Двигатель с изменяемой степенью сжатия: принцип работы и особенности

Изменение степени сжатия: зачем это нужно

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

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

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

Однако есть и нюансы. Прежде всего, это детонация двигателя. Опять же, если не вдаваться в подробности, в норме заряд топлива и воздуха в цилиндрах должен именно гореть, а не взрываться. Более того, воспламенение смеси должно начинаться и оканчиваться в строго заданные моменты.

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

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

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

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 кривошипно-шатунного механизма.

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.

Lotus Omnivore Concept Engine

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 двухтактные двигатели в наше время почти не устанавливаются.

Volkswagen

Немецкий автоконцерн, опираясь на ошибки своих предшественников, трогать поршни и камеру сгорания не стал. Зато инженеры компании уделили внимание подъёму коленвала. То есть они хотели создать систему, которая позволила бы управлять высотой осуществляемого подъёма коленчатого вала.

В результате получилась схема, где опорные шейки коленвала разместили внутри специальных муфт. Причём применялись именно муфты эксцентрикового типа. Они приводились в движение с помощью шестерёнок, которые были непосредственно связаны с электромотором.

За счёт того, что эксцентрики осуществляли повороты, коленчатый вал опускался и поднимался. Тем самым менялась высота подъёма рабочих поршней относительно к головке блока. Это позволило уменьшить и увеличивать текущий объём камеры сгорания двигателя, параллельно меняя и сам показатель степени сжатия.

Немецким инженерам удалось создать сразу несколько прототипов. В качестве базового двигателя для своих разработок в Volkswagen использовали турбомотор объёмом 1,8 литра. В их разработках степень сжатия удавалось менять в пределах 8-16 единиц. Проводились длительные и многочисленные испытания. Но по каким-то причинам двигатель так и не поступил в серийное производство.

Saab

Ещё одна достаточно неплохая попытка предпринималась инженерами компании Saab. Их разработка отличалась тем, что степень сжатия они хотели изменить путём подъёма всего блока.

В какой-то момент создалось впечатление, что совсем скоро двигатель поступит в серийное производство. Мотор получил достаточно известную в своё время маркировку SVC. Это был двигатель с рабочим объёмом 1,6 литра с 5 цилиндрами и системой турбонаддува.

На выходе мощность силовой установки достигла 220 лошадиных сил с крутящим моментом свыше 300 Нм. За счёт своих нововведений уровень потребления мотором топлива удалось сократить практически на 35%. При этом мотор был всеядным, поскольку мог хорошо работать на высокооктановом 98 бензине, так и на обычном дешёвом АИ 76.

Решение инженеров компании Saab было следующим. Они разделили моторный блок цилиндров, что позволило получить условно две составляющие части двигателя. Вверху располагалась сама головка блока и цилиндровые гильзы, а место в нижней части отвели под коленчатый вал. Соединительным элементом между двумя частями ДВС стал шарнир подвижного типа и специальный механизм, работающий за счёт электрического привода.

Подобное решение позволило поднимать верхнюю часть блока цилиндров под углом. Этот угол подъёма составлял буквально несколько градусов, что позволило менять степень сжатия в достаточно широком диапазоне от 8 до 14 единиц. Для герметизации стыка использовался специальный кожух, выполненный на основе высокопрочной, но эластичной резины.

В теории всё выглядело очень перспективно и многообещающе. Но когда инженеры столкнулись с практической реализацией своей идеи, оказалось, что подвижный верхний блок и кожух не обладали достаточной надёжностью, прочностью и долговечностью. Они обещали стать слабым звеном двигателя. Не исключено, что именно эта причина послужила основой для отказа от серийного производства двигателя, где удалось реализовать системы изменяемой степени сжатия.

Peugeot

Следующими свои силы решили попробовать французские инженеры из автокомпании Peugeot. За основу разработчики Пежо взяли турбированный двигатель с рабочим объёмом 1,5 литра, которого обеспечили возможностью менять текущую степень сжатия. Диапазон изменения параметра составил 7-18 единиц. Такой двигатель на выходе давал 225 лошадиных сил, а его крутящий момент достигал 420 Нм.

В конструктивном плане двигатель получился очень сложным, здесь использовался разделённый шатун. В зоне его крепления к коленчатому валу шатун дополнительно получил специальное зубчатое коромысло. А на участке соединения поршня и шатуна инженеры применили зубчатую планку-рейку.

С другой стороны к установленному коромыслу фиксировалась поршневая рейка. Этот поршень отвечал за управление. Движение создавалась за счёт смазочной системы. Масло проходило путь, состоящий их множества каналов и клапанов. Дополнительно здесь задействовали электрический привод.

Если говорить коротко, то за счёт своего перемещения управляющий поршень воздействовал на коромысло. Это позволяло менять высоту подъёма главного цилиндрового поршня.

В дальнейшем проект заморозили, никаких намёков на разморозку и серийное производство такого мотора пока не появлялось.

Как рассчитывают степень сжатия двигателя

Поскольку очень желательно, чтобы двигатель внутреннего сгорания, установленный на автомобиле, имел максимально возможную степень сжатия, то необходимо уметь ее определять. Важно это еще и для того, чтобы при регулировке силового агрегата, направленной на его форсирование, избежать опасности детонации, которая может просто разрушить мотор.

Стандартная формула, по которой рассчитывается степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, имеет следующий вид:

  • CR=(V+C)/C,
  • где CR — степень сжатия двигателя, V — рабочий объем цилиндра, C — объем камеры сгорания.

Для того чтобы определить значение этой величины для одного цилиндра, нужно сначала разделить общий рабочий объем силового агрегата на их количество. Таким образом определяется значение параметра V из приведенной выше формулы. Определить объем камеры сгорания (то есть значение величины С) несколько сложнее, но вполне возможно. Для этого опытные автомобилисты и механики, специализирующиеся на ремонте и наладке двигателей внутреннего сгорания, используют бюретку, которая проградуирована в кубических сантиметрах. Наиболее простой способ заключается в том, чтобы залить в камеру сгорания жидкость (например, бензин), а после этого измерить с помощью бюретки ее объем. Полученные данные нужно подставить в формулу расчета.

На практике значение степени сжатия двигателя обычно определяется в следующих случаях:

  • При форсировании силового агрегата;
  • При его приспособлении для функционирования с топливом другого октанового числа;
  • После проведения такого ремонта ДВС, когда требуется корректировка степени сжатия.

Как изменить степень сжатия двигателя

У современных двигателей внутреннего сгорания меняют степень сжатия как в сторону увеличения, так и в строну уменьшения. Если ее необходимо увеличить, то растачивают цилиндры и устанавливают поршни большего диаметра. Еще один достаточно распространенный способ — это уменьшение объема камер сгорания. Для этого там, где головка цилиндров сопрягается с блоком, удаляется слой металла. Эту операцию производят на строгальном или фрезерном станке.

Если по тем или иным причинам нужно снизить степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, то проще всего для этого между блоком цилиндров и головкой установить дополнительную прокладку из дюралюминия. Еще один, более сложный способ состоит в том, что на токарном станке с днища поршня удаляется слой металла.

Возможно ли повысить степень сжатия

Существует возможность форсировать имеющийся агрегат посредством увеличения рабочего объема цилиндров или степени сжатия. Но здесь важно не переусердствовать и тщательно всё просчитать, прежде чем сломя голову бросаться в бой. Ошибки могут привести к такой разбалансированности работы агрегата и детонациям, что не помогут ни высокооктановый бензин, ни регулировка угла опережения зажигания.

Едва ли есть смысл заниматься форсированием движка, изначально имеющего высокую степень сжатия. Затраты сил и денег будут достаточно велики, а прирост мощности скорее всего окажется незначительным.

Достичь желаемой цели можно двумя способами — расточкой цилиндров, что позволит сделать рабочий объем двигателя несколько больше, либо фрезеровкой нижней поверхности головки блока цилиндров (ГБЦ).

Расточка цилиндров

Наилучший момент для этого — проведение капитального ремонта двигателя, когда растачивать цилиндры придется в любом случае.

Прежде чем производить эту операцию, нужно подобрать поршни и кольца под новый размер. Вероятно, несложно будет найти детали под ремонтные размеры для данного двигателя, но это не даст ощутимого прироста рабочего объема и мощности движка, так как разница в размерах очень незначительна. Лучше поискать поршни и кольца большего диаметра для других агрегатов.

Не стоит пытаться растачивать цилиндры самостоятельно, поскольку для этого требуется не только умение, но и специальное оборудование.

Доработка ГБЦ

Фрезеровка нижней поверхности ГБЦ позволит уменьшить длину цилиндра. Короче станет именно камера сгорания, частично или полностью находящаяся в головке, а значит, возрастет степень сжатия.

Для прикидочных расчетов можно принять, что снятие слоя в четверть миллиметра повысит степень сжатия примерно на одну десятую. Тот же эффект даст установка более тонкой прокладки ГБЦ. Можно также совместить одно с другим.

Не забудьте, что доработка головки требует точного расчета. Это позволит избежать чрезмерной степени сжатия и неконтролируемой детонации.

Форсирование двигателя таким методом таит еще одну потенциальную проблему — укорочение цилиндра повышает риск того, что поршни будут встречаться с клапанами.

Кроме всего прочего, придется еще и заново регулировать фазы газораспределения.

Форсирование двигателя путем увеличения степени сжатия

Чем выше степень, тем горячее воздух в конце такта сжатия и тем выше КПД двигателя. Но повышение одного параметра не гарантирует линейное возрастание второго. Наибольший прирост мощности ощущается при повышении степени до 10-11 единиц.

К примеру, увеличив степень сжатия стандартного ВАЗовского мотора с 9.8 до 11, мы в теории получаем прирост термического КПД на 4%. Тест на стенде при этом покажет куда более скромное значение – 2,5%. Повысив степень сжатия того же мотора еще на единицу, мы получим фактическую прибавку в 4.5%. Моментная характеристика возрастет главным образом на низких и средних оборотах. Дальнейшее увеличение степени сжатия без перехода на высокооктановое спортивное топливо и вовсе не даст результат.

Причина такого явления — в детонации, которая возникает в случае слишком высокого пикового давления в камере сгорания. При контакте с разогретым воздухом в таком случае смесь самовоспламеняется еще до момента подачи искры. При этом фронт пламени распространяется со скоростью более 2000 м/с, тогда как значение при нормальном сгорании не превышает 250-300 м/с.

Ударная волна такой силы оказывает разрушительное давление на цилиндры, стенки камеры сгорания, поршни. Также значительно повышается температура выхлопных газов, что приводит к прогоранию днища поршня, клапанов.

Поэтому тюнинг со сжатием следует проводить после точного математического расчета и с прицелом на октановое число бензина.

Основные методы увеличения

  1. Уменьшение толщины ГБЦ, БЦ. С привалочной плоскости головки и блока методом фрезеровки либо шлифовки снимается слой металла и уменьшается объем камеры сгорания.
  2. Установка поршней с выпуклостями. Цель, как и в предыдущем методе – уменьшение объема камеры сгорания.
  3. Увеличение хода поршня за счет установки другого коленчатого вала, шатунов.

Как работает двигатель с изменяемой степенью сжатия?

До недавнего времени показатель степени закладывался инженерами на этапе разработки и был фиксированным вне зависимости от режима работы двигателя. Нормальное значение для современных бензиновых моторов варьируется от 8 до 14 единиц, традиционно высокая степень сжатия у дизельных моторов – 18-23.

Ужесточение экологических норм заставляет гениев инженерной мысли искать новые пути увеличения термического КПД. Одно из таких решений – двигатель с изменяемой степенью сжатия. Было разработано несколько вариантов динамического изменения степени:

  • дополнительная секция в полости ГБЦ. Открытие секции позволяет увеличить объем камеры сгорания, уменьшая тем самым степень. Система не получила распространения из-за избыточного усложнения конструкции ГБЦ;
  • поршни с изменяемой высотой. Конструкция получилась слишком громоздкой, появились проблемы с перекосом поршней и уплотнением ЦПГ;
  • регулировка высоты подъема коленчатого вала. Изменение степени сжатия осуществляется за счет специальных эксцентриковых муфт, которые регулируют высоту опорных подшипников коленвала. Технология долгое время тестировалась концерном VAG, но так и не вошла в серию;
  • регулировка высоты поднятия ГБЦ. Специальный механизм с электроприводом и шарнирное соединение частей блока двигателя позволяли регулировать степень от 8 до 14 единиц. Разрабатывалась технология инженерами SAAB, но из-за ненадежности резинового кожуха, герметизирующего подвижные части блока, и излишней сложности конструкции также не пошла в серию;

  • шатун с изменяемой длиной. Высота шатуна регулировалась специальным реечным механизмом с помощью давления масла. Как и в предыдущих случаях, разработка французских инженерах не была внедрена в массовое производство;

  • траверсный механизм сочленения шатуна с коленчатым валом. За счет изменения угла поворота траверсы уменьшается либо увеличивается ход поршня. Разработка инженеров Infiniti используется на двухлитровом моторе VC-T, который сейчас устанавливается на кроссовер QX50. Двигатель развивает максимальную мощность в 268 л.с. и пиковый крутящий момент 380 Нм.

Влияние на мощность

Чем сильнее сжимается рабочая смесь, тем более высокое давление образуется в камере сгорания. Следовательно, поршень получает значительно больше энергии, которая естественным образом переходит на коленвал.

Вывод очевиден: чем выше степень сжатия — тем мощнее мотор. Но данный показатель не может увеличиваться бесконечно: при создании чрезмерно высокого давления может происходить крайне нежелательное явление — преждевременное воспламенение, называемое детонацией. Из-за него давление на поршень начинает создаваться еще до того, как он достигнет верхней позиции. Это становится причиной:

  • мощных и резких ударных нагрузок;
  • постоянного перегрева даже после непродолжительной работы;
  • разрушения поршневых пальцев и колец;
  • ощутимой потери динамики и мощности.

Поэтому степень сжатия должна определяться с учетом других рабочих характеристик и конструктивных особенностей конкретного двигателя.

Уменьшение степени сжатия

Процедура приводит к снижению мощности двигателя, но позволяет перевести двигатель на более дешевый низкооктановый бензин. Чтобы уменьшить степень сжатия, следует увеличить объем камеры сгорания. Это делается через повышение высоты прокладки под головкой блока цилиндров. Алгоритм прост: между двумя стандартными прокладками подкладывается третья, сделанная из алюминия.

Технология была широко распространена в советские времена, когда владельцы карбюраторных «Жигулей» и «Москвичей» массово переводили свои машины с 92-го на более дешевый 76-й бензин. На современных автомобилях, оснащенных электронными системами управления двигателем, проводить данную процедуру крайне не рекомендуется: с экономической точки зрения это бессмысленно, а с технической — может привести к серьезным неполадкам.

Цикл Миллера-Аткинсона

Большую известность цикл Миллера-Аткинсона получил благодаря рекламным брошюрам компании Mazda. Маркетологи гордо заявляют, что инженерам удалось поднять степень сжатия двигателей модели Skyactive до 14 единиц. На самом деле речь идет о геометрической степени сжатия, а не о фактической.

Трюк заключается в том, что во время поднятия поршня на такте сжатия выпускные клапаны еще долгое время открытые, из-за чего часть свежего воздушного заряда выталкивается в выхлопной тракт. Поэтому фактическая степень близка к стандартным для бензиновых моторов 12 единицам. Увеличение термического КПД при этом достигается за счет более эффективного использования энергии расширяющихся газов на такте рабочего хода. За счет большего хода (увеличен диаметр кривошипа) газы дольше давят на поршень. Поэтому при сгорании одной и той же доли топлива, в сравнении с обычным циклом Отто, на коленчатый вал передается больший крутящий момент. Технология позволяет в режимах малых и средних нагрузок значительно уменьшить расход топлива и количество вредных выбросов.

Источники


  • http://KrutiMotor.ru/dvigatel-s-peremennoj-stepenyu-szhatiya/
  • https://auto-ru.ru/dvigatel-s-peremennoj-stepenyu-szhatiya.html
  • https://DriverTip.ru/osnovy/osobennosti-dvigateley-s-peremennoy-stepenyu-szhatiya.html
  • https://AvtoNov.com/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%B5%D0%BD%D1%8C-%D1%81%D0%B6%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%8F-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F/
  • https://kitaec.ua/articles/chto-takoe-stepen-szhatiya-dvigatelya/
  • https://topmekhanik.ru/stepen-szhatiya-dvigatelya/
  • https://www.dieselkraft.by/poleznaya-informatsiya/stepen-szhatiya-dvigatelya.html

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Ремонт автомобиля, решение проблем с авто