Изменяется ли степень сжатия при работе двигателя?
Bis-auto.ru

Автомобильный портал

Изменяется ли степень сжатия при работе двигателя?

Системы изменения степени сжатия двигателя

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания тесно связана с к.п.д. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничивается областью детонационного сгорания. Эти ограничения имеют особое значение для работы двигателя на полных нагрузках, в то время как на частичных нагрузках высокая степень сжатия не вызывает опасности детонации. Для увеличения мощности двигателя и повышения экономичности желательно снижать степень сжатия, однако если степень сжатия будет малой для всех диапазонов работы двигателя, это приведет к снижению мощности и увеличению расхода топлива на частичных нагрузках. При этом значения степени сжатия, как правило, выбираются намного ниже тех величин, при которых достигаются наиболее экономичные показатели работы двигателей. Заведомо ухудшая экономичность двигателей, это особенно сильно проявляется при работе на частичных нагрузках. Между тем, снижение наполнения цилиндров горючей смесью, увеличение относительного количества остаточных газов, уменьшение температуры деталей и т.п. создают возможности для повышения степени сжатия при частичных нагрузках с целью повышения экономичности двигателя и увеличения его мощности. Чтобы решить такую компромиссную задачу, разрабатываются варианты двигателей с изменяющейся степенью сжатия.

Повсеместное применение в конструкциях двигателей систем наддува сделало направление этой работы еще более актуальным. Дело в том, что при наддуве значительно увеличиваются механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, в связи с чем их приходится усиливать, повышая массу всего двигателя в целом. При этом, как правило, срок службы деталей, работающих при более нагруженном режиме, сокращается, а надежность двигателя снижается. В случае перехода на переменную степень сжатия рабочий процесс в двигателе при наддуве можно организовать так, что за счет соответствующего снижения степени сжатия при любых давлениях наддува максимальные давления рабочего цикла (т.е. эффективность работы) будут оставаться неизменными или будут изменяться незначительно. При этом, несмотря на увеличение полезной работы за цикл, а, следовательно, и мощности двигателя, максимальные нагрузки на его детали могут не увеличиваться, что позволяет форсировать двигатели без внедрения изменений в их конструкцию.

Очень существенным для нормального протекания процесса сгорания в двигателе с изменяющейся степенью сжатия является правильный выбор формы камеры сгорания, обеспечивающей наиболее короткий путь распространения пламени. Изменение фронта распространения пламени должно быть очень оперативным, чтобы учитывать различные режимы работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Учитывая применение дополнительных деталей в кривошипно-шатунном механизме, необходимо также разрабатывать системы с малым коэффициентом трения, чтобы не потерять преимуществ при применении изменяющейся степени сжатия.

Один из наиболее распространенных вариантов двигателя с изменяющейся степенью сжатия показан на рисунке.

Рис. Схема двигателя с изменяющейся степенью сжатия:
1 – шатун; 2 – поршень; 3 – эксцентриковый вал; 4 — дополнительный шатун; 5 – шатунная шейка коленчатого вала; 6 – коромысло

На частичных нагрузках дополнительный шатун 4 занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия при этом максимальна. При высоких нагрузках эксцентрик на валу 3 поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна 4. При этом увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия.

В 2000 году в Женеве был представлен экспериментальный бензиновый двигатель фирмы SAAB с изменяемой степенью сжатия. Его уникальные особенности позволяют достигать мощности в 225 л.с. при рабочем объеме в 1,6 л. и сохранять расход топлива сравнимого с вдвое меньшим двигателем. Возможность бесшагового изменения рабочего объема позволяет двигателю работать на бензине, дизельном топливе или на спирте.

Цилиндры двигателя и головка блока выполнены как моноблок, т. е. единым блоком, а не раздельно как у обычных двигателей. Отдельный блок представляет собой также блок-картер и шатунно-поршневая группа. Моноблок может перемещаться в блок-картере. Левая сторона моноблока при этом опирается на расположенную в блоке ось 1, служащую шарниром, правая сторона может приподниматься или опускаться при помощи шатуна 3 управляемого эксцентриковым валом 4. Для герметизации моноблока и блок-картера предусмотрен гофрированный резиновый чехол 2.

Рис. Двигатель с изменяющейся степенью сжатия SAAB:
1 – ось; 2 – резиновый чехол; 3 – шатун; 4 – эксцентриковый вал.

Степень сжатия изменяется при наклоне моноблока относительно блок-картера посредством гидропривода при неизменном ходе поршня. Отклонение моноблока от вертикали приводит к увеличению объема камеры сгорания, что вызывает снижение степени сжатия.

При уменьшении угла наклона степень сжатия повышается. Максимальная величина отклонения моноблока от вертикальной оси – 4%.

На минимальной частоте вращения коленчатого вал и сбросе подачи топлива, а также при малых нагрузках, моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия – 14). Система наддува отключается, и воздух поступает в двигатель напрямую.

Под нагрузкой, за счет поворота эксцентрикового вала, шатун отклоняет моноблок в сторону, и объем камеры сгорания увеличивается (степень сжатия – 8). При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в двигатель под избыточным давлением.

Рис. Изменение подачи воздуха в двигатель SAAB при различных режимах:
1 – дроссельная заслонка; 2 – перепускной клапан; 3 – сцепление; а – на малой частоте вращения коленчатого вала; б – на нагрузочных режимах

Оптимальная степень сжатия рассчитывается блоком управления электронной системы с учетом частоты вращения коленчатого вала, степени нагрузки, вида топлива и др. параметров.

В связи с необходимостью быстрого реагирования на изменение степени сжатия в данном двигателе пришлось отказаться от турбокомпрессора в пользу механического наддува с промежуточным охлаждением воздуха с максимальным давлением наддува 2,8 кгс/см2.

Расход топлива для разработанного двигателя на 30% меньше, чем у обычного двигателя такого же объема, а показатели по токсичности отработавших газов соответствуют действующим нормам.

Французская фирма МСЕ-5 Development, разработала для концерна «Пежо-Ситроен», двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR (Variable Compression Ratio). В этом решении применена оригинальная кинематика кривошипно-шатунного механизма.

В данной конструкции передача движения от шатуна на поршни осуществляется через двойной зубчатый сектор 5. С правой стороны двигателя расположена опорная зубчатая рейка 7, на которую опирается сектор 5. Такое зацепление обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня цилиндра, который соединен с зубчатой рейкой 4. Рейка 7 соединена с поршнем 6 управляющего гидроцилиндра.

В зависимости от режима работы двигателя по сигналу блока управления двигателем изменяется положение поршня 6 управляющего цилиндра, связанного с рейкой 7. Смещение рейки управления 7 вверх или вниз изменяет положение ВМТ и НМТ поршня двигателя, а вместе с ними и степени сжатия от 7:1 до 20:1 за 0,1 с. В случае необходимости имеется возможность изменения степени сжатия для каждого цилиндра в отдельности.

Рис. Двигатель с изменяемой степенью сжатия VCR:
1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – зубчатый опорный ролик; 4 – зубчатая рейка поршня; 5 – зубчатый сектор; 6 – поршень управляющего цилиндра; 7 – опорная зубчатая рейка управления.

Двигатели с изменяемой степенью сжатия: от Saab до Infiniti

Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Будем разбираться, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.

В качестве вступления напомним, что степенью сжатия называют отношение объема над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней. Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23. Степень сжатия задается конструкцией фиксировано. Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.

Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии. Для малых нагрузок, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально. Это позволяет не регулировать «назад» угол опережения зажигания, который остается в наиболее эффективной позиции для снятия мощности. Теоретически система изменения степени сжатия в ДВС позволяет до двух раз уменьшить рабочий объем мотора при сохранении тяговых и динамических характеристик.

Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней

Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем. Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.

Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня

Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия. Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.

Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.

Читать еще:  Что меняют вместе с маслом двигателя?

Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров

Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании — опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.

Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло

На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.

Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора. Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.

Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а — поршень, b — шатун, с — траверса, d — коленвал, е — электродвигатель, f — промежуточный вал, g — тяга.

За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.

Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности. Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.

Каков итог?

Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.

Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.

Зрим в корень: сказки про компрессию двигателя

Что в первую очередь делают при диагностике двигателя? Правильно, измеряют компрессию в цилиндрах. Многие считают, что ее величина определяет здоровье мотора. Так ли это, выясняют в ходе очередной аналитической экспертизы авторы.

Компрессия — это вульгаризм. Правильно — давление конца такта сжатия. Это давление, которое создается в цилиндре при выключенном зажигании (или без подачи топлива — для дизеля) при положении поршня в верхней мертвой точке. Так вот, многие диагносты по величине замеренной компрессии (прости, наука, за жаргон!) дают заключение: «жив пациент» или «в морг», то есть на капитальный ремонт.

По мнению многих продвинутых автомобилистов, компрессия для мотора чуть ли не всё! Но так ли это?

Компрессия и степень сжатия — одно и то же: сказка первая

Нет, не так! Компрессия — это давление в цилиндре, степень сжатия — безразмерный параметр, описывающий геометрические параметры цилиндра: это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия (камера сжатия — это объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ (еще он называется объемом конца сжатия — это то же самое). Называть ее камерой сгорания некорректно, поскольку сгорание топлива происходит во всем объеме цилиндра.) Компрессия от степени сжатия зависит, а степень сжатия от компрессии — нет! Компрессия зависит еще от кучи параметров: давления начала сжатия, регулировки фаз газораспределения, температуры, при которой проводится замер, протечек из камеры сгорания. А протечки определяются изношенностью колец и цилиндров.

«Компрессия» — то максимальное давление, которое мы измеряем в цилиндре при выключенном зажигании.

1 no copyright

Поднял компрессию — увеличил мощность: сказка вторая

Не совсем так. Компрессию можно поднять двумя способами — увеличить степень сжатия или уменьшить протечки из камеры сгорания. Посмотрим, что будет в каждом случае: в нашем распоряжении стенд.

Для начала уменьшим объем камеры сжатия. Проще всего для этого прошлифовать нижнюю плоскость головки цилиндров. У базового мотора «одиннадцатого» ВАЗа рабочий объем цилиндра чуть больше 370 кубиков. При штатной степени сжатия 9,8 объем камеры сжатия составит 42,6 см³. Можно посчитать, что, сняв 2 мм с посадочной поверхности головки блока цилиндров, мы уменьшаем объем камеры сжатия на 5,1 см³. Новая степень сжатия составит 11 единиц, то есть на 1,2 выше, чем у базового мотора. А теперь, просто из интереса, уберем еще 2 мм. Степень сжатия возрастает уже до 12,6. В учебнике находим нужную формулу и получаем: термический КПД цикла поршневого двигателя теоретически должен вырасти в первом случае минимум на 4%, во втором — на 9%. Здорово!

А теперь ставим эти головки на стендовый мотор и снимаем моментные характеристики. Снижение расхода топлива существенно меньше, чем обещала теория, — на 2,5% в первом случае и на 4,5% во втором. Причем эффект более выражен в зоне малых нагрузок. Прибавка мощности еще меньше: от силы 2–3%, причем в зоне малых и средних оборотов. А на высоких — никакого эффекта.

Все ясно: с увеличением степени сжатия резко растет давление в цилиндре, этот рост провоцирует детонацию, ее ловит соответствующий датчик — и сдвигает угол опережения зажигания назад. Следовательно, мощность падает. А потому и теоретический эффект существенно уменьшается. Зато растут температуры на выпуске, — стало быть, риск пожечь клапаны и поршни с таким мотором значительно выше.

Способ второй — уменьшаем протечки. Пойдем от обратного: сравним, что станет с моментной характеристикой, если заменить кольца такими, чтобы зазоры в них стали больше, скажем, раза в два.

Сделали. Для нового мотора — всё нормально, для всех цилиндров компрессия 13,2. 13,4 бар. Для испорченного кольцами с большими зазорами — 10,8. 11,1. А что показали замеры мощности? В зоне малых оборотов мощность испорченного мотора чуть-чуть упала, но когда перешли 2500 об/мин, кривые момента практически слились. Всё потому, что протечки из камеры сгорания в картер, которые должны бы снизить мощность, заметны только на малых оборотах, а на высоких их масса за один цикл резко падает, ведь с уменьшением времени цикла при увеличении частоты вращения коленчатого вала уменьшается и время на протечку.

Компрессия резко выросла, а мощность — нет. Вместе с компрессией проснулась детонация, и угол опережения зажигания пришлось сдвигать назад. А он влияет на мощность сильнее.

2 no copyright

Нет компрессии — сразу на капиталку: сказка третья

Обычно механик, обнаруживший низкую компрессию, тут же заявляет: «Двигатель изношен, требуется капиталка». Так ли все однозначно?

Нет, конечно! На спор можем назвать двадцать возможных причин снижения компрессии. Тут и проблемы с механизмом газораспределения, и механические или термические повреждения деталей двигателя, и закоксованность поршневых колец. И только одна из них будет связана с катастрофическим износом мотора. Важно уметь различать эти причины, понимать степень их опасности и знать методы борьбы с ними. Но это — тема отдельной статьи.

Чем выше компрессия, тем лучше: сказка четвертая

Частенько от апологетов разных присадок приходится слышать, как подпрыгнула компрессия после очередной обработки мотора. Рост до 15 бар, до 17 бар! Но надо иметь в виду, что в нормальном состоянии, даже восстановив зазоры до состояния нового двигателя, компрессию выше штатной не получить.

Откуда же цифры? Обычно на разобранном двигателе видно, что камера сгорания после обработки заросла непонятно чем и, как следствие, уменьшился объем камеры сжатия. Но эти отложения нарушают теплоотвод от камеры сгорания. Отсюда детонация, калильное зажигание и прочее. Так что небывалому росту компрессии не радоваться надо, а наоборот.

Читать еще:  Испаряется ли антифриз из системы охлаждения двигателя?

Изменение удельного расхода топлива при фиксированных оборотах (2500 об/мин) в двух вариантах двигателя — базовом и с кольцами, в которых увеличены зазоры. Компрессия упала, но по расходу это заметно только при малых нагрузках.

3 no copyright

И совсем не сказка.

Так на что же влияет компрессия? На многое! Главное — на пусковые свойства мотора, особенно при низких температурах.

В первую очередь это касается дизельных двигателей, где от давления и температуры конца сжатия зависит, воспламенится топливо в цилиндре или нет. Но и бензиновые двигатели в холодном состоянии тоже чувствительны к изменению компрессии: она влияет на испаряемость топлива, которое при холодном пуске только теоретически должно испаряться по пути в цилиндр. А реально — попадает туда в виде негорючих жидких капель.

Сниженная компрессия повышает давление картерных газов. В этом случае через систему вентиляции на впуск двигателя летит больший объем паров масла. Плохо это: и токсичность растет, и темп загрязнения камеры сгорания резко увеличивается.

Неравномерная по цилиндрам компрессия вызывает вибрации двигателя, особенно ощутимые на холостом ходу и при малых оборотах. А это, в свою очередь, вредит и трансмиссии, и подвеске мотора. Да и самому водителю.

Словом, роль компрессии как диагностического признака, во многом характеризующего состояние двигателя, очень велика. И наши «сказки» никоим образом не призывают махнуть на нее рукой — наоборот! Но стремление к безудержному ее повышению в поисках дополнительных «лошадок» — дело в целом бесперспективное.

Двигатель с переменной степенью сжатия: особенности конструкции

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

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

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

Изменение степени сжатия: зачем это нужно

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

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

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

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

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

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

Переменная степень сжатия двигателя: как это работает

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подведем итоги

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

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

Читать еще:  Как определить литраж двигателя?

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

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

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

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

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

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

Как рассчитать и изменить степень сжатия двигателя

Одним из главнейших технических показателей автомобильного мотора является коэффициент сжатия. Он показывает соотношение разницы между объёмом свободного участка над цилиндровым поршнем и под ним в крайних его положениях.

Что такое степень сжатия двигателя

Условно величину сжатия представляют и как соотношение давлений в устройстве при подаче горючего и взрыве смеси. Конкретно эта степень обусловлена конструкцией автомобильного двигателя, и может быть высокой или низкой.

Перед непосредственным процессом воспламенения горючей смеси, поршни сжимают топливо до определённого объёма. Инженеры способны варьировать этот показатель, рассчитывая его ещё на стадии проектирования. Узнав количественное соотношение данной величины к объёму камеры сгорания, можно делать различные выводы.

На бензиновых силовых установках показатель сжатия достигает максимум 12 единиц. Чем выше здесь степень сжатия двигателя или ССД, тем больше удельная мощность мотора. Однако при сильном увеличении данного показателя снижается ресурс агрегата, особенно при заправке низкосортным бензином. На дизельных моторах, ввиду их технических отличий, она может варьироваться от 14 до 18 единиц.

В бензиновые двигатели с увеличенной до 12 единиц степенью сжатия нельзя лить ничего, кроме АИ-98 Премиум. Очевидно, что это существенно удорожает расходы на топливо.

На что она влияет

ССД непосредственно определяет объём работы, произведённой ДВС. Чем изначально выше рассчитана степень сжатия, тем продуктивнее будет воспламенение. Пропорционально увеличится и отдача мотора. Вспомним, как разработчики в 90-е годы старались повышать этот показатель, полностью не модернизируя двигатель. Таким способом они конкурировали между собой, делая агрегаты мощнее, и не затрачивая при этом много средств. Но что самое интересное — моторы в этом случае не потребляли больше горючего, а даже становились экономнее.

Однако всему есть предел, и как было сказано выше, чересчур высокий коэффициент приводит к снижению ресурса ДВС. Почему это происходит? Дело в том, что при значительном сжатии топливная смесь начинает самопроизвольно детонировать, взрываться. Особенно это затрагивает агрегаты на бензине, поэтому здесь данный коэффициент имеет строгое ограничение.

Помните, что применение низкооктанового топлива становится причиной детонации на агрегатах с повышенной ССД. И наоборот, высокооктановое горючее может не позволять двигателю полностью раскрываться, если будет использовано в агрегатах с низким коэффициентом сжатия. По этой причине оба параметра должны соответствовать. Подробнее в таблице ниже.

Отличие степени сжатия от компрессии

Степень сжатия двигателя не является компрессией. Они полностью различаются, хотя многие их путают. Коэффициент, о котором идёт речь в статье, не раскрывает значение оптимального давления ТВС перед возгоранием. Измеряется ССД лишь относительно, в соотношении к единице объёма камеры.

Под компрессией принято понимать предельное значение сжатия, образуемого в камере сгорания, на конечном этапе давления горючей смеси. Данная величина априори не может быть относительной, поэтому её измеряют в абсолютных значениях — атм, кг/см2, бар.

Степень сжатия и компрессия неразрывно связаны, но не идентичны. Показатель компрессии зависит не только от сжатия. На него оказывает влияние температура ДВС, наличие зазоров в приводных клапанах, состав топлива и многое другое.

Расчет коэффициента сжатия

Ввиду того, что желательно увеличивать степень сжатия до определённого значения, необходимо уметь рассчитывать этот показатель. К тому же это даст возможность избежать детонационных моментов, разрушающих силовой агрегат изнутри в процессе форсирования.

Таким образом, необходимость в измерении этого показателя требуется в таких случаях, как:

  • форсировка мотора;
  • подгонка под топливо с другим АИ или для метанового топлива с октановым числом 120;
  • послеремонтная корректировка.

Турбированные моторы

На турбомоторах расчёт коэффициента сжатия отличается. Это объясняется наличием наддува воздуха. Поэтому в этом случае величину, полученную в ходе вычислений, умножают на показатель турбокомпрессора.

Кроме того, при вычислении степени сжатия турбированных моторов учитывается не только давление наддува, но и показатель эффективного сжатия, климатические изменения и многое другое. В данном случае процесс значительно усложняется по сравнению с измерениями на атмосферном двигателе.

Пример подсчета

Вот как выглядит общепринятая расчётная формула для автомобильного ДВС: «ССД = (РО+ОКС)/ОКС». Степень сжатия здесь отмечена как «ССД», рабочий объём цилиндра — «РО», а объём камеры сгорания — «ОКС».

Для расчёта «РО» нужно в первую очередь разложить единый объём двигателя или литраж на количество используемых цилиндров. К примеру, литраж мотора «четвёрки» — 1997 см3. Для определения ёмкости одного цилиндра, надо 1997 разделить на 4. Получится около 499 см3.

Для вычисления параметра «ОКС» специалисты пользуются проградуированной в см3 трубкой или пипеткой. Под камерой подразумевается место, где непосредственно происходит возгорание горючего. Камеру заправляют, а затем измеряют объём с помощью жидкостной бюретки. Если нет градуированной трубочки, можно жидкость выкачать с помощью шприца, а затем измерить в мерной посуде или на весах. В этом случае желательно для расчёта использовать не бензин или солярку, а чистую воду, так как её удельный вес более соотносим к объёму в см3.

Внимание! Для точного измерения «ОКС» дополнительно приплюсовывается объём толщины прокладки ГБЦ, учитывается форма днища поршней и другие особенности. Поэтому расчёт этой величины рекомендуется доверить специалистам.

Как увеличить степень сжатия двигателя

Если необходимо увеличить данный показатель, используют несколько способов:

  • расточка блока и установка поршней с большим диаметром;
  • уменьшение объёма камеры сгорания путём удаления слоя металла в месте соединения ГБЦ.

Нельзя забывать, что в некоторых случаях потребуется инсталляция модернизированных поршней. Это делается, чтобы исключить такое нежелательное последствие, как встреча поршней с клапанами. В частности, на элементах увеличивают выемки клапанов. Также в обязательном порядке корректируются заново фазы газораспределения.

Интересно, что лучше всех раскрыли потенциал степени сжатия ДВС японские производители. В то время как европейские автокомпании пошли путём усовершенствования гибридных моторов, японцам удалось увеличить ССД до 14 единиц и на бензиновых силовых агрегатах, применив изменяемую величину. Но как это возможно без детонационных моментов? Всё оказалось просто. Оказывается, нужно охладить камеру, где происходит возгорание. Тогда можно будет без опасения сжимать смесь. И вовсе не обязательно для этого использовать прохладный воздух: достаточно модернизировать систему выпуска.

Приём, давно известный ещё по гоночным движкам. Выпускные каналы меняются согласно схеме 4-2-1. Порции выхлопных газов здесь не мешаются, поочерёдно вылетают в трубу. Благодаря такой чёткой системе выхлопа, улучшается продувка цилиндров, где остаётся меньше горячих газов.

Секрет японской формулы, согласно которой можно без опаски сжимать горючую смесь, имеет строго математическое соотношение. Так, если процент выхлопа снизить в 2 раза, ССД можно поднимать на 3 единицы, но не больше. Если же при этом ещё и охлаждать воздух, поступающий в цилиндры, можно приплюсовать ещё одну единицу.

Однако для реализации данного метода нужно будет еще модернизировать газообмен, раскошелившись на фазовращатели обоих распредвалов. Вдобавок потребуется доработать некоторые моменты. К примеру, изменить длину поршневого хода посредством компьютерного вмешательства.

Применяется система изменяемого коэффициента на многих японских движках, например, для Inflniti. Способность автоматически менять этот показатель сжатия в зависимости от нагрузки позволяет значительно повышать КПД мотора, особенно турбированного. Каждая порция смеси сгорает при оптимальном на данный момент работы сжатии. Так, если нагрузки на мотор незначительные и смесь обеднённая, включается максимальное сжатие. И наоборот, в нагруженном режиме задействуется минимальная степень, так как бензина впрыскивается много и возможна детонация.

Таким образом, передовая система изменения ССД позволяет вдвое уменьшать литраж мотора, сохраняя при этом мощность и динамические характеристики.

Курс на увеличение степени сжатия двигателя наблюдался и в середине 20 века в США. Основная масса американских двигателей, выпущенных в 70-е годы, находилась в пределах 11-13 единиц. Но работали они только на очень качественном, высокооктановом топливе, получаемом путём этилирования. После того как этилирование запретили, в серийных образцах ДВС наблюдалось снижение показателя сжатия.

Важно знать, что прирост мощности будет наиболее заметен на двигателях, штатно работающих на низкой степени сжатия. Например, моторы с показателем 8 единиц, доведённые до 10, выдадут больше мощности, чем агрегаты со стоковым параметром 11 единиц, форсированные до 12.

Дефорсирование ДВС: для чего нужно и как осуществить

Иногда бывает необходимо уменьшить показатель сжатия. В этом случае устанавливается дополнительная металлическая прокладка ГБЦ. Можно использовать две прокладки вместо одной, тем самым утолщая промежуток — объём камеры растёт за счёт высоты головки блока. Более сложный способ подразумевает укорочение поршня — удаление верхнего слоя на токарном станке.

Дефорсирование двигателя, как правило, процедура вынужденная. В том числе это делается для снижения налоговых выплат или в целях увеличения ресурса агрегата. Как известно, моторы с низкой степенью сжатия дольше работают, меньше подвержены износу. Однако любой такой процесс усложняется законом, чтобы недобросовестные владельцы искусственно не занижали технические данные.

Что касается снижения показателя сжатия на турбированных моторах, то здесь потребуется модернизация системы электрики с датчиками, всей поршневой группы и форсунок, если это дизельный агрегат.

В отдельных случаях дефорсированию предпочитают свап, когда менее мощный контрактный мотор устанавливают вместо штатного.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector