Система изменения степени сжатия ДВС: даже это стало возможным. Поршневой двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия

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.

Конструкция запатентована Nissan (патент США № 6,505,582 от 14 июня 2003 года).

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 четырёх цилиндровый 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.

Степень сжатия – важная характеристика двигателя внутреннего сгорания, определяемая отношением объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке (объему камеры сгорания). Повышение степени сжатия создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси и, соответственно, эффективного использования энергии. Вместе с тем, работа двигателя на разных режимах и разных топливах предполагает разную величину степени сжатия. Эти свойства в полной мере используются системой изменения степени сжатия.

Система обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, снижение расхода топлива и вредных выбросов. Основная заслуга системы изменения степени сжатия в способности работы двигателя на разных марках бензина и даже разных топливах без ухудшения характеристик и детонации.

Создание двигателя с переменной степенью сжатия достаточно сложная техническая задача, в решении которой существует несколько подходов, заключающихся в изменении объема камеры сгорания. В настоящее время имеются опытные образцы таких силовых установок.

Пионером в создании двигателя с переменной степенью сжатия является фирма SAAB , представившая в 2000 году пятицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, оборудованный системой Variable Compression . В двигателе использована объединенная головка блока цилиндров с гильзами цилиндров. Объединенный блок с одной стороны закреплен на валу, с другой взаимодействует с кривошипно-шатунным механизмом. КШМ обеспечивает смещение объединенной головки от вертикальной оси на 4°, чем достигается изменение степени сжатия в пределе от 8:1 до 14:1.

Необходимое значение степени сжатия поддерживается системой управления двигателем в зависимости от нагрузки (при максимальной нагрузке – минимальная степень сжатия, при минимальной – максимальная степень сжатия). Несмотря на впечатляющие результаты двигателя по мощности и крутящему моменту, силовая установка не пошла в серию, а работы по ней в настоящее время свернуты.

Более современной разработкой (2010 год) является 4-х цилиндровый двигатель от MCE-5 Development объемом 1,5 л. Помимо системы изменения степени сжатия двигатель оснащен другими прогрессивными системами – непосредственного впрыска и изменения фаз газораспределения .

Конструкция двигателя предусматривает независимое изменение величины хода поршня в каждом цилиндре. Зубчатый сектор, выполняющий роль коромысла, с одной стороны взаимодействует с рабочим поршнем, с другой – с поршнем управления. Коромысло рычагом соединено с коленчатым валом двигателя.

Зубчатый сектор перемещается под действием поршня управления, выполняющего роль гидроцилиндра. Объем над поршнем заполнен маслом, объем которого регулируется клапаном. Перемещение сектора обеспечивает изменение положения верхней мертвой точки поршня, чем достигается изменение объема камеры сгорания. Соответственно изменяется степень сжатия в пределе от 7:1 до 20:1.

Двигатель MCE-5 имеет все шансы попасть в серию в ближайшей перспективе.

Еще дальше в своих исследованиях пошел Lotus Cars , представив двухтактный двигатель Omnivore (дословно – всеядное животное). Как заявлено, двигатель способен работать на любом виде жидкого топлива – бензин, дизельное топливо, этанол, спирт и др.

В верхней части камеры сгорания двигателя выполнена шайба, которая перемещается эксцентриковым механизмом и изменяет объем камеры сгорания. С такой конструкцией достигается рекордная степень сжатия 40:1. Тарельчатые клапаны в газораспределительном механизме двигателя Omnivore не используются.

Дальнейшее развитие системы сдерживает низкая топливная экономичность и экологичность двухтактных двигателей, а также их ограниченное применение на автомобилях.

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.

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 см 3 . «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.

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.

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.

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!

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.

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.

Степень сжатия

Технология SVC

Мал, да удал

И какова выгода?

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ НА САЙТЕ