Двигатель с изменяемой степенью сжатия

Nissan разработала ДВС с изменяемой 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.

1. В случае необходимости изменить степень сжатия активируется модуль Harmonic Drive и сдвигает рычаг актуатора.
2. Рычаг актуатора поворачивает приводной вал (Control Shaft на схеме).
3. Когда приводной вал поворачивается, он изменяет угол наклона многорычажной подвески (Multi-link на схеме)
4. 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.

В 1948 году в Грузии сделали мотор с изменяемой степенью сжатия и опередили Infiniti

Архивные запасники хранят немало материалов об интересных эпизодах отечественной автомобильной истории, не попавших в поле зрения специалистов. Недавно мы как раз наткнулись на весьма примечательную переписку по малоизвестной теме. Речь о создании в Грузии автомобильного двигателя с изменяемой степенью сжатия, причём, с автоматически изменяемой, да ещё и в зависимости от высоты над уровнем моря. И представьте себе, дело было в довоенные и послевоенные годы…

В ту пору, когда системы питания ДВС были несовершенны, а газораспределительные механизмы – примитивны, отдача с литра – невелика, а расход бензина и масла, отнесённый к динамическим качествам автомобиля, не укладывался ни в какие современные представления, немало инженерных умов билось над загадкой повышения эффективности ДВС за счёт изменения степени сжатия. Задачка эта – непростая, и её «конвейерное» решение появилось только в наше время, когда актуальность темы сошла на нет. Как известно, инженеры Infiniti ввели дополнительное звено между кривошипом коленвала и шатуном, управляя которым можно менять рабочий объём.

Мы не будем углубляться в теорию ДВС, а сосредоточим внимание на документах, попавших к нам в руки, отметив перед тем, что в 30-40-е годы прошлого века инженер-конструктор не имел под рукой ничего кроме логарифмической линейки и арифмометра. На расчёты уходила куча времени, на эксперименты – ещё больше. В общем, задача по изменению степени сжатия ДВС в динамическом режиме была сравнима с отправкой ракеты к Марсу, о чём тогда думали только чудаки от науки и фантазёры, да и то, в свободное от основной работы время.

А вот молодому сотруднику Грузинского сельскохозяйственного института (СХИ) по фамилии Махалдиани повезло: он замахнулся на механизм изменения степени сжатия именно что в своё рабочее время, точнее, попутно с чтением лекций и ведением семинаров. Вахтанг Васильевич родился в 1911 году, в 1932-м окончил Тбилисский университет и пришёл в СХИ, где и проработал всю жизнь. В 1939 году Махалдиани решил внести свой вклад в советскую автомобильную науку и в мастерской кафедры «Тракторы и автомобили» с весьма примитивным оснащением начал изучать возможности по изменению степени сжатия ДВС на базе агрегата от ГАЗ-ММ. Надежды, как говориться, юношей питают: совершенствуя сложный механизм, Вахтанг Васильевич разработал «теорию задросселированного карбюраторного двигателя». В общем, трудно в это поверить, но опытный образец мотора действительно был сконструирован, сохранилось и описание конструкции.

Фрагмент письма Чудакова с положительным отзывом о грузинском экспериментальном двигателе

В ноябре 1947 года мотор установили на автомобиль и провели испытания, показавшие вроде как «большую экономию горючего и вполне надёжную работу механизма изменения степени сжатия», который работал в зависимости от нагрузки. Все исследования Махалдиани проводил вместе с В.К. Белецким, который в обнаруженной нами переписке поначалу фигурирует с Вахтангом Васильевичем «на равных», затем исчезает, и Махалдиани становится руководителем всей работы. В 1947 году он уже числится доцентом и занимает кресло заведующего кафедрой «Тракторов и автомобилей» СХИ.

29 декабря 1947 года, окрылённые результатами испытаний, сотрудники сельскохозяйственного вуза посылают заявку на авторское свидетельство и даже получают «Справку о первенстве». Согласно Положению об изобретениях и технических усовершенствованиях, утверждённому ЦИК СССР и Советом Народных Комиссаров 9 апреля 1931 года, «Справка о первенстве» означала, что при предварительном рассмотрении в Бюро новизны (Патентное бюро) она не была признана «ошибочной или явно неосуществимой или явно не новой».

Фрагмент письма с отрицательным отзывом из Министерства автомобильной промышленности на конструкцию Махалдиани

Дальше – больше. О создании новой конструкции авторы сообщают знаменитому академику Евгению Алексеевичу Чудакову, по книгам которого и сегодня учат студентов автомобильных специальностей. В ту пору Чудаков был Директором института машиноведения Академии наук СССР, и по совместительству заведовал Автомобильной лабораторией. Ознакомившись с материалами, Евгений Алексеевич предложил прислать в Москву опытный образец и в апреле-мае уже на базе своей лаборатории провёл исследования грузинской конструкции. В письме от 17 июня 1948 года, направленном в Академию наук Грузинской ССР Чудаков подтвердил «значительную экономию горючего и целесообразность указанного типа двигателей», приложив копию протокола по испытаниям.

Радовались грузины недолго, а, точнее, три с половиной месяца. В ответ на письмо СХИ от 5 июня Заместитель министра автомобильной и тракторной промышленности СССР Перовский сообщил: Министерство «считает, что предлагаемая конструкция, преследуя цель улучшения характеристик устаревшего двигателя, даёт сложное и громоздкое конструктивное решение». Далее чиновник уточняет, что исследование этого вопроса Министерство считает нужным проводить в комплексе с другими проблемами, решение которых даст улучшение топливно-экономических характеристик ДВС. Логично, что и решать эти проблемы Министерство предлагает «при создании конструкции двигателя, отвечающей последним достижениям автомобильной техники», а не при модернизации устаревшего агрегата.

Фрагмент письма на имя Секретаря ЦК Компартии Грузии Чарквиани

По большому счёту противоречия в таких различных отзывах нет. Чудаков, получивший свою первую Сталинскую премию ещё во время войны, прекрасно знал правила игры и, вполне может быть, результаты испытаний не заставили его переступать через своё мнение, всё-таки, какой бы «громоздкой» не была конструкция, это могло не помешать показать ей уменьшение расхода бензина. Другое дело, что нужно было считать эту экономию в сравнении с повышенной сложностью изготовления, новыми требованиями к технологии и так далее, а с технологической культурой производства в те годы в нашей стране было очень тяжело. В свою очередь Министерство вполне логично посчитало, что может обойтись без кустарей с окраин, тем более, что «научно-исследовательские работы в этой области ведутся и запланированы на 1949 год», причём, не где-нибудь, а в НАМИ, в рамках темы «Разработка перспективного двигателя автомобиля».

Получить отказ в такой форме! – можно подумать, грузинские учёные каждый день изобретают что-то новое. Директор сельскохозяйственного института Урушадзе подключает Секретаря ЦК Компартии Грузии Чарквиани, излагая тому в письме от 15 ноября 1948 года суть вопроса. «Экономия горючего на эксплуатационных режимах достигла 18-26%», степень сжатия регулируется в зависимости от высоты над уровнем моря, академик Чудаков упомянул о разработке в своём труде «Пути повышения экономичности карбюраторного двигателя», «имеет большое народно-хозяйственное значение» и т.д.

Фрагмент письма Чарквиани Министру автомобильной промышленности Степану Акоповичу Акопову

Директор СХИ отмечает,что «созданный двигатель <…> не преследует целью улучшение характеристик устаревшего двигателя, а даёт принципиальную схему автоматического изменения степени сжатия в зависимости от изменения разрежения во всасывающей трубе; такая схема может быть применена для любого карбюраторного двигателя». Урушадзе искренне вопрошает, почему «применение переменной степени сжатия должно повторно изучаться <…>, когда этот вопрос детально уже изучен», «почему должна быть игнорирована большая работа», почему НАМИ включает «в свой план исследование вопросов, которые уже исследованы другими»? Действительно, где – научно-исследовательский НАМИ, и где – обычный учебный Сельскохозяйственный грузинский…

В завершении Урушадзе просит Чарквиани вмешаться, чтобы «НАМИ или одному из автомобильных заводов» поручили проектирование ДВС с изменяемой степенью сжатия «с обязательным участием авторов изобретения». Кандид Несторович, конечно, не мог допустить, чтобы доцента грузинского вуза лишили всесоюдзной славы перворазработчика хитроумного ДВС и 1 декабря жалуется Министру автомобильной промышленности Степану Акопову на Перовского и его коллег, которые не отнеслись «с должным вниманием к внедрению этого важного усовершенствования». В секретариате Министерства, ознакомившись с письмом вынесли вопрос на заседание Коллегии.

Фрагмент первой страницы письма руководства Грузинского СХИ института высокопоставленным чиновникам, в том числе, и Л.П. Берия

Между тем, двумя неделями раньше, то есть, в середине ноября, директор СХИ Урушадзе вспомнил, что институт носит имя Лаврентия Павловича Берия. И вот уже летит письмо в Москву – всемогущему члену Политбюро. Из письма мы узнаём ещё одну интересную подробность. Оказывается, «в июне 1948 года авторы упомянутого двигателя имели беседу с директором, его заместителем и главным конструктором НАМИ», которые «предложили совместно с авторами заняться проектированием механизма изменения степени сжатия для новейших автомобильных двигателей», но впоследствии отказались от предложения, «мотивируя перегруженностью другими работами». По мнению Урушадзе, такое решение Министерства и НАМИ «может способствовать <…> возможности присвоения чужих идей и игнорированию больших достижений кафедры тракторов и автомобилей СХИ Грузии», а, кроме того, затемняет «первенство создателей двигателя».

Фрагмент последний страницы письма руководства Грузинского СХИ института высокопоставленным чиновникам, в том числе, и Л.П. Берия

В завершении Урушадзе снова просит поручить НАМИ или одному из заводов изготовление «производственных образцов головок блока с изменяемой степенью сжатия <…> с обязательным участием авторов изобретения», а заканчивает письмо так: «О Вашем решении прошу известить». В общем-то, что ни говори, смелый финал, учитывая высокое положение адресата. Между тем, у Берия заботы были совсем иного масштаба, и к судьбе этой грузинской разработки Лаврентий Павлович остался безучастным. Сама тема изменения степени сжатия ДВС обсуждалась на Коллегии Министерства автомобильной промышленности в следующем 1949 году несколько раз, однако развития так и не получила. Как мотивировали московские инженеры и исследователи свой отказ от продолжения работы? Вполне может быть, мы расскажем об этом в нашей рубрике «Документ».

Остаётся добавить, что Вахтанг Васильевич Махалдиани продолжил заниматься теоретическими исследованиям изменения степени сжатия ДВС, написал по этому вопросу книгу, которую в 70-е даже издали в Тбилиси.

Двигатель с переменной степенью сжатия: особенности конструкции

Как может показаться на первый взгляд, современный двигатель внутреннего сгорания достиг высшей ступени своей эволюции. На данный момент серийно выпускаются различные бензиновые и дизельные моторы, появились гибридные установки, дополнительно реализована возможность перевести двигатель на газ.

В списке наиболее значимых наработок за последние годы можно выделить: внедрение систем высокоточного впрыска под управлением сложной электроники, получение большой мощности без увеличения рабочего объема благодаря системам турбонаддува, увеличение количества клапанов на цилиндр, использование систем изменения фаз газораспределения и т.д.

Достаточно вспомнить попытки построить двигатель без коленвала и шатунов, избавиться от распредвала в устройстве ГРМ или динамично изменять степень сжатия двигателя. Сразу отметим, хотя одни проекты еще находятся в стадии разработки, другие уже стали реальностью. Например, двигатели с изменяемой степенью сжатия. Давайте рассмотрим особенности, преимущества и недостатки таких ДВС.

Изменение степени сжатия: зачем это нужно

Многие опытные водители знакомы с такими понятиями, как степень сжатия двигателя и октановое число для бензиновых моторов, а также цетановое число для дизельных. Для менее осведомленных читателей напомним, что степень сжатия представляет собой отношение объема над поршнем, который опущен в НМТ (нижняя мертвая точка) к тому объему, когда поршень поднялся в ВМТ (верхняя мертвая точка).

Бензиновые агрегаты имеют, в среднем, показатель 8-14, дизели 18 -23. Степень сжатия является фиксированной величиной и конструктивно закладывается во время разработки того или иного двигателя. Также от степени сжатия будут зависеть и требования к использованию октанового числа бензина в том или ином моторе. Параллельно учитывается и то, атмосферный двигатель или с наддувом.

Если говорить о самой степени сжатия, фактически это показатель, который определяет, насколько сильно будет сжиматься топливно-воздушная смесь в цилиндрах двигателя. Если просто, хорошо сжатая смесь лучше воспламеняется и полноценнее сгорает. Получается, увеличение степени сжатия позволяет добиться роста КПД двигателя, получить улучшенную отдачу от мотора, снизить расход топлива и т.д.

При этом топливо имеет так называемую «детонационную стойкость», то есть способность противостоять детонации. Если же сильно увеличить степень сжатия, тогда горючее может начать детонировать в двигателе при определенных режимах работы ДВС.

Результат — неконтролируемый взрывной процесс сгорания в цилиндрах, быстрое разрушение деталей мотора ударной волной, значительный рост температуры в камере сгорания и т.д. Как видно, сделать постоянной высокую степень сжатия нельзя именно по этим причинам. При этом единственным выходом в данной ситуации является возможность гибко изменять данный показатель применительно к разным режимам работы двигателя.

Такой «рабочий» мотор недавно предложили инженеры премиального бренда Infiniti (элитное подразделение Nissan). Также в аналогичные разработки были и остаются вовлечены другие автопроизводители (SAAB, Peugeot ,Volkswagen и т.д). Итак, давайте рассмотрим двигатель с изменяемой степенью сжатия.

Переменная степень сжатия двигателя: как это работает

Прежде всего, доступная возможность изменять степень сжатия позволяет в значительной мере увеличить производительность турбомоторов с одновременным уменьшением расхода топлива. В двух словах, в зависимости от режима работы и нагрузок на ДВС топливный заряд сжимается и сгорает в самых оптимальных условиях.

Когда нагрузки на силовой агрегат минимальны, в цилиндры подается экономичная «бедная» смесь (много воздуха и мало топлива). Для такой смеси хорошо подходит высокая степень сжатия. Если же нагрузки на мотор растут (подается «богатая» смесь, в которой больше бензина), тогда закономерно возрастает риск возникновения детонации. Соответственно, чтобы этого не произошло, степень сжатия динамично уменьшается.

Что касается самой реализации схемы, фактически задача сводится к тому, что происходит физическое уменьшение рабочего объема двигателя, однако сохраняются все характеристики (мощность, момент и т.д.)

Сразу отметим, над таким решением трудились разные компании. В результате появились разные способы управления степенью сжатия, например, изменяемый объем камеры сгорания, шатуны с возможностью подъема поршней и т.д.

• Одной из самых ранних разработок стало внедрение дополнительного поршня в камеру сгорания. Указанный поршень имел возможность перемещаться, одновременно изменяя объем. Минусом всей конструкции стала необходимость устанавливать дополнительные детали в БЦ. Также сразу проявились изменения формы камеры сгорания, горючее сгорало неравномерно и неполноценно.

По указанным причинам данный проект так и не был завершен. Такая же участь постигла и разработку, которая имела поршни с возможностью изменения их высоты. Указанные поршни разрезного типа оказались тяжелыми, еще добавились трудности касательно реализации управления высотой подъема крышки поршня и т.д.

• Дальнейшие разработки уже не затрагивали поршни и камеру сгорания, максимум внимания был уделен вопросу подъема коленчатого вала. Другими словами, стояла задача реализовать управление высотой подъема коленвала.

Схема устройства такова, что опорные шейки вала расположены в специальных муфтах эксцентрикового типа. Указанные муфты приводятся в движение посредством шестерен, которые связаны с электрическим двигателем.

Отметим, что было построено несколько прототипов на базе 1.8-литрового турбированного агрегата от Volkswagen, степень сжатия менялась от 8 до 16. Двигатель долго испытывали, но серийным агрегат так и не стал.

• Еще одной попыткой найти решение стал двигатель, в котором степень сжатия менялась посредством подъема всего блока цилиндров. Разработка принадлежит бренду Saab, а сам агрегат чуть даже не попал в серию. Двигатель известен как SVC, объем 1.6 литра, агрегат с 5 цилиндрами, оснащен турбонаддувом.

Мощность составила около 220 л. с., крутящий момент чуть более 300 Нм. Примечательно то, что расход горючего в режиме средних нагрузок снизился почти на треть. Что касается самого топлива, появилась возможность заливать как АИ-76, так и 98-й.

Инженеры Saab разделили блок цилиндров, выделив две условные части. В верхней находились головки и гильзы цилиндров, тогда как в нижней части коленчатый вал. Своеобразным соединением этих частей блока с одной стороны был подвижный шарнир, а с другой особый механизм, оснащенный электроприводом.

На практике сами детали для подъема верхней части блока, а также и сам защитный кожух оказались весьма слабыми элементами. Возможно, именно это помешало мотору попасть в серию и проект дальше закрыли.

• Очередную разработку далее предложили инженеры из Франции. Турбомотор с рабочим объемом 1.5 литра получил возможность менять степень сжатия от 7 до 18 и выдавал мощность около 225 л.с. Моментная характеристика зафиксирована на отметке 420 Нм.

Конструктивно агрегат сложный, с разделенным шатуном. В той области, где шатун крепится к коленвалу, деталь оснастили особым зубчатым коромыслом. В месте соединения шатуна с поршнем также была внедрена планка-рейка зубчатого типа.

С другой стороной к коромыслу была прикреплена рейка поршня, который реализовывал управление. Система приводилась от системы смазки, рабочая жидкость проходила через сложную систему каналов, клапанов, а также имелся дополнительный электропривод.

Рекомендуем также прочитать статью о том, как форсировать двигатель. Из этой статьи вы узнаете о существующих доступных способах форсирования двигателя внутреннего сгорания для получения большей мощности, лучшего отклика на педаль газа, увеличения крутящего момента и т.д.

В двух словах, перемещение управляющего поршня оказывало воздействие на коромысло. В результате менялась и высота подъема основного поршня в цилиндре. Отметим, что двигатель также не стал серийным, а проект был заморожен.

• Следующей попыткой создать двигатель с изменяемой степенью сжатия стало решение инженеров Infiniti, а именно двигатель VCT (от англ. Variable Compression Turbocharged). В этом моторе стало возможным менять степень сжатия от 8 до 14. Особенностью конструкции является уникальный траверсный механизм.

Управляет процессом контроллер, посылая сигналы на электродвигатель. Электромотор после получения команды от блока управления смещает тягу, а система рычагов реализует смену положения, что и позволяет менять высоту подъема поршня.

В результате агрегат Infiniti VCT с рабочим объемом 2.0 литра с мощностью около 265 л.с. позволил экономить почти 30% горючего сравнительно с аналогичными ДВС, которые при этом имеют постоянную степень сжатия.

Если производителю удастся эффективно решить имеющиеся на данный момент проблемы (сложность конструкции, повышенные вибрации, надежность, высокая конечная стоимость производства агрегата и т.д.), тогда оптимистичные заявления представителей компании вполне могут воплотиться в реальность, а сам двигатель имеет все шансы стать серийным уже в 2018-2019 году.

Подведем итоги

С учетом приведенной выше информации становится понятно, что двигатели с переменной степенью сжатия способны обеспечить значительное снижение расхода топлива на бензиновых моторах с турбонаддувом.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое турбонаддув двигателя. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции турбины, принципах действия системы, а также о преимуществах и недостатках данного решения.

Другими словами, подобный ДВС вполне способен предложить все преимущества мощного бензинового высокооборотистого турбодвигателя. При этом по расходу топлива подобный агрегат может вплотную приблизиться к турбодизельным аналогам, которые сегодня популярны, в первую очередь, благодаря своей экономичности.

Форсирование двигателя. Плюсы и минусы доработки мотора без турбины. Главные способы форсирования: тюнинг ГБЦ, коленвал, степень сжатия, впуск и выпуск.

Особенности установки ГБО на мотор с турбонаддувом. Какое газобалонное оборудование лучше ставить на двигатели с турбиной. Советы и рекомендации.

Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.

Возможность установки турбокомпрессора на двигатель с карбюратором. Основные преимущества и недостатки турбонаддува на карбюраторном авто.

Влияние степени сжатия на мощность и другие характеристики мотора. Тюнинг и увеличение степени сжатия, а также понижение параметра в отдельных случаях.

Увеличение мощности атмосферного и турбированного двигателя. Глубокий или поверхностный тюнинг ДВС. Модификация впускной и выпускной системы. Прошивка ЭБУ.

По каким принципам работает двигатель Инфинити с изменяемой степенью сжатия, подробная информация

Первый серийный экземпляр двигателя с изменяемой степенью сжатия от Инфинити

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 2018 Infiniti QX50. 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 для небольших легковых автомобилей. 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 гибридных автомобилях. 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.

Что такое VC-Turbo: как работает двигатель 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 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.

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.

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!