Дорогие друзья! До чего только не додумаются люди ради того, чтобы быть свободными в своем выборе. Даже додумались и воплотили в жизнь двигатель с переменной степенью сжатия

Да, именно то, что казалось невозможно изменить после того как прикрутили головку блока. Но нет, оказывается можно, и даже несколькими способами.

В бензиновых двигателях значения степени сжатия в прямую связано с условиями детонации. Оно как правило возникает при нагрузках и зависит от качества бензина.

Двигатели с высоким КПД имеют высокие показатели степени сжатия, как следствие используют топливо с высокооктановым числом, менее подверженное к детонации при максимальных нагрузках.

Для поддержания мощностных характеристик двигателя в бездетонационном режиме логично снижать степень сжатия. Например, при резком разгоне или при движении на подъем, когда цилиндры максимально наполняются топливной смесью, выжимая из него все что он имеет.

Тут бы и немного снизить степень сжатия, чтобы избежать детонацию, не снижая его мощности, которая сильно повышает износ поршневой группы двигателя.

При средних нагрузках, высокий уровень степени сжатия не провоцирует детонацию, степень сжатия высокая, КПД тоже, его мощность остается максимальной, за счет этого естественно повышается его экономичность.

Казалось бы, эту задачу можно решить просто, вдувать топливную смесь под разным давлением в камеру сгорания, по мере надобности.

Но вот незадача, при повышении таким способом степени сжатия, увеличиваются нагрузки на детали двигателя. Решать такие проблемы надо будет увеличением соответствующих деталей, что соответственно скажется на общей массе двигателя. При этом снижается надежность двигателя и соответственно его ресурс.

При переходе на изменяющуюся степень сжатия, процесс наддува можно так организовать, что при снижении степени сжатия, он будет обеспечивать максимально-эффективное давление при любом режиме работы.

При этом нагрузки на детали поршневого отдела двигателя будут не значительно увеличены, что позволит безболезненно форсировать двигатель без значительного увеличения его веса.

Понимая это, изобретатели и призадумались. И выдали. На чертеже ниже представлена самый распространенный вариант изменения степени сжатия.

На средних нагрузках, по средством эксцентрика 3, доп.шатун 4 принимает крайнее правое положение и поднимает диапазон хода поршня 2 в самое верхнее положение. СЖ в таком положении максимальная.

На высоких нагрузках, эксцентрик 3 смещает доп.шатун 4 влево, что смещает шатун 1 с поршнем 2 вниз. При этом зазор над поршнем 2 увеличивается, уменьшая степень сжатия.

Система от SAAB

Первыми воплотили мечту в жизнь инженеры фирмы SAAB и в 2000 году на выставке в Женеве выставили на всеобщее обозрение экспериментальный двигатель с системой Variable Compression.

Этот уникальный двигатель имел мощность в 225 л.с., при объеме 1,6 л., а расход топлива был в вдвое меньшим аналогичного объема. Но самое фантастичное, он мог работать и на бензине, и на спирте, и даже на дизельном топливе.

Изменение рабочего объема двигателя осуществлялось бесшагово. Степень сжатия изменялась при наклоне моноблока (совмещенная головка блока с блоком цилиндров) относительно блока-картера. Отклонение моноблока вверх приводило к уменьшению степени сжатия, отклонение вниз — к увеличению.

Смещение по вертикальной оси на 4 градуса, что позволило иметь сжатия от 8:1 до 14:1. Управление изменением степени сжатия, в зависимости от нагрузки, осуществлялось специальной электронной системой управления по средством гидропривода. При максимальной нагрузке СЖ 8:1, при минимальной 14:1.

Так же в нем применялся механический наддув воздуха, он подключался только при наименьших значениях степени сжатия.

Но не смотря на такие удивительные результаты, двигатель не пошел в серию, и работы по доводке на сегодняшний день свернуты по неизвестной нам причине.

VCR (Variable Compression Ratio)

Французы фирмы MCE-5 Development, для автоконцерна Пежо разработали принципиально новый двигатель VCR, с совершенно оригинальной кинематической схемой кривошипно-шатунного механизма.

МСЕ-5 Development, сделала для концерна «Пежо», тоже двигатель с переменной степенью сжатия VCR. Но в этом решении они применили оригинальную кинематику .

В нем передача движения от шатуна на поршень идет через зуб.сектор 5. Справа опорная зуб.рейка 7, на неё опирается сектор 5, так происходит возвратно-поступательное движение поршня, он соединен с рейкой 4. Рейка 7 соеденина с поршнем 6.

Сигнал поступает с блока управления, и в зависимости от режима работы двигателя, изменяется положение поршня 6, связанного с рейкой 7. Смещается рейка управления 7 вверх или вниз. Она изменяет положение НМТ и ВМТ поршня двигателя, и соответственно СЖ от 7:1 до 20:1. Если нужно, можно изменять положение каждого цилиндра отдельно.

Зубчатая рейка жестко скреплена с управляющим поршнем. В пространство над поршнем подается масло. Давлением масла и регулируется степень сжатия в основном рабочем цилиндре.

Соединительный рычаг 1, шестерня синхронизации 2, стойка поршня 3, рабочий поршень 4, выпускной клапан 5, головка блока цилиндров 6, впускной клапан 7, поршень управления 8, блок цилиндров 9, стойка поршня управления 10, зубчатый сектор 11.
В данное время двигатель дорабатывается и вполне возможно появится в серии.

Еще есть одна разработка от Lotus Cars, это двухтактный двигатель Omnivore (всеядный). Назвали его так, потому что разработчики заявляют, что он тоже может работать на любом топливе.

Конструктивно он представляется так. Вверху цилиндра расположена шайба, управляемая эксцентриковым механизмом. Чем примечательна эта конструкция, она позволяет достигать СЖ до 40:1. Клапанов в этом двигателе нет, потому как двухтактный.

Минус такого двигателя в том, что он весьма прожорлив и не экологичен. На автомобилях в наше время почти не устанавливаются.

На этом пока тема систем с изменяющейся степенью сжатия закрывается. Ждем новых изобретений.

До скорой встречи на страницах блога. Подписывайтесь!

Изобретение относится к машиностроению, прежде всего к тепловым машинам, а именно к поршневому двигателю внутреннего сгорания (ДВС) с переменной степенью сжатия. Технический результат изобретения заключается в усовершенствовании кинематики механизма передачи усилий поршневого ДВС, таким образом, чтобы обеспечивать возможность регулирования степени сжатия при одновременном снижении реакции в опорах и сил инерции второго порядка. ДВС согласно изобретению имеет подвижно установленный в цилиндре поршень, который шарнирно соединен с шатуном. Движение шатуна передается на кривошип коленчатого вала. При этом, с целью обеспечения возможности управляемого изменения степени сжатия и хода поршня, между шатуном и кривошипом предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага. Передаточное звено выполнено в виде поперечного рычага, соединенного с кривошипом посредством шарнира, который расположен в промежуточном положении на участке между двумя опорными точками. В одной из опорных точек поперечный рычаг соединен с шатуном, а в другой - с управляющим рычагом. Управляющий рычаг также шарнирно соединен с дополнительным кривошипом или эксцентриком, которые осуществляют управляющие движения, смещая ось качения управляющего рычага, чем обеспечивают изменение степени сжатия ДВС. Помимо этого ось качения управляющего рычага может совершать непрерывное циклическое движение, синхронизированное с вращением коленчатого вала. При этом, в случае соблюдения определенных геометрических соотношений между отдельными звенья механизма передачи усилий, могут быть уменьшены нагрузки на них и повышена плавность работы ДВС. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

Рисунки к патенту РФ 2256085

Настоящее изобретение относится к машиностроению, прежде всего к тепловым машинам. Изобретение относится, в частности, к поршневому двигателю внутреннего сгорания (ДВС), имеющему поршень, который подвижно установлен в цилиндре и который шарнирно соединен с шатуном, движение которого передается на кривошип коленчатого вала, при этом между шатуном и кривошипом предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага с целью обеспечить управляемое перемещение поршня, прежде всего обеспечить возможность изменения степени сжатия и хода поршня, и которое выполнено в виде поперечного рычага, который соединен с кривошипом шарниром, который расположен в промежуточном положении на участке между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, и опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и на некотором удалении от линии, соединяющей между собой обе эти опорные точки, в которых поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом и шатуном соответственно.

Из работы Wirbeleit F.G., Binder К. и Gwinner D., "Development of Piston with Variable Compression Height for Incrising Efficiency and Specific Power Output of Combustion Engines", SAE Techn. Pap., 900229, известен ДВС подобного типа с автоматически регулируемой степенью сжатия (ПАРСС) за счет изменения высоты поршня, который состоит из двух частей, между которыми сформированы гидравлические камеры. Изменение степени сжатия осуществляется автоматически путем изменения положения одной части поршня относительно другой за счет перепуска масла из одной такой камеры в другую с помощью специальных перепускных клапанов.

К недостаткам этого технического решения относится то, что системы типа ПАРСС предполагают наличие механизма регулирования степени сжатия, расположенного в высокотемпературной и весьма нагруженной зоне (в цилиндре). Опыт работы с системами типа ПАРСС показал, что на переходных режимах, в частности при разгоне автомобиля, работа ДВС сопровождается детонацией, поскольку гидравлическая система управления не позволяет обеспечить быстрое и одновременное по всем цилиндрам изменение степени сжатия.

Стремление вынести механизм регулирования степени сжатия из высокотемпературной и механически нагруженной зоны привело к появлению иных технических решений, предполагающих изменение кинематической схемы ДВС и введение в нее дополнительных элементов (звеньев), управлением которых обеспечивается изменение степени сжатия.

Так, например, у Jante A., "Kraftstoffverbrauchssenkung von Verbrennungsmotoren durch kinematische Mittel", Automobil-Industrie, № 1 (1980), с.с.61-65, описан ДВС (кинематическая схема которого показана на фиг.1), у которого между кривошипом 15 и шатуном 12 установлены два промежуточных звена - дополнительный шатун 13 и коромысло 14. Коромысло 14 совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения точки А путем поворота эксцентрика 16, закрепленного на корпусе. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.

Из работы Christoph Bolling и др., "Kurbetrieb fur variable Verdichtung", MTZ 58 (11) (1997), Сс.706-711, известен также двигатель типа FEV (кинематическая схема которого показана на фиг.2), у которого между кривошипом 17 и шатуном 12 установлен дополнительный шатун 13. Шатун 12, кроме того, связан с коромыслом 14, которое совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения шарнирной точки Z путем поворота эксцентрика 16, закрепленного на корпусе двигателя. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.

Из заявки DE 4312954 А1 (21.04.1993) известен двигатель типа IFA (кинематическая схема которого показана на фиг.3), у которого между кривошипом 17 и шатуном 12 установлен дополнительный шатун 13. Шатун 12, кроме того, связан с одним из концов коромысла 14, второй конец которого совершает качательное движение с центром качания в шарнирной точке Z. Регулирование степени сжатия осуществляется за счет изменения положения шарнирной точки Z путем поворота эксцентрика 16, который закреплен на корпусе двигателя. Эксцентрик 16 поворачивается в зависимости от нагрузки двигателя, при этом центр качания, расположенный в шарнирной точке Z, перемещается по дуге окружности, изменяя таким образом положение верхней мертвой точки поршня.

К недостаткам, присущим двигателям вышеописанных конструкций (известным из работы Jante А., из работы Christoph Bolling и др. и из заявки DE 4312954 А1), следует отнести в первую очередь недостаточно высокую плавность их работы, обусловленную высокими силами инерции второго порядка при возвратно-поступательном движении масс, что связано с особенностями кинематики механизмов и приводит к чрезмерному увеличению общей ширины или общей высоты силового агрегата. По этой причине такие двигатели практически не пригодны для их использования в качестве двигателей для транспортных средств.

Регулирование степени сжатия в поршневом ДВС позволяет решить следующие задачи:

Повысить среднее давление Ре путем увеличения давления наддува без увеличения максимального давления сгорания сверх заданных пределов за счет уменьшения степени сжатия по мере увеличения нагрузки двигателя;

Снизить расход топлива в диапазоне малых и средних нагрузок за счет увеличения степени сжатия по мере уменьшения нагрузки двигателя;

Повысить плавность работы двигателя.

Регулирование степени сжатия позволяет в зависимости от типа ДВС достичь следующих преимуществ (для ДВС с принудительным (искровым) зажиганием):

При сохранении достигнутого уровня экономичности двигателя при малых и средних нагрузках обеспечивается дальнейшее повышение номинальной мощности двигателя за счет увеличения давления наддува при уменьшении степени сжатия (см. фиг.4а, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);

При сохранении достигнутого уровня номинальной мощности двигателя обеспечивается снижение расхода топлива при малых и средних нагрузках за счет увеличения степени сжатия до допустимого по детонации предела (см. фиг.4б, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);

При сохранении достигнутого уровня номинальной мощности двигателя повышается экономичность при малых и средних нагрузках, а также снижается уровень шума двигателя при одновременном снижении номинальной частоты вращения коленчатого вала (см. фиг.4в, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия).

Аналогично ДВС с искровым зажиганием регулирование степени сжатия в дизельном двигателе может вестись в трех следующих равноправных направлениях:

При неизменном рабочем объеме и номинальной частоте вращения мощность двигателя повышают за счет увеличения давления наддува. В этом случае повышается не экономичность, а мощность транспортного средства (см. фиг.5а, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);

При неизменном рабочем объеме и номинальной мощности повышают среднее давление Ре при снижении номинальной частоты вращения. В этом случае при сохранении мощностных характеристик транспортного средства повышается экономичность двигателя за счет повышения механического КПД (см. фиг.5б, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия);

Существующий двигатель большого рабочего объема на заменяют на двигатель малого рабочего объема, но той же мощности (см. фиг.5в, где кривые, обозначенные позицией х, относятся к обычному двигателю, а кривые, обозначенные позицией у, относятся к двигателю с переменной степенью сжатия). В этом случае повышается экономичность двигателя в диапазоне средних и полных нагрузок, а также уменьшается масса и габариты двигателя.

В основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать кинематику поршневого ДВС таким образом, чтобы при малых конструктивных затратах обеспечивать возможность регулирования степени сжатия при одновременном снижении реакции в опорах и сил инерции второго порядка.

В отношении поршневого ДВС указанного в начале описания типа эта задача решается согласно изобретению благодаря тому, что длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом, и шарниром, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом, и длина стороны, расположенной между опорной точкой, в которой поперечный рычаг соединен с шатуном, и шарниром, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом, удовлетворяют в пересчете на радиус кривошипа следующим соотношениям:

Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС поперечный рычаг выполнен в виде треугольного рычага, в вершинах которого расположены опорные точки, в которых поперечный рычаг соединен с управляющим рычагом и шатуном, и шарнир, которым поперечный рычаг соединен с кривошипом.

Предпочтительно, чтобы длина l шатуна и длина k управляющего рычага, а также расстояние е между осью вращения коленчатого вала и продольной осью цилиндра удовлетворяли в пересчете на радиус г кривошипа следующим соотношениям:

В том случае, когда управляющий рычаг и шатун расположены по одну сторону поперечного рычага, расстояние f между продольной осью цилиндра и точкой шарнирного соединения управляющего рычага с корпусом ДВС и расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой шарнирного соединения предпочтительно должны удовлетворять в пересчете на радиус r кривошипа следующим соотношениям:

В том же случае, когда управляющий рычаг и шатун расположены по разные стороны поперечного рычага, расстояние f между продольной осью цилиндра и точкой шарнирного соединения управляющего рычага и расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой шарнирного соединения предпочтительно должны удовлетворять в пересчете на радиус г кривошипа следующим соотношениям:

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС точка шарнирного соединения управляющего рычага имеет возможность перемещения по управляемой траектории.

Предпочтительно также предусмотреть возможность фиксации точки шарнирного соединения управляющего рычага в различных регулируемых угловых положениях.

В соответствии еще с одним предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность регулирования углового положения точки шарнирного соединения управляющего рычага в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории.

В другом предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории и возможность регулирования фазового сдвига между движением этой точки и вращением коленчатого вала в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом выполнения предлагаемого в изобретении поршневого ДВС предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки шарнирного соединения управляющего рычага по управляемой траектории, при этом предусмотрена возможность изменения передаточного отношения между движением указанной точки и вращением коленчатого вала.

Предлагаемый в изобретении поршневой ДВС 1 показан на фиг.6а и 6б и имеет корпус 2 с цилиндром 3 и установленным в нем поршнем 4, шатун 6, который шарнирно соединен одним концом с поршнем 4, кривошип 8 коленчатого вала, установленного в корпусе 2, прицепной шатун 10, называемый также управляющим рычагом 10 и шарнирно соединенный одним его концом с корпусом 2, и треугольный поперечный рычаг 7, который одной его вершиной шарнирно соединен со вторым концом шатуна 6, второй его вершиной шарнирно соединен с кривошипом 8, а третьей его вершиной шарнирно соединен с прицепным шатуном 10. Для регулирования степени сжатия ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения имеет возможность перемещения по управляемой траектории, определяемой, например, эксцентриком или дополнительным кривошипом 11.

В зависимости от положения оси качания прицепного шатуна предлагаемый в изобретении поршневой ДВС имеет два варианта конструктивного исполнения (см. фиг.6а и 6б):

В первом варианте (фиг.6а) горизонтальная плоскость, в которой лежит ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения расположена выше точки соединения кривошипа 8 с поперечным рычагом 7 при нахождении кривошипа в его верхней мертвой точке или, иными словами, прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7;

Во втором варианте (фиг.6б) горизонтальная плоскость, в которой лежит ось качания прицепного шатуна 10, т.е. точка Z его шарнирного соединения расположена ниже точки соединения кривошипа 8 с поперечным рычагом 7 при нахождении кривошипа в его верхней мертвой точке или, иными словами, прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по разные стороны поперечного рычага 7.

Изменение положения точки Z шарнирного соединения прицепного рычага, т.е. его оси качания, позволяет за счет простого управляющего движения, осуществляемого дополнительным кривошипом, соответственно регулирующим эксцентриком, изменять степень сжатия. Помимо этого точка Z шарнирного соединения прицепного рычага, т.е. его ось качания может совершать непрерывное циклическое движение, синхронизированное с вращением коленчатого вала.

Как показано на фиг.7, предлагаемый в изобретении поршневой ДВС обладает значительными преимуществами перед известными системами (описанными у Jante А., у Christoph Bolling и др. и в DE 4312954 А1), а также перед обычным кривошипно-шатунным механизмом (СМ) касательно плавности его работы.

Однако указанные преимущества могут быть достигнуты только при соблюдении определенных геометрических соотношений, а именно, при правильном подборе длин отдельных элементов и их положений относительно оси коленчатого вала.

Согласно настоящему изобретению важное значение имеет определение размеров отдельных элементов (по отношению к радиусу кривошипа) и координат отдельных шарниров механизма передачи усилий, чего можно достичь за счет оптимизации такого механизма путем кинематического и динамического анализа. Цель оптимизации подобного, описываемого девятью параметрами механизма (фиг.8) состоит в уменьшении сил (нагрузки), действующих на его отдельные звенья, до минимально возможного уровня и в повышении плавности его работы.

Ниже со ссылкой на фиг.9 (9а и 9б), где изображена кинематическая схема ДВС, показанного на фиг.6 (6а и 6б соответственно), поясняется принцип работы регулируемого кривошипно-шатунного механизма. В процессе работы ДВС его поршень 4 совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение, которое передается на шатун 6. Движение шатуна 6 передается через опорную (шарнирную) точку В на поперечный рычаг 7, свобода перемещения которого ограничена за счет его соединения с прицепным шатуном 10 в опорной (шарнирной) точке С. Если точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна 10 неподвижна, то опорная точка С поперечного рычага 7 может совершать движение по дуге окружности, радиус которой равен длине прицепного шатуна 10. Положение такой круговой траектории движения опорной точки С относительно корпуса двигателя определяется положением точки Z. При изменении положения точки Z шарнирного соединения прицепного шатуна изменяется положение круговой траектории, по которой может перемещаться опорная точка С, что позволяет влиять на траектории движения других элементов кривошипно-шатунного механизма, прежде всего на положение в.м.т. поршня 4. Точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна предпочтительно перемещается по круговой траектории. Однако точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна может также перемещаться и по любой иной заданной управляемой траектории, при этом возможна также фиксация точки Z шарнирного соединения прицепного шатуна в любом положении траектории ее перемещения.

Поперечный рычаг 7 шарниром А соединен также с кривошипом 8 коленчатого вала 9. Этот шарнир А движется по круговой траектории, радиус которой определяется длиной кривошипа 8. Шарнир А занимает промежуточное положение, если смотреть вдоль линии, соединяющей между собой опорные точки В и С поперечного рычага 7. Наличие кинематической связи опорной точки С с прицепным шатуном 10 позволяет влиять на ее поступательное движение вдоль продольной оси 5 поршня 4. Перемещение опорной точки В вдоль продольной оси 5 поршня определяется траекторией движения опорной точки С поперечного рычага 7. Влияние на перемещение опорной точки В позволяет управлять возвратно-поступательным движением поршня 4 через шатун 6 и тем самым регулировать положение в.м.т. поршня 4.

В показанном на фиг.9а варианте прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7.

Поворотом выполненного в виде дополнительного кривошипа 11 регулирующего звена из показанного на фиг.9а примерно горизонтального положения, например, в обращенное вертикально вниз положение позволяет сместить положение в.м.т. поршня 4 вверх и тем самым увеличить степень сжатия.

На фиг.9б показана кинематическая схема выполненного по другому варианту ДВС, отличающаяся от показанной на фиг.9а схемы лишь тем, что прицепной шатун 10 вместе с выполненным в виде дополнительного кривошипа 11, соответственно регулирующего эксцентрика регулирующим звеном и шатун 6 расположены по разные стороны поперечного рычага 7. Во всем остальном принцип действия показанного на фиг.9б кривошипно-шатунного механизма аналогичен принципу действия показанного на фиг.9а кривошипно-шатунного механизма, у которого прицепной шатун 10 и шатун 6 расположены по одну сторону поперечного рычага 7.

На фиг.10 показана еще одна кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма поршневого ДВС, на которой представлены положения определенных точек этого кривошипно-шатунного механизма и на которой штриховкой обозначены оптимальные области, в пределах которых с учетом упомянутых выше оптимальных областей значений для длин и положений элементов кривошипно-шатунного механизма могут перемещаться опорная точка В шарнирного соединения поперечного рычага 7 с шатуном 6, опорная точка С шарнирного соединения поперечного рычага 7 с прицепным шатуном 10 и точка Z шарнирного соединения прицепного шатуна 10. Для обеспечения особо плавной работы ДВС с исключительно малой нагрузкой на отдельные элементы и звенья его кривошипно-шатунного механизма геометрические параметры (длина и положение) элементов и звеньев этого кривошипно-шатунного механизма должны удовлетворять определенным, предпочтительным соотношениям. Длины сторон a, b и с треугольного поперечного рычага 7, где а обозначает длину стороны, расположенной между опорной точкой В шатуна и опорной точкой С прицепного шатуна, b обозначает длину стороны, расположенной между шарниром А кривошипа и опорной точкой С прицепного шатуна, а с обозначает расстояние между шарниром А кривошипа и опорной точкой В шатуна, можно описать следующими неравенствами в зависимости от радиуса г, который равен длине кривошипа 8:

Длина l шатуна 6, длина k прицепного шатуна 10 и расстояние е между осью вращения коленчатого вала 9 и продольной осью 5 цилиндра 3, которая одновременно является и продольной осью поршня, перемещающегося в этом цилиндре, согласно предпочтительному варианту удовлетворяют следующим соотношениям:

Для показанного на фиг.9а варианта, в котором шатун 6 и прицепной шатун 10 располагаются по одну сторону поперечного рычага 7, также можно задать оптимальное соотношение размеров. При этом расстояние f между продольной осью 5 цилиндра и точкой Z шарнирного соединения прицепного рычага 10 к его регулирующему звену, а также расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой Z шарнирного соединения согласно предпочтительному варианту удовлетворяют следующим соотношениям:

При расположении прицепного шатуна и шатуна по разные стороны поперечного рычага оптимальное расстояние f между продольной осью поршня и точкой Z шарнирного соединения прицепного рычага к его регулирующему звену, а также оптимальное расстояние р между осью коленчатого вала и указанной точкой Z шарнирного соединения можно выбирать исходя из следующих соотношений:

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), имеющий поршень (4), который подвижно установлен в цилиндре и который шарнирно соединен с шатуном (6), движение которого передается на кривошип (8) коленчатого вала (9), при этом между шатуном (6) и кривошипом (8) предусмотрено передаточное звено, которое выполнено с возможностью управления его движением с помощью управляющего рычага (10) с целью обеспечить управляемое перемещение поршня, прежде всего обеспечить возможность изменения степени сжатия и хода поршня, и которое выполнено в виде поперечного рычага (7), который соединен с кривошипом (8) шарниром (А), который расположен в промежуточном положении на участке между опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), и опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и на некотором удалении от линии, соединяющей между собой обе эти опорные точки (В, С), в которых поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10) и шатуном (6) соответственно, отличающийся тем, что длина стороны (а), расположенной между опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), длина стороны (b), расположенной между опорной точкой (С), в которой поперечный рычаг (7) соединен с управляющим рычагом (10), и шарниром (А), которым поперечный рычаг (7) соединен с кривошипом (8), и длина стороны (с), расположенной между опорной точкой (В), в которой поперечный рычаг (7) соединен с шатуном (6), и шарниром (А), которым поперечный рычаг (7) соединен с кривошипом (8), удовлетворяют в пересчете на радиус (r) кривошипа следующим соотношениям:

6. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что точка (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) имеет возможность перемещения по управляемой траектории.

7. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) с помощью опирающегося на шарнир дополнительного кривошипа.

8. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) с помощью эксцентрика.

9. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность фиксации точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) в различных регулируемых угловых положениях.

10. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность регулирования углового положения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.

11. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории.

12. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала (9) движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории и возможность регулирования фазового сдвига между движением этой точки (Z) и вращением коленчатого вала (9) в зависимости от характеризующих режим работы ДВС величин и рабочих параметров ДВС.

13. Поршневой ДВС по п.4 или 5, отличающийся тем, что предусмотрена возможность синхронизированного с вращением коленчатого вала (9) движения точки (Z) шарнирного соединения управляющего рычага (10) по управляемой траектории, при этом предусмотрена возможность изменения передаточного отношения между движением указанной точки (Z) и вращением коленчатого вала (9).

Мы привыкли к тому, что степень сжатия и рабочий объем являются неизменными конструктивными параметрами автомобильного двигателя. Похоже, от этой привычки вскоре придется отвыкать. Тенденции развития моторостроения указывают на то, что будущее за двигателями с «изменяемыми неизменными». И это отнюдь не туманная перспектива – речь идет о будущем, которое стоит на пороге и уже стучится в дверь.

Пролог

Почти 15 лет тому назад шведский концерн SAAB, известный эксперт в области моторных технологий, в очередной раз возмутил спокойствие мировой автомобильной общественности. На мотор-шоу 2000 года в Женеве он продемонстрировал сенсационный результат многолетней работы над проектом SVC (SAAB Variable Compression) – прототип искрового двигателя с механическим нагнетателем и переменной степенью сжатия. Общественность «возмутили» как фантастические мощностные характеристики агрегата, так и его скромный аппетит. Рядная «пятерка» объемом 1,6 л развивала номинальную мощность и максимальный крутящий момент, характерные для 3-литрового двигателя V-6 (225 л.с./5800 мин-1 и 333 Нм/4000 мин-1 соответственно). При испытаниях SVC-мотора в составе автомобиля SAAB 9-5 расход топлива в комбинированном цикле составил всего 8,3 л/100 км.

Столь великолепная комбинация компактности, тяговых характеристик, расхода топлива и соответственно токсичных выбросов сулила в наступившем XXI веке радужные перспективы и шведскому концерну, и всему мировому автопрому. Недаром SVC-концепт тут же был удостоен нескольких наград от устроителей женевской выставки и ряда автомобильных изданий. В восторженных комментариях многих серьезных автоспециалистов высказывалось мнение, что начало массового производства SVC-двигателей – дело двух-трех лет. Меж тем минуло уже без малого 15, а «саабов» с чудо-моторами нет как нет. Страсти вокруг нашумевшего SVC-проекта улеглись, свежей информации о его дальнейшей судьбе не найти. Горячие головы из числа поклонников SAAB «катят бочки» на руководство GM – мол, те специально заморозили проект, который грозил вбить кол в производство многолитровых «джи-эмовских» «бормотографов» и пустить под откос целую отрасль их американской промышленности. В общем, история любопытная. Можно сказать, детективная. Чтобы в ней объективно разобраться, нужно вначале понять, в чем суть идеи изменения неизменного.

На пальцах

Из теории тепловых машин, начало которой было положено в первой половине XIX века французским ученым и инженером Сади Карно, известно, что эффективность идеального термодинамического цикла (его термический КПД) увеличивается с ростом степени сжатия (в) рабочего тела. Влияние степени сжатия на эффективность реальных тепловых машин – автомобильных ДВС – не столь однозначное. Теоретически обоснованному, «беспредельному» повышению степени сжатия препятствуют одновременно растущие механические потери на трение и газообмен, тепловые и механические нагрузки на детали двигателя, особенности автомобильных топлив и ряд других. Поэтому применительно к ДВС (определенной конструкции) можно говорить об оптимальном значении степени сжатия, при которой достигается максимум эффективного КПД, отвечающего за топливную экономичность и высокие мощностные характеристики. Точнее, о диапазоне оптимальных величин в, поскольку на разных режимах работы двигателя степень воздействия ограничивающих факторов различна и наиболее эффективная работа может достигаться при разных степенях сжатия.

Возьмем, к примеру, атмосферные искровые двигатели с внешним смесеобразованием. Исследования показывают, что оптимальная степень сжатия для таких моторов лежит в пределах 13-15. Дальнейшее увеличение в не приводит к заметному улучшению показателей двигателя из-за роста механических потерь. В то же время этот параметр у современных бензиновых двигателей обычно составляет величину порядка 10, т.е. существенно меньше оптимальной. Причина –стремление избежать детонации, опасность которой возникает прежде всего на режимах полной нагрузки, при высоких значениях давления и температуры в камере сгорания. Известно, что двигатель городского автомобиля работает с полностью открытым дросселем не более 10% времени эксплуатации. Это означает, что большую его часть он не добирает в мощности и неэкономно расходует топливо. Будь степень сжатия регулируемой, на режимах холостого хода и частичных нагрузок двигатель мог бы работать с оптимальной в, и только на мощностных режимах она уменьшалась бы до безопасного уровня. Подсчитано, что эта мера позволила бы снизить потребление бензина примерно на 10%. Не очень много, но и не мало, если принять во внимание огромное количество эксплуатируемых «бензиномобилей». Суммарная экономия нефти и сокращение выбросов в атмосферу были бы весьма ощутимыми.

Переменная степень сжатия сослужила бы добрую службу и дизельным двигателям. Современные дизели, большинство которых турбированные, также имеют степень сжатия, отличную от оптимальной. При конструировании дизелей ее выбирают из условия обеспечения устойчивого холодного пуска двигателя. В зависимости от конструкции мотора в может принимать значения от 16 до 24, что выше оптимума. Излишне высокая степень сжатия, обусловленная приемлемыми пусковыми характеристиками, препятствует увеличению давления наддува, т.е. повышению удельной мощности дизелей. Одно из следствий высокой степени сжатия – большое максимальное давление в камере сгорания. При наддуве оно еще больше возрастает, что грозит превышением допустимых нагрузок на детали двигателя, снижением его ресурса и даже разрушением. Возможность гибко регулировать степень сжатия турбодизелей позволила бы без проблем запускать двигатель при высокой в, а на мощностных режимах снижать ее вплоть до 10-11, одновременно увеличивая давление наддува. Так можно значительно повысить мощность, не опасаясь превысить предельное давление сгорания.

Отмеченные преимущества, которые сулят возможность регулирования степени сжатия, что называется, лежат на поверхности. Но все это цветочки, ягодки – впереди.

Два «дауна»

Не секрет, что появлением многих современных технологий в моторостроении мы обязаны борьбе за сокращение потребления топлива и уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа и прочих продуктов сгорания углеводородных топлив. Несмотря на достигнутые успехи, борьба отнюдь не закончена. Впереди двигате-листов ожидают новые вызовы, обусловленные еще более жесткими экологическими нормами и возрастающими требованиями к ездовым характеристикам автомобилей. Ответом на новые вызовы становятся новые стратегии развития автомобильных двигателей. Большинство специалистов в области моторостроения сходятся во мнении, что в ближайшей перспективе особенно актуальными будут две взаимосвязанные стратегии: downsizing и downspeeding. Название первой в русской транскрипции произносится «даунсайзинг» и означает «снижение размеров», наименование второй, звучащее как «даунспидинг», означает «снижение частоты вращения». Уделим внимание обоим «даунам», поскольку они непосредственно касаются темы разговора.

«Даунсайзинг» подразумевает движение в двух направлениях: повышение мощности и крутящего момента двигателя без увеличения его рабочего объема или сокращение литража при неизменных выходных характеристиках. В обоих случаях увеличиваются удельные показатели двигателя, в частности литровая мощность, что служит достижению главной цели – уменьшению расхода топлива. Другими словами, речь идет о разработке компактных и одновременно мощных моторов. Такие агрегаты эффективнее используют топливо (особенно при частичных нагрузках) благодаря меньшим потерям на газообмен и трение, а также меньшим утечкам тепла от рабочего тела в стенки камеры сгорания.

Еще больше уменьшить насосные потери и потери на трение можно, если у компактного мотора прибавка в мощности будет достигаться не за счет повышения частоты вращения коленчатого вала, а вследствие прироста крутящего момента во всем диапазоне оборотов. Этого можно достичь путем увеличения коэффициента наполнения и среднего эффективного давления в цилиндре (см. шпаргалку 2). Таким образом, стратегия «снижения размеров» становится еще более выигрышной, если ее дополнить «даунспидингом».

Нужно отметить, что идея повышения удельных характеристик двигателей ненова. На протяжении всей истории развития автомобильные двигатели постоянно совершенствовались, становились компактнее и мощнее. Другое дело, что сейчас эта тенденция стала приоритетной и появились технологические возможности, позволяющие получить на этом направлении качественный скачок. Стратегии снижения размеров и частоты вращения актуальны как для бензиновых, так и дизельных двигателей, но у искровых моторов потенциал развития в этих направлениях существенно выше. Для достижения намеченных целей в двигателе с искровым зажиганием планируется использовать несколько уже апробированных технологий:

Полностью регулируемый газораспределительный механизм с четырьмя клапанами на цилиндр (VVA);

Непосредственный впрыск топлива (GDI);

Принудительный наддув воздуха (СН).

Но ключом к успеху в деле создания компактного, мощного и экономичного бензинового двигателя является технология изменяемой степени сжатия (Variable Compression Ratio, или VCR). Ведь для получения ощутимого прироста литровой мощности потребуется наддув высокого давления. При этом многократно возрастет опасность возникновения детонации на нагрузочных режимах. Чтобы ее избежать, обычно форсированные двигатели с фиксированной степенью сжатия «разжимают» – уменьшают величину ε на несколько единиц (вплоть до 7-8), и она еще более отдаляется от оптимума. Расплатой за это становится неустойчивая работа и прожорливость «разжатого» двигателя на режимах холостого хода и частичных нагрузок. Технология VCR позволит высокофорсированному двигателю работать предельно эффективно на любых режимах. Для этого нужно лишь научиться плавно регулировать £ в диапазоне от 14 до 7. Полный контроль над детонацией в условиях наддува высокого давления даст возможность уменьшить литраж двигателей до 50%, сохранив их мощностные характеристики.

Благодаря гибкому регулированию степени сжатия можно будет воздействовать на параметры физических процессов в двигателе, влияющие на потребление топлива и эмиссию токсичных компонентов:

Давление и температуру в конце такта сжатия;

Максимальное давление и температуру сгорания;

Степень расширения и индикаторный КПД;

Объем камеры сгорания;

Температуру отработавших газов.

Вместе с экстремальным «даунсайзингом» это открывает колоссальные возможности экономии энергоресурсов и уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа. Так, по сведениям из разных источников, компактные VCR-двигатели с наддувом будут потреблять топлива на 20-40% меньше в сравнении с традиционными атмосферными моторами эквивалентной мощности. К примеру, экономия топлива двигателя SVC составила около 30%. На такую же величину сократятся и выбросы «парникового газа».

Технология регулируемой степени сжатия позволит использовать различные сценарии управления двигателем, способствующие снижению в выхлопе концентрации токсичных веществ. Например, при пуске холодного двигателя можно будет намеренно уменьшить индикаторный КПД. Вызванное этим повышение температуры отработавших газов ускорит прогрев катализатора и одновременно сократит эмиссию окислов азота. На режиме максимальной мощности VCR-технология позволит уменьшить тепловые нагрузки в камере сгорания и выпускной системе, не прибегая к обычно применяющемуся способу охлаждения – обогащению смеси и связанному с ним повышенному выбросу СО и НС. Такого рода меры позволят обеспечить возрастающие экологические требования к двигателям без усложнения и удорожания систем очистки отработавших газов. По мнению специалистов, благодаря технологии изменяемой степени сжатия искровые моторы смогут нокаутировать дизели и вернуть утраченное лидерство по экономичности и экологии.

Возможность изменения неизменного греет душу тем, кто ратует за использование альтернативных видов топлива. Регулируемая в широких пределах степень сжатия значительно упрощает задачу создания многотопливного двигателя, способного одинаково эффективно работать на бензине, природном газе или спиртобензиновой смеси Е-85, особенно популярной в Швеции и Штатах. Наконец, VCR-технология открывает дорогу для внедрения новых и совершенствования существующих перспективных технологий двигателестроения: использования адаптивного цикла Аткинсона, формирования расслоенных зарядов топливовоздушной смеси, сжигания сверхбедных смесей и ряда других.

Полный перечень потенциальных преимуществ ДВС с регулируемой степенью сжатия этим не исчерпывается, но и упомянутого достаточно, чтобы понять, чем обусловлен интерес большинства автопроизводителей к разработкам в этом направлении.

Просто было на бумаге...

Идея создания ДВС с изменяемой степенью сжатия овладела умами моторостроителей не вчера. Можно сказать, что в последнее время она лишь переживает свое второе рождение. Первое случилось еще на заре XX века, так что идея изменения неизменного ненамного моложе самих двигателей внутреннего сгорания. Примерно к середине прошлого столетия уже были разработаны и запатентованы (в виде схем или конструкций) практически все известные на сегодня способы, позволяющие варьировать степень сжатия в ДВС. Некоторые из предложенных решений в силу разных причин так и остались на бумаге, некоторые были воплощены в железе. Часть из созданных VCR-двигателей была доведена до уровня экспериментальной отработки, и лишь единицы выпускались мелкими сериями и устанавливались на автомобили. Существуют и такие «воплощения», которые уже почти сто лет применяются и будут применяться в ДВС, но не для транспортных целей. Подробнее об этом будет рассказано далее. Вначале посмотрим, в каких направлениях развивалась идея изменения неизменного.

Принципиально определить эти направления несложно. Для этого нужно припомнить, что геометрическая степень сжатия – это отношение максимального и минимального объема цилиндра, когда поршень находится в НМТ и ВМТ соответственно (см. шпаргалку 1). Из приведенного выражения для в видно, что воздействовать на степень сжатия можно путем изменения объема камеры сжатия (V), рабочего объема двигателя (Vh) или обоих параметров одновременно. Причем при постоянном рабочем объеме варьировать степень сжатия можно только за счет объема камеры сжатия. Анализ конструктивной схемы традиционного ДВС с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) дает основные способы воздействия на высоту камеры сжатия (hc):

1) изменение остова двигателя (расстояния от оси вращения коленвала до свода камеры сжатия);

2) изменение высоты поршня;

3) изменение длины шатуна;

4) изменение радиуса кривошипа.

Важно отметить, что в последнем случае – при изменении радиуса кривошипа – вместе со степенью сжатия будет меняться и рабочий объем двигателя (величина хода поршня). Возможность одновременного воздействия на оба геометрических параметра ДВС весьма заманчива. Особенно если они будут подчиняться обратной зависимости – с увеличением степени сжатия рабочий объем будет уменьшаться, и наоборот. Это позволит, например, уменьшить литраж двигателя на режимах пуска и частичных нагрузок и при этом работать с высоким индикаторным и механическим КПД за счет большой в и сокращения насосных потерь. С повышением нагрузки и ростом давления наддува двигатель будет «разжиматься» и одновременно «увеличиваться» в размерах. Так можно будет получить и высокую номинальную мощность, и максимальную топливную экономичность в каждой точке нагрузочной характеристики мотора.

Уменьшать или увеличивать объем камеры сжатия можно не только путем изменения ее высоты. Учтем прочие способы воздействия на величину У отдельным, пятым пунктом. Получившийся перечень также не будет полным без еще одного, шестого пункта. Дело в том, что приведенные выше соображения касались двигателей, в которых поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленвала с помощью КШМ. В технике известно множество других преобразующих механизмов, в том числе и таких, которые позволяют управлять движением поршней и воздействовать на степень сжатия и рабочий объем. Их использование в конструкции VCR-двигателей также может быть весьма перспективным.

За почти вековой период, прошедший с момента зарождения идеи, инженеры-изобретатели не оставили без внимания ни одно из указанных направлений. Отметим некоторые из достигнутых ими результатов.

Изменение остова двигателя

Один из первых VCR-двигателей, устроенных по этому принципу, был создан в 20-е годы прошлого века талантливым британским инженером и исследователем сэром Гарри Рикардо. Сэр Рикардо разработал свой одноцилиндровый мотор с регулируемой степенью сжатия для изучения свойств моторных топлив и явления детонации. Он же впоследствии ввел в обиход понятие октанового числа топлива. В двигателе Рикардо величина остова изменялась за счет перемещения цилиндра и головки блока относительно неподвижных картера и коленчатого вала. Цилиндр соединялся с картером при помощи гайки с трапецеидальной резьбой – перемещение цилиндра достигалось ее поворотом. Изменение расстояния между коленчатым и распределительным валами компенсировалось промежуточным роликом в цепном приводе распредвала. Аналогичную схему имеют большинство двигателей, входящих в состав исследовательских установок, в том числе и самых современных. Их широко используют для изучения всевозможных физических процессов в ДВС. Забегая вперед, скажем, что и в многоцилиндровом SVC-концепте также использован принцип варьирования остова за счет смещения моноблока, включающего цилиндры и ГВЦ.

Известно немало схем двигателей, в которых, напротив, коленчатый вал имеет возможность перемещаться относительно цилиндра. В немецком патенте 1968 года описан двигатель Varimax, в котором опоры коленвала вывешены внутри картера на раме. Раму с двух сторон поддерживают вертикальные штанги – с одной стороны неподвижные, с другой – регулируемые. Смещение оси коленчатого вала достигается изменением длины регулируемых штанг. Чаще для перемещения вала предлагается установить его коренные подшипники в эксцентриковые втулки. По такой схеме устроен один из VCR-двигателей, разработанных специалистами известной исследовательской фирмы из Германии FEV Motorentechnik. Втулки имеют зубчатые венцы, в зацепление с которыми входят шестерни, расположенные на едином валу.

Общий недостаток упомянутых конструкций – снижение жесткости остова двигателя, его «станового хребта», за счет неизбежного использования дополнительных соединений между картером, коленвалом и цилиндром. Механизмы, отвечающие за изменение высоты остова, подвергаются большим нагрузкам от газовых и инерционных сил.

Конструкции с подвижным коленчатым валом к тому же страдают от недостаточной жесткости опор и серьезных проблем, связанных с совмещением оси «колена» с осью первичного вала КПП. Таким образом, то, что не является критичным для стационарных лабораторных установок, представляет немалые проблемы на пути создания надежных изделий для транспортных машин.

Изменение высоты поршня

На первый взгляд изменение высоты поршня кажется наиболее привлекательным методом воздействия на степень сжатия. Действительно, в отличие от других этот способ требует минимальных изменений в архитектуре базового двигателя. Конструкция поршня с изменяющейся высотой была предложена в 1952 году Британским научно-исследовательским институтом двигателей. Поршень состоит из двух частей – «тела» с юбкой и подвижной головки, выполненной в виде стакана. Контактная поверхность между телом и головкой уплотнена, во внутреннюю полость между ними по каналам в шатуне подается моторное масло. Изменение его количества приводит к вариации высоты поршня. С увеличением высоты надпоршневой зазор сокращается, степень сжатия растет, и наоборот. Подача масла регулируется с помощью системы клапанов.

Вслед за британцами в этом же направлении работали двигателисты концернов Ford и Mercedes-Benz и предложили свои варианты «телескопических» поршней. Они отличались несколько иной схемой подачи масла и организацией уплотнения подвижной головки. Поршни использовали в конструкции двигателей, выпускаемых небольшими сериями. Диапазон изменения степени сжатия у разных двигателей был различным. Например, на автомобилях М-В S-класса он составлял 11-14, за счет этого эффективный КПД двигателей возрастал на 5%.

Наиболее заметного успеха в этом направлении достигла американская корпорация Continental. На протяжении ряда лет она выпускала дизель специального назначения AVCR-1100 с регулируемой высотой поршней. Степень сжатия в нем изменялась в пределах от 10 до 22. Увеличение высоты поршня от минимума до максимума происходило за 60-65 циклов или примерно за 3 с, потому что оно возможно лишь в течение небольшого периода времени, пока действующие на поршень силы инерции превышают силу противодавления газов. Низкое быстродействие – не самый значительный недостаток конструкций с телескопическими поршнями. Механизм с прецизионными элементами вынужден работать в условиях больших температур и нагрузок. Одно из вероятных следствий этого – коксование масла и потеря подвижности головки поршня. К тому же реализация способа связана с существенным увеличением массы поршней со всеми вытекающими последствиями.

Изменение длины шатуна и радиуса кривошипа

В разное время было предложено большое количество конструкций шатунов с изменяемой длиной. Большая часть из них основывалась на тех же решениях, что применялись для изменения высоты поршней. Тело шатуна изготавливалось телескопическим, его длина изменялась с помощью механических или гидравлических устройств. Таким конструкциям свойственны те же недостатки, что и телескопическим поршням. Более того, надежность конструкции оказывалась еще ниже из-за того, что шатун, в отличие от поршня, подвержен большим изгибающим нагрузкам. В нескольких патентах предлагалось изменять длину шатуна путем размещения эксцентриковых элементов в верхней или нижней головках. Практическая реализация этих способов оказалась настолько сложной, что они так и остались чистыми идеями.

Применение эксцентрикового механизма также рассматривалось в качестве средства для изменения радиуса кривошипа. В этом направлении дальше всех продвинулась голландская инжиниринговая фирма Gomecsys. В предложенной ею конструкции вокруг шатунной шейки размещается подвижная эксцентриковая втулка с зубчатым венцом. Ее угловое положение изменяется за счет поворота ответной зубчатой шестерни большого диаметра с внутренним зацеплением. По такому принципу построены и исследуются 2- и

4-цилиндровый моторы – прототипы GoEngine. Разработанный механизм одновременно обслуживают два цилиндра. Поэтому он подходит только для двигателей с определенной схемой – четным числом цилиндров, из которых два соседние работают синхронно. В других случаях количество зубчатых пар, масса и габариты двигателя возрастают чрезмерно. Одно это уже значительно сужает возможности его практического применения.

Изменение объема камеры сжатия

Альтернативные способы изменения объема камеры сжатия главным образом сводятся к устройству разделенной камеры, состоящей из двух сообщающихся частей – основной и дополнительной. Объем дополнительной камеры варьируется перемещением ее свода, которое осуществляется гидравлическими, механическими или электрическими устройствами. При этом изменяется суммарный объем камеры сгорания и соответственно степень сжатия.

Одной из первых подобную систему освоила французская фирма Hispano-Suiza. В авиационном дизельном двигателе V8 модели HS-103 применяли вихревую камеру переменного объема, подвижный свод которой перемещался под действием гидравлики. Похожее устройство регулирования степени сжатия в искровом двигателе было запатентовано концерном Ford. Отличие состояло в том, что в этой конструкции подвижная часть дополнительной камеры перемещалась при помощи профилированного кулачка. Наконец, по этому же принципу варьировалась степень сжатия в концепт-двигателе ALVAR, авторство которого принадлежит концерну Volvo. Здесь сводами дополнительных камер сжатия служили днища небольших вторичных поршней, которые приводились в действие от вала, расположенного в ГБЦ.

Способ разделения камеры сжатия привлекателен тем, что необходимые изменения ограничиваются только конструкцией головки. С другой стороны, ГБЦ (особенно современного многоклапанного двигателя) и без того достаточно плотно «упакована». Так что размещение в ней дополнительного элемента представляет большую проблему. Наличие «аппендикса» в камере сгорания неизбежно нарушает процесс смесеобразования и сгорания, что приводит к ухудшению экологических характеристик мотора. Наконец, регулирующий механизм работает в зоне максимальных тепловых и механических нагрузок, что не может не сказаться на его надежности.

На этом этапе можно сделать некоторые промежуточные выводы. Они, к сожалению, не очень утешительны. Для двигателей с традиционным КШМ были предложены и в различной степени опробованы всевозможные варианты регулирования степени сжатия. Большинство из них позволяло решить поставленную задачу по изменению в, но ни один не оказался безусловно предпочтительным и пригодным для широкого применения на серийных моторах из-за трудностей в изготовлении или обеспечении приемлемой работоспособности. Это побудило инжене-ров-двигателистов вспомнить о других типах механизмов, преобразующих поступательное движение во вращение.

Применение не традиционных преобразующих механизмов

Данное направление работ по созданию VCR-двигателя без натяжки можно назвать популярным. Им занимались и продолжают интенсивно заниматься многие автоконцерны – Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot/Citroen – и моторные исследовательские компании: немецкая FEV Motorentechnik, британская Mayflower и французская МСЕ-5 Development. Fla протяжении многих лет аналогичные разработки ведутся и в ННАМИ. Попробуем понять причину интереса к этой тематике.

Полистав увесистый томик ТММ (теория механизмов и машин, на студенческом сленге – тут моя могила), можно обнаружить огромное количество кинематических схем механизмов, которые, в принципе, возможно использовать в ДВС для передачи движения от поршня к коленчатому валу. Кривошипно-шатунный механизм – простейший из них, в чем состоит его неоспоримое достоинство. В соответствии с классификацией KIJJM является одноэлементным преобразующим механизмом, поскольку поршень связан с кривошипом единственным звеном – шатуном. Внимание двигателистов привлекли трехэлементные механизмы, которые при относительной простоте потенциально способны обеспечить важное преимущество – гибкое управление движением поршня. Трехэлементные устройства подразделяют на две большие группы – балансирные и траверсные. В первых связанное с шатуном звено (балансир) вращается, во вторых оно совершает сложное плосеое движение и называетсв траверсой. Балансирные механизмы соединяются с кривошипом тягой, треверсные – самой траверсой.

Было запатентовано и экспериментально отработано множество конструкций балансирных ДВС. Большинство из них представляли собой 2-тактные двигатели с противоположным движением поршней. Исследования показали, что ставка на балансирные механизмы себя не оправдывает. Хотя балансирные двигатели демонстрировали достаточно высокую надежность, они имели значительно большие габариты по сравнению с традиционными, ненамного превосходя их по возможности регулирования движения поршней. Гораздо более обнадеживающие результаты были получены в ходе экспериментальной отработки траверсных механизмов. Было доказано, что при определенных условиях они способны обеспечить следующие преимущества:

Приемлемый диапазон регулирования степени сжатия (ε = 7–15);

Возможность одновременного регулирования степени сжатия и рабочего объема, причем по оптимальному алгоритму;

Возможность сведения к минимуму дисбаланса двигателя за счет оптимизации закона перемещения поршней и использования массы дополнительных элементов;

Небольшие нагрузки на органы управления VCR-механизмом и, как следствие, достаточно высокое быстродействие;

Отсутствие экзотических деталей, использование традиционных для двигателестроения технологий.

Именно поэтому траверсный механизм взят за основу большинством из упомянутых выше разработчиков VCR-двигателей. Это не означает, что все они движутся «след в след». Используются разные кинематические схемы и различные конструктивные решения. Выражение «при определенных условиях» было употреблено ранее неслучайно. Действительно, преимущества траверсных механизмов присущи им отнюдь не «по определению». Они достигаются только тогда, когда геометрические и конструктивные параметры всех звеньев оптимизированы с точки зрения закона движения поршня, уравновешенности механизма и прочности. На текущем этапе эти вопросы являются основным предметом исследования.

Помимо этого отрабатываются различные варианты привода механизма и алгоритма автоматического управления степенью сжатия.

Тем временем фирма MCE-5 ведет работы в другом направлении. В предложенной ею конструкции VCR-двигателя используется КШМ, но нетрадиционным способом. Верхняя головка шатуна соединена не с поршнем, а с осью зубчатого колеса, которое, в свою очередь, связано со штангой, жестко прикрепленной к поршню. Решение на первый взгляд не бесспорное, но, по заявлениям разработчиков, обладающее рядом достоинств. Утверждается, что механизм позволяет регулировать степень сжатия в широких пределах, обеспечивает минимальные потери на трение ввиду отсутствия бокового давления поршня на стенки цилиндра, исключительно надежен и имеет большой ресурс.

Проверить это мы сможем в следующей статье, которая будет посвящена наиболее перспективным проектам ДВС с «изменяемыми неизменными».

Уникальную информацию по устройству, эксплуатации и ремонту систем турбонаддува смотрите на сайте turbomaster.ru

Редакция благодарит доктора технических наук Георга Тер-Мкртичьяна за помощь в подготовке статьи.

• Сергей Самохин

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Недавно на автосалоне в Париже марка Infiniti (читай, альянс Renault-Nissan) представила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Фирменная технология Variable Compression-Turbocharged (VC-T) позволяет варьировать эту самую степень, буквально высасывая все соки из двигателя.

В «идеальной вселенной» правило простое - чем выше степень сжатия топливо-воздушной смеси, тем лучше. Смесь максимально расширяется, поршни движутся как заведенные, следовательно, мощность и КПД мотора максимальны. Другими словами, топливо сжигается чрезвычайно эффективно.

Все было бы замечательно, если б не сама природа топлива. В ходе издевательств его терпению когда-то наступает предел: чем ровнее сгорает смесь - тем лучше, но при высоких нагрузках (высокая степень сжатия, большие обороты) смесь начинает взрываться, а не сгорать. Такое явление называется детонацией, и эта штука весьма разрушительна. Стенки камеры сгорания и сам поршень испытывают серьезные ударные нагрузки и постепенно, но довольно быстро разрушаются. Кроме того, падает эффективность мотора - нормальное рабочее давление на поршень падает.

Таким образом, наиболее выгодный вариант - когда двигатель в любом режиме работает на грани детонации, не допуская этого явления. Инженеры Infiniti составили график, на котором обозначили для себя эффективные режимы работы двигателя в зависимости от нагрузки, величины оборотов и степени сжатия топливо-воздушной смеси. (На самом деле эффективность сгорания топлива можно повышать и другими способами, например, увеличением количества клапанов на цилиндр, настройкой графика их работы, даже выбором места над поршнем, куда направляется впрыск порции топлива. Конечно, мы об этом помним.) Первые два параметра, понятно, зависят как от внешних факторов, так и от тщательного подбора трансмиссии. А третий - степень сжатия - также решено было изменять в пределах от 8:1 до 14:1.

Технически это выглядит как введение в конструкцию кривошипно-шатунного механизма дополнительного элемента - коромысла между шатуном и коленвалом. Коромысло управляется электромотором - рычаг можно сдвигать таким образом, что диапазон хода поршня варьируется в пределах 5 мм. Этого достаточно для существенного изменения степени сжатия.

Достоинств без недостатков не бывает. На первый взгляд, они очевидны: увеличение сложности конструкции, некоторая прибавка в весе... Однако насчет этих минусов грех жаловаться - двигатель получился очень сбалансированным, благодаря чему из конструкции были выведены балансировочные валы. Вероятно также, что двигатель особо чувствителен к марке и качеству топлива. Думается, эта проблема - во всяком случае, в значительной степени - решается программными методами.

Поскольку в названии технологии присутствует слово Turbocharged, очевидно, что такие моторы будут турбированными. Первый из них - двухлитровый 270-сильный встанет под капот кроссовера Infiniti QX50. Уверяют, что двигатель с изменяемой степенью сжатия потребляет на целых 27% меньше топлива, чем обычный мотор аналогичного объема. Цифра крайне внушительная. Надо думать, что и экологичность (количество выбросов вредных веществ) у него на высоте.