Как повысить степень сжатия двигателя
Системы изменения степени сжатия двигателя
Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания 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 систем наддува 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 шатун 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.
Степень сжатия
Термическая эффективность и, следовательно, эффективность, с которой топливо используется для совершения полезной работы, непосредственно связана со степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем меньше топлива будет использовано для получения той же самой мощности. Типичные значения степеней сжатия от 18:1 до 22:1, используемые в дизельных двигателях, частично объясняют, почему они так эффективно работают. Вдобавок к этому, для полной реализации преимуществ этой высокой степени сжатия, на дизельном двигателе никогда не используется дроссельная заслонка. Другими словами, он всасывает как можно больше воздуха, практически так же, как и бензиновый двигатель при широко открытой дроссельной заслонке. Вместо ограничения количества воздуха, поступающего в двигатель, с помощью дроссельной заслонки мощность двигателя регулируется с помощью изменения количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр. Это значит, что даже при низких уровнях мощности (когда в камеру сгорания впрыскивается очень малое количество топлива), дизельный двигатель сжимает воздух в цилиндре очень сильно; при этом выделяется столько тепла, что его достаточно для воспламенения даже очень обедненной смеси. Однако когда дросселируется двигатель с искровым зажиганием (бензиновый двигатель), то количество воздуха, втягиваемого в цилиндры, уменьшается, и так как это эффективная степень сжатия, то в результате топливная эффективность при частично закрытой дроссельной заслонке тоже уменьшается.
Нет сомнений в том, что высокая степень сжатия увеличивает мощность. Изображенная далее схема показывает, что мощность при полном открывании дроссельной заслонки теоретически улучшается при увеличении степени сжатия. Приведенные данные предполагают, что увеличение степени сжатия не создает проблем в других областях, таких как детонация т. д. Вы заметите, что закон уменьшения приводит к довольно простому выводу: когда степень сжатия идет вверх, то при каждом увеличении прирост мощности будет все меньше. К примеру, увеличение компрессии от 8,0:1 до 9,0:1 приводит к большему увеличению мощности, чем увеличение сжатия с 11,0:1 до 12,0:1 (2% роста мощности против 1,3%).
Указанные значения являются типичными для двигателей, использующих распределительные валы с относительно коротким периодом впуска, подобные валам во многих форсированных двигателях. Когда продолжительность такта впуска увеличивается (путем установки распределительного вала с более длительным периодом впуска), прирост мощности от увеличения степени сжатия становится даже больше. Это происходит оттого, что данные базируются на механических степенях сжатия (т.е. определенных путем математических расчетов из фиксированного объема), а не на динамических степенях сжатия, которые продолжают увеличиваться, когда эффективность впуска увеличивается. Когда система впуска модифицируется для улучшения наполнения, то динамическая степень сжатия увеличивается очень похожим образом, как и при увеличении размера поршня, т. к. в цилиндр поступает дополнительное количество воздуха и топлива. Эффективность впуска может продолжать увеличиваться даже до точки «упаковки« цилиндра (объемная эффективность выше 100%), как это предполагается некоторыми комбинациями впускного и выпускного коллекторов. Максимальное давление внутри камеры сгорания перед воспламенением изменяется, когда изменяется плотность подаваемой смеси. Когда система впуска работает с низкой эффективностью, т. е. когда дроссельные заслонки закрыты или впускная система забита, то цилиндр наполняется лишь частично и динамическое давление сжатия низкое. Когда система впуска работает с высокой объемной эффективностью (значение более 100% достигается на многих гоночных двигателях), динамическая степень сжатия может создавать давления, которые превышают давления, ожидаемые от механической (рассчитанной) степени сжатия. В таких случаях увеличение механической степени сжатия может ввести двигатель в режим детонации и уменьшить мощность и надежность двигателя.
Увеличение степени сжатия не всегда приводят к увеличению мощности. Если статическая (подсчитанная) степень сжатия уже находится около предела детонации для используемого топлива, то дальнейшее увеличение статической степени сжатия может ухудшить мощность и/или надежность двигателя. Как ранее упоминалось, это особенно справедливо, когда специальный распределительный вал и системы впуска и выпуска добиваются объемной эффективности (VE) величиной более 100%. Когда (VE) увеличивается, то динамическая степень сжатия также увеличивается, так как цилиндр «упаковывается« смесью так, как если бы работал невидимый нагнетатель.
Другой эффект от увеличения степени сжатия довольно незначителен и неизвестен некоторым создателям двигателей. Когда VE превышает 100%, поступившая смесь находится под небольшим положительным давлением, однако, она может заполнить только пространство в цилиндре плюс пространство в камере сгорания. К примеру, если объем цилиндра и камеры составляет вместе 416,2 см3, то это фиксированное пространство будет в основном определять, сколько топливовоздушной смеси может попасть в цилиндр. Если мы решаем увеличить степень сжатия путем уменьшения объема камеры сгорания или путем увеличения размера выпуклости поршня (это наиболее распространенные методы), то это пространство будет не более названной величины. Да, цилиндр сохраняет постоянный рабочий объем — рабочий объем двигателя не изменялся. Но изменили общий объем цилиндра и камеры сгорания. Это означает, что пространство для поступающей рабочей смеси уменьшается. Таким образом, при увеличении степени сжатия мы почти незаметно уменьшили объемную эффективность двигателя.
Воспользуемся воображаемым примером для уяснения деталей. Представим себе двигатель со степенью сжатия 2,0:1 и, просто ради аргумента скажем, что общий объем (нерабочий объем) одного цилиндра, когда поршень находится в НМТ (нижней мертвой точке), составляет 3.278 см3. Это объем, создаваемый поршнем при одном такте плюс объем камеры сгорания над поршнем, находящимся в положении ВМП (верхней мертвой точке). Так как степень сжатия составляет 2,0:1, то объем над поршнем, находящимся в ВМТ должен составлять половину от общего объема цилиндра или 1.639 см3, (т. е. 1.639 см3 «выбранного« объема плюс 1.639 см3 камеры сгорания равны 3.278 см3 общего объема цилиндра). Даже при 3.278 см3 во всем цилиндре двигатель может втянуть только 1.639 см3 свежей рабочей смеси, т. к. имеется давление в коллекторе у впускного канала (в случае с VE, равной 100%) и только вытесненный объем поршня может работать для втягивания воздуха и топлива. Остальные 1.639 см3 будут заполнены выхлопными газами от последнего цикла сгорания.
Добавим теперь к воображаемому двигателю нагнетатель (компрессор) и отрегулируем давление так, что он будет подавать 3.278 см3 топливовоздушной смесив цилиндр вместо исходных 1.639 см3, которые двигатель мог «вдохнуть« в прежнем состоянии. С нашим нагнетателем в цилиндре будет находиться 3.278, см3 свежей смеси в конце такта впуска и не будет остаточных выхлопных газов. Это существенно улучшит мощность. Но что произойдет, если в безрассудных поисках дополнительной мощности увеличить степень сжатия до 3,0:1, уменьшив объем камеры сгорания над поршнем в ВМТ со1.639 см3 до 1.092 см3? Когда поршень находится в конце такта впуска, общий объем цилиндра будет теперь только 2.731 см3. Если не изменять давление наддува, то оно может «вдавить« только 2.731 см3 топливовоздушной смеси в цилиндр. Это уменьшит объем смеси на 547 см3 или примерно на 17%. Двигатель втягивает менее воспламененную смесь, объемная эффективность уменьшается (на 17%) и мощность снижается. Справедливо то, что 2.731 см3 подаваемой смеси сгорает с более высокой эффективностью благодаря увеличению степени сжатия, но улучшение степени сжатия покрывает только 5% из. 17% потерь мощности.
Многие из вас могут теперь реализовать важные преимущества, получая максимально возможную VE (объемную эффективность). Чем выше VE, которую вы сможете получить, тем ниже будет требуемая степень сжатия; а чем ниже степень сжатия, тем меньше выступ поршня, тем легче фронту пламени распространяться в объеме камеры сгорания. Эти соотношения являются некоторыми из тех методов, которые используют профессионалы для увеличения мощности двигателей.
Верхние пределы степени сжатия и фазы газораспределения распределительного вала достаточно хорошо определены для гоночных двигателей, «обычные« форсированные двигатели для повседневного использования как правило работают при более низких уровнях мощности и в основном при частично открытой дроссельной заслонке. Увеличение степени сжатия может иногда обеспечить заметный прирост мощности, но это же самое увеличение степени сжатия может дать даже большее улучшение топливной экономичности. При увеличении степени сжатия от 8,0:1 до 10,0:1 мощность при полностью открытой дроссельной заслонке может увеличиться на 3 или 4%. Но экономия топлива при частично закрытой дроссельной заслонке может увеличиться более чем на 15%. В этом нет ничего удивительного, если вы помните, что динамическая степень сжатия при частично открытой дроссельной заслонке заметно ниже, чем статическая степень сжатия. Увеличение статической степени сжатия добавляет эффективности в нужном месте: при частично открытой дроссельной заслонке.
Более высокая степень сжатия, конечно, требует использования высокооктанового топлива и часто имеющееся топливо имеет гораздо меньшее октановое число, чем хотелось бы многим. Имеются несколько путей обойти данную проблему. Если вы изготавливаете двигатель с «нуля« и желаете сберечь время, обратившись к инженеру с опытом изготовления форсированных двигателей, вы можете получить рекомендации по увеличению степени сжатия, приводящему к заметному росту мощности двигателя. В некоторых случаях двигатели со степенью сжатия порядка 11:1 успешно использовали бензин с октановым числом 87, но это требует подбора всех деталей двигателя, особенно конструкции распределительного вала и головки блока цилиндров плюс использование системы впрыска воды.
Если вы выберете метод изготовления с «нуля«, одним из самых легких путей увеличения степени сжатия является использование традиционных поршней для высокой степени сжатия, имеющих минимальную высоту куполообразной части, так что нет сильных помех распространению пламени. Если желаемая степень сжатия не может быть достигнута путем плавного увеличения куполообразной части и уменьшением объема камеры сгорания с помощью обработки головки блока (лучше угловая обработка), то лучшим путем для увеличения степени сжатия будет увеличение диаметра отверстия цилиндра, часто с помощью расточки блока. Выдерживая практические пределы для толщины стенок цилиндров (обычно допускается увеличение диаметра отверстия цилиндра не более чем на 0,75 — 1,0 мм), эта модификация может увеличить степень сжатия путем добавления рабочего объема, что уменьшает необходимость больших «куполов« у поршней или камер сгорания меньшего объема.
Если проект вашего двигателя более «умеренный«, то, возможно, будет достаточно обработки головки блока, а стоимость обработки головки составляет одну из самых дешевых операций по увеличению мощности и экономичности двигателя.
Двигатели с изменяемой степенью сжатия: от Saab до Infiniti
Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Разбираемся, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.
В качестве вступления напомним, что степенью сжатия называют отношение объема над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней.
Париж 2016: Infiniti готовит премьеру новаторского мотора
Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23.
Степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.
Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.
При малых нагрузках, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально.
Это позволяет не регулировать «назад» угол опережения зажигания, который остается в наиболее эффективной позиции для снятия мощности. Теоретически система изменения степени сжатия в ДВС позволяет до двух раз уменьшить рабочий объем мотора при сохранении тяговых и динамических характеристик.
Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней
Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем. Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.
Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня
Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия. Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.
Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.
Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров
Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании — опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.
Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло
На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.
Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора. Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.
Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а — поршень, b — шатун, с — траверса, d — коленвал, е — электродвигатель, f — промежуточный вал, g — тяга.
За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.
Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности. Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.
Каков итог?
Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.
Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.
Недостатки высокой степени сжатия
Увеличение степени сжатия не всегда приводят к увеличению мощности. Если статическая (подсчитанная) степень сжатия уже находится около предела детонации для используемого топлива, то дальнейшее увеличение статической степени сжатия может ухудшить мощность и/или надежное 11. двигателя. Как ранее упоминалось, это особенно справедливо, когда специальный распределительный вал и системы впуска и выпуска добиваются объемной эффективности (VE) величиной более 100%. Когда (VE) увеличивается, то динамическая степень сжатия также увеличивается, гак как цилиндр «упаковывается» смесью так как если бы работал невидимый нагнеатель.
Другой эффект от увеличения степени сжатия довольно незначителен и неизвестен некоторым создателям двигателей. Когда VE превышает 100%, поступившая смесь находится под небольшим положительным давлением, однако, она может заполнить только пространство в цилиндре плюс пространство в камере сгорания. К примеру, если объем цилиндра и камеры составляет вместе 416,2 см 3 , то это фиксированное пространство будет в основном определять, сколько топливовоздушной смеси может попасть в цилиндр. Если мы решаем увеличим, степень сжатия путем уменьшения объема камеры сгорания или путем увеличения размера выпуклости поршня (это наиболее распространенные методы), то это пространство будет не более названной величины. Да, цилиндр сохраняет постоянный рабочий объем — рабочий объем двигателя не изменялся. Но изменили общин объем цилиндра и камеры сгорания. Это означает, что пространство для поступающей рабочей смеси уменьшается. Таким образом, при увеличении степени сжатия мы почти незаметно уменьшили объемную эффективность двигателя. Пример: типичный двигатель «Шевроле» Grand National 350 может использовать степень сжатия 12,5:1. Он также может иметь VE около 115%; таким образом,
при оборотах динамическая степень сжатия будет заметно выше 12,5:1. Если увеличить статическую степень сжатия до 13,5:1 путем уменьшения объема камеры сгорания, то в объем цилиндра/камеры сгорания поступит меньше рабочей смеси, VE уменьшится и мощность, скорее всего, снизится.
Воспользуемся воображаемым примером для уяснения деталей. Представим себе двигатель со степенью сжатия 2,0:1 и, просто ради аргумента скажем, что общий объем (нерабочий объем) одного цилиндра, когда поршень находится в НМТ (нижней мертвой точке), составляет 3278 см 3 . Это объем, создаваемый поршнем при одном такте плюс объем камеры сгорания над поршнем, находящимся в положении ВМП (верхней мертвой точке). Так как степень сжатия составляет 2,0:1, го объем над поршнем, находящимся в ВМТ должен составлять половину от общего объема цилиндра или 1639 см3, (т. е. 1639 см 3 «выбранного» объема плюс 1639 см 3 камеры сгорания равны 3278 см 3 общего объема цилиндра). Даже при 3278 см 3 во всем цилиндре двигатель может втянуть только 1639 см 3 свежей рабочей смеси, т. к. имеется давление в коллекторе у впускного канала (в случае с VE, равной 100%) и только вытесненным объем поршня может работать для втягивания воздуха и топлива. Остальные 1639 см 3 будут заполнены выхлопными газами от последнего цикла сгорания.
Добавим теперь к воображаемому двигателю нагнетатель (компрессор) и отрегулируем давление так, что он будет подавать 3278 см 3 топливовоздушной смеси в цилиндр вместо исходных 1639 см 3 , которые двигатель мог «вдохнуть» в прежнем состоянии. С нашим нагнетателем в цилиндре будет находиться 3278 см 3 свежей смеси в конце такта впуска и не будет остаточных выхлопных газов. Это существенно улучшит мощность. Но что произойдет, если в безрассудных поисках дополнительной мощности увеличить степень сжатия до 3,0:1, уменьшив объем камеры сгорания над поршнем в ВМТ со 1639 см 3 до 1092 см 3 ? Когда поршень находится в конце такта впуска, общин объем цилиндра будет теперь только 2731 см 3 . Если не изменять давление наддува, то оно может «вдавить» только 2731 см 3 топливовоздушной смеси в цилиндр. Это уменьшит объем смеси на 547 см 3 или примерно на 17%. Двигатель втягивает менее воспламененную смесь, объемная эффективность уменьшается (на 17%) и мощность снижается. Справедливо то, что 2731 см 3 подаваемой смеси сгорает с более высокой эффективностью благодаря увеличению степени сжатия, но улучшение степени сжатия покрывает только 5% из 17% потерь мощности.
Многие из вас могут теперь реализовать важные преимущества, получая максимально возможную VE (объемную эффективность). Чем выше VE, которую вы сможете получить, тем ниже будет требуемая степень сжатия; а чем ниже степень сжатия, тем меньше выступ поршня, тем легче фронту пламени распространяться в объеме камеры сгорания. Эти соотношения являются некоторыми из тех методов, которые используют профессионалы
для увеличения мощности двигателей.
Если на воображаемый двигатель объемом 1639 см 3 со степенью сжатии 2,0:1,
который втягивает 1639 см 3 топливовоздучпюй смеси (в верху) установить наддув, то он теперь будет заполняться 3278 см 3 смеси (в середине). Если степень сжатия увеличивается до 3,0:1 путем уменьшения объема камеры сгорания, то в двигатель будет поступать только 2731 см 3 топливовоздушной смеси. Результатом будет уменьшение мощности (внизу), т. к. объемная эффективность уменьшилась на 17% 1 — 1639 см 3 ; 2 — 1092 см 3 .
Степень сжатия и топливо
Хотя верхние пределы степени сжатия и фазы газораспределения распределительного вала достаточно хорошо определены для гоночных двигателей, «обычные» форсированные двигатели для повседневного использования как правило работают при более низких уровнях мощности и в основном при частично открытой дроссельной заслонке. Увеличение степени сжатия может иногда обеспечить заметный прирост мощности, но это же самое увеличение степени сжатия может дать даже большее улучшение топливной экономичности. При увеличении степени сжатия от 8,0:1 до 10,0:1 мощность при полностью открытой дроссельной заслонке может увеличиться на 3 или 4%. Но экономия топлива при частично закрытой дроссельной заслонке может увеличиться более чем на 15%. В этом нет ничего удивительного, если вы помните, что динамическая степень сжатия при частично открытой дроссельной заслонке заметно ниже, чем статическая степень сжатия. Увеличение статической степени сжатия добавляет эффективности в нужном месте: при частично открытой дроссельной заслонке.
Лучшим путем увеличения степени сжатия является увеличение диаметра отверстия цилиндра путем расточки блока цилиндров или выбором блока с отверстиями большего диаметра. Эта модернизация может увеличить степень сжатия, путем давления рабочего объема, уменьшая необходимость использования поршней с большими «куполами » или уменьшения объема камер
Влияние степени сжатия на УОЗ
Я не уверен, это точно так в данном случае? При температурах внутри камеры сгорания добавка температуры от увеличения P будет неразличима.
капитан 1-го ранга
yoric
капитан 1-го ранга
kav75
капитан 1-го ранга
yoric
капитан 1-го ранга
Почитал, прямо фантастика какая-то. Что-то я не слышал, что макс. степень сжатия ограничена 14-ю. Тем более без оговорок.
"Все дело было в том, что стандартная российская катушка по паспорту рассчитана на 20 киловольт (кВ), тогда как двигатель «требовал» от нее 80 кВ" возможно ли это? Требовать-то можно, а получить?
Мой вывод — утка, чтоб отвлечь нас от реальных проблем))
kav75
капитан 1-го ранга
yoric
капитан 1-го ранга
Сергей Б
капитан 1-го ранга
Почитал, прямо фантастика какая-то. Что-то я не слышал, что макс. степень сжатия ограничена 14-ю. Тем более без оговорок.
"Все дело было в том, что стандартная российская катушка по паспорту рассчитана на 20 киловольт (кВ), тогда как двигатель «требовал» от нее 80 кВ" возможно ли это? Требовать-то можно, а получить?
Мой вывод — утка, чтоб отвлечь нас от реальных проблем))
контр-адмирал
Это правильная реакция на монологи Травникова. Однако в 4Т моторах имеет место как геометрическая, так и действительная степень сжатия. В этом они от двухтактников мало отличаются.
Raider
капитан 1-го ранга
Сергей Б
капитан 1-го ранга
yoric
капитан 1-го ранга
контр-адмирал
Именно по этой причине и сильнее. Из-за физики. В разы. Повторюсь — в этом легко убедиться визуально.
Конечно.
Вот пример.
Привет-22 имеет фазу выпуска 152 градуса. Это значит, что выпускное окно открывается за 76 градусов до НМТ, а закрывается через 76 градусов после НМТ. То есть при ходе поршня вверх из НМТ первые 76 градусов сжатие не происходит — открыто выпускное окно. Потому действительная и геометрические степени сжатия — разные вещи.
ВАЗ-2108. Впускной клапан закрывается через 79 градусов после НМТ в такте сжатия. 79 градусов сжатие не происходит — почему же нет повода говорить тоже о действительной и геометрической степени сжатия?
ВАЗ-2101 и ВАЗ-2108. У первого степень сжатия 8,5. У второго — 9,9. Нормальная компрессия по ТУ у обоих двигателей — 12 атм. Причина — угол запаздывания закрытия впускного клапана. У первого — 40. У второго — 79.
Сергей Б
капитан 1-го ранга
контр-адмирал
По поводу написанного в ссылке. Каждый имеет право на собственное мнение.
Написано как-то.
Начать бы надо не с рассуждений про "гуру". Это дело скользкое. Потому как тут же возникает вопрос: а судьи кто?
Любой разговор про зажигание почему-то начинается с искры. А надо бы с другого. Начать с того, а что же это такое — ТВС. И что хотим — таки поджечь. Какую химическую реакцию хотим запустить, какие для этого нужны условия, каким арсеналом располагаем. Что нужно-то? Температура? Энергия? Какое их сочетание? Какая реакция — экзотермическая, или какая другая. Что дедушка Аррениус про нужные для этого условия, про джоули что изложил? А потом уже, после химии, к электрике переходить. Есть ли всё, что нужно для запуска реакции, в одной свече, которая без давления? И в другой, которая с давлением? И что в цепи происходит при последовательном соединении свечей и двухискровой катушке.
А можно иначе поступить. Оттолкнуться от практики. Потому как любая теория верна лишь тогда, когда практикой подтверждается. Практика всегда права. Она определяет, верна теория, или нет. Практика же проста: что бюджетные китайцы, что небюджетные японцы-американцы, все для двухцилиндровых двухтактников используют двухвыводные катушки. А раньше использовали по количеству цилиндров количество катушек. Значит — .
"Теория" говорит — так слабая искра в рабочем цилиндре. Практика — да всё нормально, весь мир так ездит. Миллионы двигателей. Кто прав? Наверно же надо "теорию" подправить?
А есть и пример одноканальных систем зажигания для трёхцилиндровых двигателей. Трёхвыводная катушка одновременно в три цилиндра подаёт искру. На трёхцилиндровом двухтактнике. Через 120 градусов. К примеру на водных мотоциклах Кавасаки-700, -900. И отлично работает, и это серийная техника. Согласно "теории" эти моторы вообще не должны запускаться. Там же две паразитные искры. Они же всю энергию на себя забрали.
По поводу цвета искры. Ну вот совсем не надо в теории вдаваться. Любой лодочник, особенно со стажем, наверняка знает, без всяких "теорий", что жирная синяя искра смесь надёжно поджигает, а тонкая красная — далеко не всегда.
А что говорить физика про температуру плазмы? У какой больше температура? У какой больше энергия? Как это на цвет влияет?
И физика с химией, если их правильно применять, всё это и подтверждают. Никаких парадоксов.
Однако от темы отвлеклись. При одних и тех же оборотах и нагрузке двигателя чем выше степень сжатия, тем позже должно быть зажигание. Потому что чем выше степень сжатия, тем быстрее распространяется фронт пламени. Значит поджигать нужно позже.
С другой стороны поднятие степени сжатия повысит максимальные обороты двигателя. А это потребует увеличения угла опережения для верхушки.
С третьей стороны при фиксированных оборотах и нагрузке дроссель у двигателя с повышенной степенью сжатия будет открыт меньше. Наполнение цилиндра меньше, смесь горит дольше, нужно более раннее опережение.
Потому напрашивается вывод — трёхмерные графики зависимости угла опережения от оборотов и нагрузки просто будут иными, если это процессорное зажигание. Если механический привод опережения — кинематика привода опережения нужна другая.
