Какими особенностями обладают двигатели с переменной степенью сжатия

Двигатели с переменной степенью сжатия — это перспективная технология в области внутреннего сгорания, значительно улучшающая характеристики работы двигателей. Они сочетают преимущества бензиновых и дизельных моторов, что открывает новые горизонты в повышении эффективности, производительности и экономичности ДВС. В этой статье рассмотрим ключевые особенности и преимущества таких двигателей, а также их влияние на будущее автомобильной индустрии, чтобы читатели лучше поняли, как эти инновации изменят представления о работе двигателей.

Зачем используется ПСС

Опытным водителям известно, что степень сжатия в двигателе — это соотношение объёма над поршнем в нижней мёртвой точке к объёму в верхней мёртвой точке.

Для бензиновых двигателей стандартный диапазон степени сжатия составляет 8–14, а для дизельных — 18–23. Эти значения фиксируются на этапе проектирования. В зависимости от степени сжатия к двигателю предъявляются требования к октановому или цетановому числу топлива, а также учитывается наличие системы турбонаддува, что различает атмосферные и турбированные двигатели.

Степень сжатия определяет, насколько сильно сжимается топливовоздушная смесь в цилиндрах. При высоком сжатии смесь лучше воспламеняется и полностью сгорает, что увеличивает коэффициент полезного действия, улучшает отдачу и снижает расход топлива.

Однако высокое сжатие может вызвать детонацию. В норме топливовоздушная смесь должна гореть, а не взрываться. Процесс воспламенения должен происходить в строго определённые моменты.

Топливо имеет характеристику детонационной устойчивости, то есть способность противостоять детонации. Если степень сжатия слишком высока, бензин или дизель могут сдетонировать в определённых режимах работы двигателя.

Детонация приводит к неконтролируемым процессам, вызывая ускоренный износ деталей, ударные волны и повышение температуры, что может иметь серьёзные последствия. Поэтому поддерживать постоянно высокую степень сжатия нельзя.

Единственным решением проблемы является гибкое изменение параметров в зависимости от режима работы двигателя. Это повышает эффективность, улучшает сгорание топливовоздушной смеси и экономичность, а также обеспечивает лучшую производительность. Увеличение степени сжатия происходит временно и только в определённых условиях, что предотвращает разрушительные последствия.

Преимущества двигателей с изменяемой степенью сжатия очевидны, но их создание оказалось сложной задачей. Тем не менее, некоторым автопроизводителям, таким как Infiniti, Peugeot, Saab и Volkswagen, это удалось.

Двигатели с переменной степенью сжатия представляют собой инновационное решение в автомобильной промышленности, привлекающее внимание экспертов. Основной особенностью таких двигателей является возможность изменять степень сжатия в зависимости от условий эксплуатации. Это позволяет оптимизировать работу двигателя, повышая его эффективность и снижая расход топлива.

Эксперты отмечают, что такая технология способствует улучшению экологии, так как снижает выбросы вредных веществ. Кроме того, двигатели с переменной степенью сжатия могут адаптироваться к различным типам топлива, что делает их более универсальными. Однако, несмотря на все преимущества, существует ряд технических сложностей, связанных с реализацией этой технологии, что может ограничивать её массовое внедрение. В целом, эксперты уверены, что двигатели с переменной степенью сжатия имеют большой потенциал для будущего автомобилестроения.

КАК И ДЛЯ ЧЕГО МЕНЯТЬ СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ В ДВИГАТЕЛЕ?

Принцип работы

Главной особенностью и преимуществом двигателей с переменной степенью сжатия можно считать возможность значительно повышать показатели производительности, параллельно уменьшая расход топлива.

Если говорить максимально простым языком, учитывается конкретный текущий режим работы двигателя и нагрузки на него, что позволяет сжимать и воспламенять топливовоздушную смесь в наиболее оптимальных и подходящих условиях.

В момент, когда на силовую установку действуют минимальные нагрузки, внутрь рабочих цилиндров осуществляется подача так называемой обеднённой смеси. То есть она включается в себя большее количество воздуха и меньшее количество топлива. Подобная бедная смесь оптимально работает, когда степень сжатия достаточно высокая. Сильное сжимание способствует эффективному сгоранию даже небольшого объёма горючего, смешанного с воздухом.

Если же нагрузки на двигатель увеличиваются, тогда в цилиндры подаётся уже богатая смесь, в которой преобладает бензин. Но при сохранении того же показателя степени сжатия, но с обогащённой смесью, во время работы мотора существенно возрастает риск возникновения эффекта детонации. Такая ситуация и требует динамичного снижения степени сжатия.

В настоящее время активно применяются силовые агрегаты с постоянными значениями степени сжатия. Чтобы предотвратить возможную детонацию и защититься от неё, инженеры предусмотрели использование системы изменения угла опережения зажигания. Это позволяет как бы сдвинуть угол назад. Недостаток системы в том, что детонация предотвращается, но параллельно мотор теряет свою мощность и повышается расход.

В случае с двигателями, имеющими ПСС, необходимости в использовании угла опережения нет. Отсюда исключается потеря мощности в процессе работы.

Двигатель INFINITI VC-TURBO. Технологии и достижения!

Если говорить о реализации схемы изменяемой степени сжатия, то задача инженеров и конструкторов заключается в необходимости физически уменьшить размеры или рабочие объёмы силового агрегата (если быть точнее, то его камеры сгорания, где происходит сжатие топливовоздушной смеси), параллельно сохранив все его характеристики в виде мощности, крутящего момента и пр.

Достаточно большое количество автокомпаний работали над тем, чтобы реализовать нечто подобное. И многим удалось добиться серьёзных успехов.

При этом автопроизводители использовали разные способы реализации задумки. То есть у них управление степенью сжатия осуществлялось с помощью изменяемого объёма камеры сгорания, шатунов, коленвалов и пр.

Наиболее ранней считается разработка, в которой для двигателя предусмотрели дополнительный поршень, интегрированный в камеру сгорания. В этом случае переменная степень сжатия достигалась за счёт перемещения этого поршня, который в процессе своего движения мог менять объём.

Но у решения имелось слишком много недостатков. Главным их них считается необходимость установки в блок цилиндров дополнительных компонентов. Это сразу усложнило процесс производства двигателей, повысило их себестоимость. Параллельно разработчики столкнулись с проблемой изменённой формы камеры сгорания. Из-за этого поступающее внутрь топливо не могло равномерно и полноценно сгорать.

Учитывая объективные причины, проект в скором времени закрыли. Работы над ним не были завершены, поскольку проявилось слишком много очевидных недостатков. Аналогично неудачным оказался и другой проект, где инженеры попытались применять поршни, способные изменять свою высоту. Конструкторы применили разрезные поршни, которые на практике оказались чрезмерно тяжёлыми. Плюс возникли сложности с попытками реализовать систему управления подъёмом поршневой крышки.

Куда интереснее выглядят проекты нескольких автопроизводителей. Не все они закончились удачно и имеют шансы на реализацию в серийном производстве, но большие шаги вперёд им сделать удалось.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о двигателях с переменной степенью сжатия:

1. Гибкость в работе: Двигатели с переменной степенью сжатия (VCR) могут изменять степень сжатия в зависимости от условий работы. Это позволяет оптимизировать производительность и эффективность двигателя, адаптируясь к различным режимам, таким как экономичный режим при низких нагрузках и мощный режим при высоких нагрузках.

2. Снижение выбросов: Благодаря возможности регулирования степени сжатия, такие двигатели могут значительно снизить выбросы вредных веществ. При более низкой степени сжатия уменьшается вероятность детонации, что позволяет использовать более бедные топливные смеси и, как следствие, снижать уровень выбросов CO2 и других загрязняющих веществ.

3. Улучшение топливной эффективности: Двигатели с переменной степенью сжатия могут достигать более высокой топливной эффективности по сравнению с традиционными двигателями. Это связано с тем, что они могут работать на более высоких степенях сжатия, что увеличивает термодинамическую эффективность, особенно при использовании высокооктанового топлива. Это делает их перспективными для применения в гибридных и электрических транспортных средствах.

Volkswagen

Немецкий автопроизводитель, изучив ошибки предшественников, решил не изменять поршни и камеру сгорания. Инженеры сосредоточились на механизме подъёма коленчатого вала, разработав систему для регулировки его высоты.

Создана конструкция, в которой опорные шейки коленчатого вала помещены в эксцентриковые муфты, приводимые в движение шестерёнками, соединёнными с электромотором.

Вращение эксцентриков позволяло коленчатому валу подниматься и опускаться, что изменяло высоту подъёма поршней относительно головки блока. Это дало возможность варьировать объём камеры сгорания и степень сжатия.

Инженеры создали несколько прототипов на базе турбомотора объёмом 1,8 литра. В ходе экспериментов степень сжатия удалось изменять от 8 до 16 единиц. Проведены обширные испытания, но по неизвестным причинам двигатель не был запущен 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.

Степень сжатия и компрессия. В чем разница? Это одно и тоже или все же нет. Просто о сложном

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

Французские инженеры из Peugeot разработали новый двигатель на основе турбированного мотора объемом 1,5 литра с регулируемой степенью сжатия от 7 до 18 единиц. Этот двигатель выдает 225 лошадиных сил и крутящий момент 420 Нм.

Конструкция двигателя сложная: используется разделённый шатун с зубчатым рычагом на креплении к коленчатому валу. На участке между поршнем и шатуном применена зубчатая рейка.

К рычагу прикреплена поршневая рейка для управления. Движение обеспечивается смазочной системой, через каналы и клапаны проходит масло, также используется электрический привод.

Управляющий поршень воздействует на рычаг, изменяя высоту подъёма основного цилиндрового поршня.

Проект заморожен, и нет признаков его возобновления или начала серийного производства.

Infiniti

Пока наиболее перспективным и многообещающим проектом является разработка компании Инфинити (Infiniti), которые создали собственный мотор, обладающий изменяемой степенью сжатия.

Этот двигатель получил маркировку VCT. Тут реализовала возможность менять параметры степени сжатия в диапазоне от 8 до 14 единиц. Базируется проект на применении специального траверсного механизма.

Инженеры создали подвижное соединение между нижней шейкой и шатуном. Плюс здесь задействовала рычажная система. Эти рычаги приводятся в движение за счёт работы электрического двигателя.

За процесс управления отвечает контроллер. Он посылает соответствующие сигналы исполнительному механизму, то есть электрическому мотору. Когда электродвигатель получает команду со стороны управляющего блока, начинается смещение тяги и рычаги меняют своё положение. Тем самым реализуется возможность изменения текущей высоты рабочего поршня.

На выходе у японских инженеров из компании Infiniti получился мощный турбированный бензиновый двигатель с рабочим объёмом 2,0 литра и 265 лошадиными силами. Главным достижением мотора стало сохранение высокой эффективности с отменными показателями экономичности. Если сравнивать с аналогичными силовыми установками, где степень сжатия постоянная, после реализации системы изменения степени сжатия экономия составила практически 30%.

Да, пока сами разработчики признают, что у двигателя есть ряд недостатков. Проявляются они в следующем:

• конструкция получается достаточно сложной;
• в процессе работы возникают усиленные вибрации;
• надёжность пока хромает и уступает обычным ДВС с постоянной степенью сжатия;
• повышенная себестоимость мотора и пр.

Но в настоящее время инженеры ведут активную работу над устранением имеющихся слабых сторон. Если им удастся решить хотя бы несколько проблем, что вполне реально и возможно, тогда прототип имеет все шансы стать серийным мотором для автомобилей компании. Исходя из оптимистичных прогнозов официальных представителей, на реализацию проекта требуется ещё 1-2 года. То есть существуют шансы, что в 2019 году мы увидим японский турбомотор с изменяемой степенью сжатия, устанавливаемый серийно на некоторые модели автомобилей Infiniti.

Учитывая всё сказанное ранее, можно с уверенностью сказать, что двигатели, имеющие переменную степень сжатия, обладают превосходными перспективами. Они способны без потери мощности улучшить столь значимые в настоящее время характеристики как экономичность и эффективность. Пока существуют некоторые проблемы и конструктивные ограничения, не позволяющие запустить моторы в серийное производство.

Это один из наиболее реальных способов снизить расход топлива на бензиновых турбомоторах, те самым составив жёсткую конкуренцию для дизельных турбированных двигателей.

Поскольку в настоящее время в мире наблюдается топливный кризис, а параллельно повышаются требования к экологическим стандартам, появление двигателя с улучшенной эффективностью сжигания топлива без необходимости ограничения мощности станет большим шагом вперёд в сфере разработки двигателей внутреннего сгорания.

В теории такие силовые установки, обладающие изменяемой степенью сжатия, способы обеспечить весомыми преимуществами современный турбированный бензиновый двигатель. А по расходу бензиновые моторы практически не будут уступать передовых дизельным турбодвигателям. Популярность последних становится всё более очевидной и заметной.

Многих потребителей привлекают ДВС, способные выдавать высокие обороты, прекрасный расход топлива и большую мощность одновременно. Пока это удалось реализовать на дизельных турбомоторах. Если разработчики не остановятся, и смогут найти решение имеющихся проблем, у дизеля появится серьёзный конкурент в лице экономичного, мощного и высокооборотистого бензинового турбодвигателя.

Преимущества и недостатки двигателей с переменной степенью сжатия

Двигатели с переменной степенью сжатия (VCR) представляют собой инновационное решение в области автомобильной техники, которое позволяет оптимизировать работу двигателя в зависимости от условий эксплуатации. Эти двигатели обладают рядом преимуществ и недостатков, которые необходимо учитывать при их использовании и разработке.

Преимущества:

• Улучшенная топливная эффективность: Одним из основных преимуществ двигателей с переменной степенью сжатия является возможность адаптации степени сжатия к условиям работы. Это позволяет значительно повысить топливную эффективность, особенно при различных режимах нагрузки. Например, при низких нагрузках можно использовать более высокую степень сжатия, что способствует лучшему сгоранию топлива и снижению расхода.
• Снижение выбросов: Благодаря оптимизации процесса сгорания, двигатели VCR способны снижать уровень выбросов вредных веществ в атмосферу. Это особенно актуально в условиях ужесточения экологических норм и требований к автомобилям. Снижение выбросов достигается за счет более полного сгорания топлива и уменьшения образования углеводородов и оксидов азота.
• Улучшение динамических характеристик: Двигатели с переменной степенью сжатия могут обеспечивать более высокую мощность и крутящий момент на различных оборотах. Это позволяет улучшить динамические характеристики автомобиля, что делает его более отзывчивым и маневренным в различных дорожных условиях.
• Гибкость в использовании топлива: Двигатели VCR могут работать на различных типах топлива, включая бензин и дизель. Это дает возможность производителям автомобилей предлагать более универсальные решения, которые могут адаптироваться к различным требованиям рынка и предпочтениям потребителей.

Недостатки:

• Сложность конструкции: Одним из главных недостатков двигателей с переменной степенью сжатия является их сложная конструкция. Это приводит к увеличению стоимости производства и обслуживания таких двигателей. Сложные механизмы, отвечающие за изменение степени сжатия, могут требовать более частого технического обслуживания и ремонта.
• Проблемы с надежностью: Из-за высокой сложности конструкции двигатели VCR могут быть менее надежными по сравнению с традиционными двигателями. Механизмы, отвечающие за изменение степени сжатия, могут подвергаться большему износу и выходить из строя, что может привести к дорогостоящему ремонту.
• Требования к программному обеспечению: Двигатели с переменной степенью сжатия требуют сложного программного обеспечения для управления процессом изменения степени сжатия. Это может привести к дополнительным затратам на разработку и поддержку программного обеспечения, а также к необходимости в высококвалифицированных специалистах для его обслуживания.
• Ограниченная доступность: На данный момент технологии VCR еще не получили широкого распространения, что может ограничивать выбор автомобилей с такими двигателями. Это также может привести к недостаточной поддержке со стороны сервисных центров и поставщиков запчастей.

Таким образом, двигатели с переменной степенью сжатия представляют собой интересное и перспективное направление в автомобильной индустрии, обладая как значительными преимуществами, так и определенными недостатками. Их дальнейшее развитие и внедрение в массовое производство могут существенно изменить рынок автомобилей и повысить эффективность использования ресурсов.

Вопрос-ответ

В чем преимущества двигателей с изменяемой степенью сжатия?

Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.

Каковы преимущества степени сжатия?

Эффект и типичные коэффициенты сжатия. Высокая степень сжатия желательна, поскольку позволяет двигателю извлекать больше механической энергии из заданной массы топливовоздушной смеси благодаря более высокому тепловому КПД.

Как степень сжатия влияет на двигатель?

Повышение степени сжатия в общем случае повышает его мощность, кроме того, увеличивает КПД двигателя как тепловой машины, то есть способствует снижению расхода топлива. Есть величина безразмерная. Связанная с ней величина — компрессия — зависит от степени сжатия, от природы сжимаемого газа и от условий сжатия.

Как работает переменная степень сжатия?

Двигатели с изменяемой степенью сжатия позволяют изменять объём над поршнем в верхней мёртвой точке. Более высокие нагрузки требуют более низких передаточных чисел для увеличения мощности, в то время как более низкие нагрузки требуют более высоких передаточных чисел для повышения эффективности, то есть снижения расхода топлива.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите принципы работы двигателей с переменной степенью сжатия. Понимание того, как изменяется степень сжатия в зависимости от условий работы двигателя, поможет вам лучше оценить преимущества и недостатки таких систем.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на экономию топлива. Двигатели с переменной степенью сжатия могут значительно повысить топливную эффективность, особенно в условиях переменной нагрузки. Это может быть важным фактором при выборе автомобиля.

СОВЕТ №3

Следите за новыми технологиями и разработками в этой области. Двигатели с переменной степенью сжатия продолжают развиваться, и новые модели могут предлагать улучшенные характеристики и надежность. Будьте в курсе последних новостей и тестов.

СОВЕТ №4

Проводите регулярное техническое обслуживание. Как и любые сложные механизмы, двигатели с переменной степенью сжатия требуют внимательного ухода и регулярного обслуживания для обеспечения их долговечности и оптимальной работы.