на вал привода, изменяющего положение многорычажной системы, вращающейся вокруг главного подшипника шатуна. Справа к многорычажной системе крепится еще один рычаг идущий от электродвигателя. Он изменяет положение системы относительно коленчатого вала. Это отражено в патенте и чертежах Infiniti. Шток поршня имеет центральную поворотную многорычажную систему, которая способна изменять свой угол, что приводит к изменению эффективной длины штока поршня, что в свою очередь изменяет длину хода поршня в цилиндре, которое, что в конечном итоге, изменяет степень сжатия.

Двигатель, разработанный для Infiniti даже с первого взгляда, выглядит гораздо более сложным, чем его классический соплеменник. Косвенно догадку подтверждают в самом Ниссан. Они говорят, что экономически оправданно по такой схеме делать четырехцилиндровые моторы, но не более сложные V6 или V8. Стоимость всех систем привода шатунов может оказаться слишком высокой.

С учетом всего вышесказанного эта схема двигателя должна, нет, просто обязана, прижиться на . Такая отдача мощности и экономичность будет непревзойденным бонусом для машин, оборудованных ДВС и электродвигателями.

Двигатель VC-T будет официально представлен 29 сентября на Парижском автосалоне.

P.S. Так вытеснит ли новый бензиновый двигатель дизельные моторы? Вряд ли. Во-первых, констукция бензинового мотора более сложная, а значит и более прихотливая. Ограничение по объему также ограничивает диапазон применения технологии. Производство дизельного топлива также никто не отменял, куда его девать, если все перейдут на бензин? Выливать? Складировать? И наконец, применение дизельных агрегатов (простой конструкции) отлично подходит для сложных природных условий, чего нельзя сказать о бензиновых ДВС.

Скорее всего уделом новой разработки станут гибридные автомобили и современные малолитражки. Что тоже по-своему немалая часть автомобильного рынка.

Введение

В настоящее время повышение топливной экономичности бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по-прежнему является актуальной научно-технической задачей. Одним из направлений улучшения экономичности двигателей является регулирование степени сжатия на частичных нагрузках. В таких ДВС реализация переменной степени сжатия требует серьезного вмешательства в конструкцию как самого двигателя, так и силового механизма, что определенным образом сказывается на параметрах рабочего процесса.

В разработке силового механизма уже достигнуты определенные успехи. В последние годы в двигателях с регулируемой степенью сжатия применяются нетрадиционные силовые механизмы, которые характеризуются сложностью, ненадежностью и неэффективностью конструкции. Многие фирмы и исследовательские организации проводят исследования, цель которых – создание силового механизма, обеспечивающего наилучшие эффективные показатели двигателя при регулировании степени сжатия. С сегодняшней точки зрения в автомобильном ДВС перспективным является использование кривошипно-кулисного силового механизма.

В настоящей работе представлены первые результаты работ, направленных на разработку бесшатунного двигателя с кривошипно-кулисным механизмом, обеспечивающим изменение степени сжатия в широких пределах.

Обзор и анализ работ по двигателям с переменной степенью сжатия

Работы по разработке двигателей с переменной степенью сжатия (Ɛх) ведутся в США, Японии, Германии, Австралии, Швейцарии, России и др. странах. К настоящему времени известно большое множество двигателей с различной конструкцией силового механизма, обеспечивающего Ɛх. Так, в двухтактном двигателе со встречно-движущимися поршнями степень сжатия изменяется с помощью дополнительных балансиров с эксцентриками, связанных с коленчатым валом через шатуны.

Работоспособные образцы аксиальных двигателей с Ɛх были созданы в США, России и других странах. В таких двигателях приводным механизмом является косая шайба с переменным углом наклона, который изменяет ход поршня (S) и соответственно степень сжатия. Недостатками этих двигателей являются повышенные потери на трение (до 20%) и низкая надежность, а также большие инерционные нагрузки на силовой вал.

Более интересные и надежные решения изменения степени сжатия посредством регулирования S найдены в конструкциях ДВС с плоским механизмом. В предложенном инженером Н. Pouliot и разработанном фирмами Sandia (США) и ERDA (Австралия) двигателе при изменении хода поршня в пределах S = 25,4 … 108 мм степень сжатия изменяется от 6,3 до 8. Топливная экономичность автомобиля с двигателем Н. Pouliot по ездовым циклам ЕРА для города и шоссейных дорог составляет 20%.

В последние годы концерн DaimlerChrysler совместно с ГНЦ НАМИ разработал двигатель с траверсным механизмом изменения S . Степень сжатия в этом двигателе изменяется от 7,5 до 14, экономия топлива превышает 15%.

Анализ двигателей с Ɛх за счет регулирования S показал следующие недостатки:

Согласно потери на трение в двигателе с S = var на 40% больше, чем в классическом ДВС и это различие резко возрастает с увеличением частоты вращения коленчатого вала;

Существенные потери индикаторной мощности двигателя на привод изменения S;

Уменьшение S при неизменном диаметре поршня ведет к снижению турбулентности в цилиндре вследствие уменьшения скорости во впускных клапанах. В этом случае увеличивается продолжительность сгорания и теплоотдача в стенки, что приводит к росту индикаторного расхода топлива;

С уменьшением S резко возрастают выбросы СН вследствие увеличения поверхности камеры сгорания и падения температуры сгорания.

Анализ ДВС с известными силовыми механизмами свидетельствует, что максимальное значение степени сжатия на частичных режимах не превышает 14 из-за большого темпа роста потерь на трение по мере увеличения Ɛх. Это ограничивает возможность дальнейшего повышения эффективного КПД за счет увеличения степени сжатия свыше 14.

Среди других ДВС бесшатунный двигатель с кривошипно-кулисным силовым механизмом (ККМ)

6, 7 имеет наибольший потенциал по использованию переменной степени сжатия. Отличительной особенностью схемы двигателей с ККМ являются малые потери на трение во всем диапазоне нагрузок и частоты вращения, полная динамическая уравновешенность, компактность и малая удельная масса. Кроме того, в этом ДВС намного проще и эффективнее реализуется переменная степень сжатия, что в целом повышает показатели двигателя.

В АДИ ДонНТУ создан на базе двигателя экспериментальный одноцилиндровый бесшатунный ДВС с Ɛх. Двигатель (рис. 1) представляет собой двухвальный поршневой двигатель с кривошипнокулисным механизмом, в котором усилие от поршня передается на коленчатые валы через шток, механизм изменения степени сжатия и кулису с ползунами, установленными на кривошипных шейках. Коленчатые валы связаны между собой посредством двух одинаковых шестерен.

Рис. 1. Схема бесшатунного двигателя

(механизм изменения степени сжатия не показан):

1 – шток, 2 – кулиса

Результаты экспериментальных исследований показали:

– регулирование Ɛх на частичных нагрузках работающего двигателя в диапазоне от 7 до 19 повышает топливную экономичность более чем на 30 %;

– устройство изменения Ɛх имеет высокую чувствительность и способность быстро реагировать на по явление детонации. Начальная стадия развития детонации происходит в 1…3-х рабочих циклах двигателя, а затем детонация полностью исчезает;

– на привод механизма изменения Ɛх затрачивается незначительная энергия (приблизительно 0,1…0,2 % максимальной мощности двигателя);

– регулирование Ɛх во время работы двигателя не оказывает влияния на кинематику ККМ.

Влияние силового механизма на газораспределение в двигателе

На кафедре автомобилей и двигателей АДИ ДонНТУ были проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования бесшатунного и

классического ДВС с переменной степенью сжатия.

Одной из задач этих исследований было выявление влияния силового механизма на работу двигателя при регулировании степени сжатия.

Применение в бесшатунном двигателе кривошипно-кулисного механизма приводит к изменению кинематики поршня. В отличие от классического в

бесшатунном двигателе поршень перемещается по косинусоидальному закону. В результате скорость поршня вблизи в.м.т. (рис. 2) снижается, а около н.м.т. увеличивается. Это приводит к изменению фаз газораспределения в бесшатунном двигателе относительно классического ДВС.

Рис. 2. Зависимость скорости поршня от угла

поворота коленчатого вала для двигателей с ККМ (=0) и

КШМ при n = 4500 мин-1

Изменение степени сжатия перемещением цилиндра относительно картера приводит в двухтактном двигателе к изменению высоты открытия впускного,

выпускного и продувочных окон и соответствующих фаз газораспределения.

Как показывают расчеты, кинематика поршня оказывает существенное влияние на фазы газораспределения. Применение ККМ, уменьшая время-сечение

А’ вып выпускного окна в среднем на 11% (рис 3) относительно двигателя с КШМ, усиливает влияние регулирования степени сжатия на процессы газообмена.

Однако характер зависимости время-сечения от степени сжатия остается неизменным. Это позволяет при изменении степени сжатия от 7 до 17 уменьшить величину А’вып более чем на 30 % независимо от силового механизма.

Следует отметить, что снижение А’вып на частичных нагрузках и при малых частотах вращения коленчатого вала является положительным, так как позволяет сократить потери свежего заряда при продувке и улучшить экономичность двигателя.

Рис. 3. Изменение время-сечения выпускного окна от

степени сжатия для двигателей с ККМ и КШМ

Влияние силового механизма на индикаторные и эффективные показатели двигателя

Изменение кинематики поршня в бесшатунном двигателе, оказывает существенное влияние на рабочий процесс. В этом двигателе уменьшение скорости поршня в районе в.м.т. приводит к снижению тепловых потерь в процессе сгорания и увеличению степени последующего расширения.

Результаты экспериментального исследования показали положительное влияние кинематики поршня бесшатунного двигателя на его индикаторные показатели. Так, например, при N e = 0,8 кВт, n = 3000 мин-1

и Ɛх = 7,7 удельный индикаторный расход топлива ниже более чем на 11 % по сравнению с исследуемым классическим двигателем. Очевидно, это связано со снижением прямых потерь смеси в процессе газообмена, а также лучшим протеканием процесса сгорания.

Анализ полученных данных показал, что увеличение степени сжатия в бесшатунном двигателе сопровождается более равномерным повышением индикаторных показателей. При высоких степенях сжатия влияние кинематики поршня на улучшение индикаторных показателей двигателя усиливается.

Повышение топливной экономичности бесшатунного двигателя связано не только с кинематикой поршня, но и с малыми механическими потерями.

Из результатов экспериментальных исследований механических потерь в бесшатунном и классическом двигателях видно, что в бесшатунном двигателе механические потери при одинаковых Ne и Ɛх во всех случаях ниже (рис. 4). Кроме того, с повышением степени сжатия разница в величине механических потерь существенно возрастает.

Рис. 4. Влияние Ɛх на механические потери в

двигателях с ККМ и КШМ: N e = 0,4 кВт, n = 3000 мин-1

Так, при степени сжатия 7,7 механические потери в бесшатунном двигателе ниже, чем в классическом ДВС на 1,5…2 %, а при Ɛх = 17,1 - на 26 %. Это связано с различным характером зависимости среднего давления механических потерь p м для различных ДВС при изменении степени сжатия. В бесшатунном двигателе зависимость p м = f(x) носит почти линейный характер, в то время как в двигателе с КШМ –степенной характер.

Выявленные преимущества бесшатунного двигателя по индикаторным показателям и механическим потерям существенно проявляются на его эффективных показателях.

Полученные опытным путем зависимости индикаторных и эффективных показателей (рис. 5) показывают целесообразность использования кривошипно-кулисного механизма в двигателях с регулированием степени сжатия.

В бесшатунном двигателе в отличие от классического удельный эффективный расход топлива снижается с повышением степени сжатия свыше 14 на всех скоростных и нагрузочных режимах. Это позволяет устанавливать Ɛх в бесшатунном двигателе на максимально возможном уровне - по началу детонации (или самовоспламенению бензомасляной смеси в двухтактном двигателе).

Рис. 5. Зависимость показателей двигателей с КШМ

и ККМ от нагрузки при регулировании

степени сжатия: n = 3000 мин-1

В исследуемом двигателе с КШМ степень сжатия для различных режимов изменялась от 10 до 14 и ограничивалась увеличением величины g e из-за роста механических потерь. Таким образом, в двигателе с ККМ использование Ɛх может повысить топливную экономичность на малых нагрузках более чем на 15% по сравнению с двигателем с КШМ и изменяемой степенью сжатия, а по отношению к классическому двигателю с фиксированной степенью сжатия - на 30…45 %.

Заключение

Представленные результаты показывают, что применение в бензиновом двигателе регулирования степени сжатия на частичных режимах может существенно улучшить его топливную экономичность.

Рассмотрены варианты принципиальных схем силового механизма, связанные с реализацией переменной степени сжатия применительно к автомобильному двигателю. В ДВС с известными силовыми механизмами максимальная переменная степень сжатия не превышает 14 вследствие значительного роста с повышением Ɛх потерь на трение, что ограничивает возможность дальнейшего улучшения эффективного КПД двигателя.

Более высокая топливная экономичность при регулировании степени сжатия достигается в бесшатунном двигателе с кривошипно-кулисным механизмом.

Используя ККМ в бензиновом двухтактном двигателе, удалось снизить механические потери на 26 %, повысить топливную экономичность на 30…45 %. Кроме того, анализ работ свидетельствует о значительном

превосходстве двигателей с ККМ по вибрации и шуму, уравновешенности, компактности и удельной мощности. В таких двигателях конструктивно проще и намного эффективнее реализуется переменная степень сжатия.

Дополнительно к первым результатам, изложенным в настоящей статье, необходимо выполнить большой объем исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке и созданию бесшатунного бензинового двигателя с переменной степенью сжатия.

Список литературы:

1. Tumoney S.G. Variable compression ratio diesel engine // Intersoc Energy Convers. – Eng. Conf. – Boston.

Mass. – 1971. – P. 356 – 363. 2. Welsh H.W., Riley C.T.

The Variable Displacement Engine: An Advanced Concept Power Plant // SAE Paper. – 1971. – № 710830. 3.

Кутенев В.Ф., Зленко М.А., Тер-Мкртичьян Г.Г.

Управление движением поршней - неиспользованный

резерв улучшения мощностных и экономических пока-

зателей дизеля // Автомобильная промышленность. –

1998. – № 11. – С. 25 – 29. 4. Pouliot H.N., Robinson C.W., Delameter W.R. A Variable – Displacement

Spark – Ignition Engine. Final Report // Report No.

SAND 77 – 8299, Sandia Laboratories. – California,

1978. 5. Еремкин В. Экспорт Технологий // Авто Ревю.

– 2000. – № 5. – С. 32. 6. Мищенко Н.И. Нетрадици-

онные малоразмерные двигатели внутреннего сгора-

ния. В 2 т. Т. 1. Теория, разработка и испытание не-

традиционных двигателей внутреннего сгорания. –

Донецк: Лебедь, 1998. – 228 c. 7. Neuer Motor – Typ vor

der Serienreife: Auberge wohnliche Laufrune. Ind // ANZ.

– 1990. – Vol. 112, № 102. – S. 23.

Тесно связана с к.п.д. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания. Эти ограничения имеют особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации. Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности желательно снижать степень сжатия, однако если степень сжатия будет малой для всех диапазонов работы двигателя, это приведет к снижению мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках. При этом значения степени сжатия, как правило, выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Заведомо ухудшая экономичность двигателей, это особенно сильно проявляется при работе на частичных нагрузках. Между тем, снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей и т.п. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.

Повсеместное применение в конструкциях двигателей сделало направление этой работы еще более актуальным. Дело в том, что при наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, в связи с чем их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува максимальные давления рабочего цикла (т.е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или будут изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл, а, следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки на его детали могут не увеличиваться, что позволяет форсировать двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.

Очень существенным для нормального протекания процесса сгорания в двигателе с изменяющейся степенью сжатия является правильный выбор формы камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Изменение фронта распространения пламени должно быть очень оперативным, чтобы учитывать различные режимы работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Учитывая применение дополнительных деталей в кривошипно-шатунном механизме, необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом трения, чтобы не потерять преимуществ при применении изменяющейся степени сжатия.

Один из наиболее распространенных вариантов двигателя с изменяющейся степенью сжатия показан на рисунке.

Рис. Схема двигателя с изменяющейся степенью сжатия:
1 – шатун; 2 – поршень; 3 – эксцентриковый вал; 4 - дополнительный шатун; 5 – шатунная шейка коленчатого вала; 6 – коромысло

На частичных нагрузках дополнительный 4 занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия при этом максимальна. При высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна 4. При этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия.

В 2000 году в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия. Его уникальные особенности позволяют достигать мощности в 225 л.с. при рабочем объеме в 1,6 л. и сохранять расход топлива сравнимого с вдвое меньшим двигателем. Возможность бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте.

Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, т. е. единым блоком, а не раздельно как у обычных двигателей. Отдельный блок представляет собой также блок-картер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на расположенную в блоке ось 1, служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3 управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.

Рис. Двигатель с изменяющейся степенью сжатия SAAB:
1 – ось; 2 – резиновый чехол; 3 – шатун; 4 – эксцентриковый вал.

Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия.

При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается. Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной оси – 4%.

На минимальной частоте вращения коленчатого вал и сбросе подачи топлива, а также при малых нагрузках, моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия – 14). Система наддува отключается, и воздух поступает в двигатель напрямую.

Под нагрузкой, за счет поворота эксцентрикового вала, шатун отклоняет моноблок в сторону, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия – 8). При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением.

Рис. Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах:
1 – дроссельная заслонка; 2 – перепускной клапан; 3 – сцепление; а – на малой частоте вращения коленчатого вала; б – на нагрузочных режимах

Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого вала, степени нагрузки, вида топлива и др. параметров.

В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува 2,8 кгс/см2.

Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.

Французская фирма МСЕ-5 Development, разработала для концерна «Пежо-Ситроен», двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR (Variable Compression Ratio). В этом решении применена оригинальная кинематика кривошипно-шатунного механизма.

В данной конструкции передача движения от шатуна на поршни осуществляется через двойной зубчатый сектор 5. С правой стороны двигателя расположена опорная зубчатая рейка 7, на которую опирается сектор 5. Такое зацепление обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня цилиндра, который соединен с зубчатой рейкой 4. Рейка 7 соединена с поршнем 6 управляющего гидроцилиндра.

В зависимости от режима работы двигателя по сигналу блока управления двигателем изменяется положение поршня 6 управляющего цилиндра, связанного с рейкой 7. Смещение рейки управления 7 вверх или вниз изменяет положение ВМТ и НМТ поршня двигателя, а вместе с ними и степени сжатия от 7:1 до 20:1 за 0,1 с. В случае необходимости имеется возможность изменения степени сжатия для каждого цилиндра в отдельности.

Рис. Двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR:
1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – зубчатый опорный ролик; 4 – зубчатая рейка поршня; 5 – зубчатый сектор; 6 – поршень управляющего цилиндра; 7 – опорная зубчатая рейка управления.

За более чем столетний жизненный путь двигатель внутреннего сгорания (ДВС) настолько преобразился, что от родоначальника остался только принцип действия. Почти все этапы модернизации были направлены на повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя. Показатель КПД можно назвать универсальным. В нем скрыты многие характеристики - расход топлива, мощность, крутящий момент, состав выхлопных газов и т.д. Широкое применение новых технических идей - впрыск топлива, электронные системы зажигания и управления двигателем, 4, 5 и даже 6 клапанов на цилиндр - сыграло положительную роль в повышении КПД двигателей.

Тем не менее, как показал Женевский автосалон, до завершения процесса модернизации ДВС еще далеко. На этом популярном международном автошоу компания SAAB представила результат своего 15-летнего труда - опытный образец нового двигателя с изменяемой степенью сжатия - SAAB Variable Compression (SVC), ставший сенсацией в мире моторов.

Технология SVC и ряд других передовых и нетрадиционных с точки зрения существующих понятий о ДВС технических решений позволили снабдить новинку фантастическими характеристиками. Так, пятицилиндровый двигатель объемом всего 1,6 л, созданный для обычных серийных машин, развивает немыслимую мощность 225 л.с. и крутящий момент 305 Нм. Превосходными оказались и другие, особенно важные сегодня, характеристики - расход топлива при средних нагрузках снижен на целых 30%, на столько же уменьшен показатель выбросов СО2. Что касается СО, СН и NОx и т.д., то они, по утверждению создателей, соответствуют всем существующим и планируемым на ближайшее будущее нормам токсичности. В дополнение к этому переменная степень сжатия дает двигателю SVC возможность работать на различных марках бензина - от А-76 до Аи-98 - практически без ухудшения характеристик и исключая появление детонации.

Безусловно, существенная заслуга таких характеристик - в технологии SVC, т.е. в возможности изменять степень сжатия. Но перед тем, как познакомиться с устройством механизма, позволившим изменять эту величину, вспомним некоторые истины из теории конструкции ДВС.

Степень сжатия

Степень сжатия - это отношение суммы объемов цилиндра и камеры сгорания к объему камеры сгорания. С увеличением степени сжатия в камере сгорания повышаются давление и температура, что создает более благоприятные условия для воспламенения и сгорания горючей смеси и повышает эффективность использования энергии топлива, т.е. КПД. Чем степень сжатия выше, тем КПД больше.

Проблем с созданием бензиновых моторов с высокой степенью сжатия нет и не было. А не делают их по следующей причине. При такте сжатия у таких двигателей давление в цилиндрах повышается до очень больших величин. Это, естественно, вызывает повышение температуры в камере сгорания и создает благоприятные условия для появления детонации. А детонация, как мы знаем (см. стр. 26) - явление опасное. Во всех созданных до этого времени двигателях степень сжатия была постоянной и определялась в зависимости от давления и температурного режима в камере сгорания при максимальной нагрузке, когда расход топлива и воздуха максимальны. Работает двигатель в таком режиме не всегда, можно сказать, даже очень редко. На трассе или в городе, когда скорость практически постоянна, мотор работает при малых или средних нагрузках. В такой ситуации для более эффективного использования энергии топлива неплохо бы иметь и большую степень сжатия. Эту проблему решили инженеры SAAB - создатели технологии SVC.

Технология SVC

Прежде всего необходимо отметить, что в новом двигателе вместо традиционной головки блока и гильз цилиндров, которые отливались непосредственно в блоке или запрессовывались, имеется одна моноголовка, объединившая головку блока и гильзы цилиндров. Для изменения степени сжатия, а точнее, объема камеры сгорания моноголовка сделана подвижной. С одной стороны она посажена на вал, выполняющий функцию опоры, а с другой - опирается и приводится в движение отдельным кривошипно-шатунным механизмом. Радиус кривошипа обеспечивает смещение головки относительно вертикальной оси на 40. Этого вполне достаточно, чтобы изменять объем камеры для получения степени сжатия от 8:1 до 14:1.

Необходимую степень сжатия определяет электронная система управления двигателем SAAB Trionic, которая следит за нагрузкой, скоростью, качеством топлива и на основании этого управляет гидроприводом кривошипа. Так, при максимальной нагрузке устанавливается степень сжатия 8:1, а при минимальной - 14:1. Объединение гильз цилиндров с их головкой, кроме всего прочего позволило инженерам SAAB придать каналам рубашки охлаждения более совершенную форму, что повысило эффективность процесса отвода тепла от стенок камеры сгорания и гильз цилиндров.

Подвижность гильз цилиндров и их головки потребовали внесения изменений в конструкцию блока двигателя. Плоскость стыка блока и головки стала ниже на 20 см. Что касается герметичности стыка, то она обеспечивается резиновой гофрированной прокладкой, которая сверху защищена от повреждений металлическим кожухом.

Мал, да удал

Для многих может стать непонятным, как в двигатель с таким небольшим объемом «зарядили» больше двухсот «лошадей» - ведь такая мощность может отрицательно сказаться на его ресурсе. Создавая двигатель SVC, инженеры руководствовались совсем другими задачами. Доведение моторесурса до требуемых норм - дело технологов. Что касается малого объема двигателя, то сделано в полном соответствии с теорией ДВС. Исходя из ее законов наиболее благоприятный режим работы двигателя с точки зрения повышения КПД - при большой нагрузке (на повышенных оборотах), когда дроссельная заслонка полностью открыта. В этом случае он максимально использует энергию топлива. А так как двигатели с меньшим рабочим объемом работают в основном при максимальных нагрузках, то и КПД у них выше.

Секрет превосходства малолитражных двигателей по показателю КПД объясняется отсутствием так называемых насосных потерь. Возникают они при небольших нагрузках, когда двигатель работает на малых оборотах и дроссельная заслонка лишь немного приоткрыта. В этом случае при такте впуска в цилиндрах создается большое разряжение - вакуум, оказывающий сопротивление движению поршня вниз и соответственно снижающий КПД. При полностью открытой дроссельной заслонке таких потерь нет, так как воздух поступает в цилиндры практически беспрепятственно.

Чтобы избежать насосных потерь на все 100%, в новом двигателе инженеры SAAB также использовали «наддув» воздуха под высоким давлением - 2,8 атм., с помощью механического нагнетателя - компрессора. Предпочтение компрессору было отдано по нескольким причинам: во-первых, ни один турбонагнетатель не способен создать такое давление наддува; во-вторых, реакция компрессора на изменение нагрузки практически мгновенная, т.е. нет замедления, характерного для турбонаддува. Наполнение цилиндров свежим зарядом в двигателе SAAB улучшили и с помощью популярного сегодня современного газораспределительного механизма, в котором на каждый цилиндр приходится по четыре клапана, и благодаря применению промежуточного охладителя воздуха (Intercooler).

Опытный образец двигателя SVC, по оценке немецкой компании по разработке моторов FEV Motorentechnie в Aachen, является вполне работоспособным. Но несмотря на положительную оценку, в серийное производство он будет запущен спустя некоторое время - после его доработки и доводки под запросы покупателей.

Второе поколение кроссовера Infiniti QX50 получило кучу новшеств, самым важным из которых стал уникальный мотор - 2,0 литровая «турбочетверка» VC-Turbo с изменяемой степенью сжатия. Идея создания бензинового мотора, где степень сжатия в цилиндрах была бы величиной непостоянной, не нова. Так, при разгоне, когда требуется наибольшая отдача двигателя, можно на несколько секунд пожертвовать его экономичностью, уменьшив степень сжатия, - это позволит предотвратить детонацию, самопроизвольное возгорание топливной смеси, которое может возникнуть при высоких нагрузках. При равномерном движении степень сжатия, напротив, желательно повысить, чтобы добиться более эффективного сгорания топливной смеси и снижения расхода горючего - в этом случае нагрузка на мотор невелика и опасность возникновения детонации минимальна. В общем, в теории все просто, однако реализовать эту идею на практике оказалось не так уж легко. И японские конструкторы стали первыми, кто сумел довести замысел до серийного образца.

Суть разработанной корпорацией Nissan технологии в том, чтобы, в зависимости от требуемой отдачи мотора, непрерывно изменять максимальную высоту подъема поршней (так называемую верхнюю мертвую точку - ВМТ), что в свою очередь приводит к уменьшению или росту степени сжатия в цилиндрах. Ключевой деталью этой системы является особое крепление шатунов, которые соединяются с коленчатым валом через подвижный блок коромысел. Блок в свою очередь связан с эксцентриковым управляющим валом и электромотором, который по команде электроники приводит этот хитрый механизм в движение, меняя наклон коромысел и положение ВМТ поршней во всех четырех цилиндрах одновременно.

Разница степени сжатия в зависимости от положения ВМТ поршня. На левой картинке мотор находится в экономичном режиме, на правой - в режиме максимальной отдачи. A: когда требуется изменение степени сжатия, электромотор поворачивает и перемещает рычаг привода. B: приводной рычаг поворачивает управляющий вал. C: когда вал вращается, он действует на рычаг, связанный с коромыслом, изменяя угол наклона последнего. D: в зависимости от положения коромысла, ВМТ поршня поднимается или опускается, таким образом изменяя степень сжатия.

В результате при разгоне степень сжатия уменьшается до 8:1, после чего мотор переходит в экономичный режим работы со степенью сжатия 14:1. Его рабочий объем при этом меняется от 1997 до 1970 см3. «Турбочетверка» нового Infiniti QX50 развивает мощность 268 л. с. и крутящий момент в 380 Нм - ощутимо больше, чем 2,5 литровый V6 предшественника (его показатели - 222 л. с. и 252 Нм), расходуя при этом на треть меньше бензина. Кроме того, VC-Turbo на 18 кг легче атмосферной «шестерки», занимает меньше места под капотом и достигает максимума крутящего момента в зоне более низких оборотов.

Кстати, система регулировки степени сжатия не только повышает эффективность работы мотора, но и снижает уровень вибраций. Благодаря коромыслам шатуны при рабочем ходе поршней занимают почти вертикальное положение, в то время как у обычных двигателей они ходят из стороны в сторону (из-за чего шатуны и получили свое название). В результате даже без уравновешивающих валов этот 4-цилиндровый агрегат работает так же тихо и плавно, как V6. Но изменяемое положение ВМТ при помощи сложной системы рычагов - не единственная особенность нового мотора. Меняя степень сжатия, этот агрегат также способен переключаться между двумя рабочими циклам: классическим Отто, по которому функционирует основная масса бензиновых двигателей, и циклом Аткинсона, встречающимся в основном у гибридов. В последнем случае (при высокой степени сжатия) из-за большего хода поршней рабочая смесь сильнее расширяется, сгорая с большей эффективностью, в результате растет КПД и снижается расход бензина.

Двигаясь вверх или вниз, нижний рычаг меняет положение поршня относительно камеры сгорания.

Помимо двух рабочих циклов, этот мотор также использует две системы впрыска: классический распределенный MPI и непосредственный GDI, который повышает эффективность сгорания топлива и позволяет избежать детонации при высоких степенях сжатия. Обе системы работают попеременно, а при высоких нагрузках - одновременно. Положительный вклад в повышение КПД двигателя вносит и особое покрытие стенок цилиндров, которое наносится методом плазменного напыления, а затем закаливается и хонингуется. В результате получается ультрагладкая «зеркальная» поверхность, на 44% уменьшающая трение поршневых колец.

И какова выгода?

По словам инженеров, VC-T должен стать на 27% экономичнее текущих атмосферных V6 серии VQ, которые он постепенно заменит. Значит, паспортный расход в комбинированном цикле будет находиться в пределах 7 литров. И все-таки оценить реальный вклад новой технологии в экономичность пока невозможно, слишком уж различаются моторы VC-T и VQ. Объем, наличие наддува, количество цилиндров - все по-разному. Поэтому в реальных преимуществах японской разработки еще предстоит разобраться, но, как и любая революция, она интересна уже сама по себе.

Еще одна уникальная особенность мотора VC-Turbo - это интегрированная в его верхнюю опору система активного подавления вибраций Active Torque Road, основой которой является возвратно-поступательный актуатор. Эта система управляется датчиком ускорений, фиксирующим колебания двигателя и в ответ генерирует гасящие вибрации в противофазе. Активные опоры в Infiniti впервые использовали в 1998 году на дизельном моторе, но та система оказалась слишком громоздкой, поэтому не получила распространения. Проект пролежал под сукном до 2009 года, пока японские инженеры не взялись за его усовершенствование. На то, чтобы решить проблему избыточного веса и размеров гасителя колебаний, ушло еще 8 лет. Но результат впечатляет: благодаря ATR 4-цилиндровый агрегат нового Infiniti QX50 работает на 9 дБ тише, чем V6 его предшественника!

Одной из тех, кто максимально близко подошел к созданию серийного мотора с изменяемой степенью сжатия, была марка Saab. У шведов, правда, относительно друг друга смещались верхняя и нижняя часть блока цилиндров. А в моторе Infiniti/Nissan изменения затронули конструкцию кривошипно-шатунного механизма.