Переменная степень сжатия простыми словами
Двигатели внутреннего сгорания постоянно совершенствуются. Появляются новые конструктивные особенности, внедряются новые технологии, приводящие к одному итогу — при минимальном объеме — максимально возможная мощность. За последние 10 лет автопроизводители активно внедряют турбину, фазовращатели, высокоточный прямой впуск, коллектора с изменяемой геометрией, и другие решения, направленные на экологичность и экономичность.
За эти же года констуркторы пытались выпустить двигатели без коленвала и шатунов, а также без распредвала. Такого рода разработки еще в стадии проектирования, однако есть одна интересная вещь, которую удалось внедрить в такие автомобили, как Infinity, Toyota и Saab — двигатель с изменяемой степенью сжатия.
Теория
Перед тем, как я расскажу о переменной степени сжатия, вкратце расскажу о том, что представляет собой сама по себе степень сжатия. Степенью сжатия называют отношения объема цилиндра к объему камеры сгорания. Простыми словами: замеряется объем цилиндра от верхнего края к нижнему, а также замеряется объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке, где дно поршня это нижний край камеры, а верхний край — поверхность ГБЦ.
Для чего нужна переменная степень сжатия
Среди бензиновых моторов степень сжатия варьируется от 8:1 до 14:1, для дизельных же 18:1-24:1. Степень сжатия рассчитывается конструкторами и фиксируется ими же. Для расчета степени сжатия берутся в учет такие моменты, как: октановое число топлива и наличие турбины.
Также степень сжатия указывает на то, как сильно будет сжиматься топливно-воздушная смесь в камере сгорания. Чем лучше сжимается смесь — тем лучше отдача в мощности. У высокой степени сжатия есть преимущество в виде хорошей мощности и топливной экономичности, и недостаток, в виде риска детонации. Смесь должна воспламеняться от свечи зажигания, а не взрываться, а при высокой степени сжатия вероятность такого “взрыва” явно высока. Результатом детонации является разрушение поршня, образование трещин в гильзах. Чтобы найти ту самую золотую середину, была придумана система переменной степени сжатия.
Теория работы системы
Возможность, по ходу работы силового агрегата, изменять степень сжатия, позволила повысить мощность и снизить расход топлива. Такая система дает возможность топливно-воздушной смеси сгорать в наилучших условиях. То есть, двигатель становится максимально гибким к различным условиям работы. Если двигатель работает в режиме постоянной скорости, либо, практически, без нагрузки, то в цилиндры агрегата подается бедная смесь, а значит для эффективного сгорания требуется высокая степень сжатия. Тем самым мы получаем невероятный коэффициент полезного действия, при бедной смеси. При высоких нагрузках топливно-воздушная смесь обогащается, чтобы обеспечить максимальную мощность. Следовательно, в данный режим работы ДВС, нужна низкая степень сжатия, позволяющая избежать детонации. Кстати, в обычных моторах, чтобы избежать возникновение детонации, был внедрен угол опережения зажигания, который подвигает угол назад, но в предотвращением детонации снижается мощность.
Схема переменной степени сжатия интересна тем, что при показателях, что 8:1, что 14:1, мощность двигателя и крутящий момент не меняется.
Так как такой мотор проектировало несколько компаний, это позволило внедрить несколько способов изменять размер камеры сгорания. Например, в одном из таковых, конструкция шатунов позволяет поднять поршень и т.д. Первая попытка создать такой мотор не увенчалась успехом, так как уменьшить камеру сгорания помогал второй внедренный поршень, однако такая конструкция крайне сложна, а сгорание топливно-воздушной смеси не поддавалось контролю, то есть было хаотичным. Вторая попытка была в виде поршней с подъемом. Но это значительно увеличивало вес поршней, а также не представлялось возможным реализовать управление подъемом верхней части поршня, относительно нижней. Следующие попытки коснулись кривошипно-шатунного механизма, и как оказалось — он успешны и удачно внедрены в режим эксплуатации.
Конструкция изменения степени сжатия выглядит следующим образом: опорные шейки коленчатого вала помещаются в специальные эксцентрики, а они, в свою очередь, через шестерню связаны с электродвигателем. При повороте эксцентрика, шатун поднимается или опускается.
Кстати, у Volkswagen был такой мотор на базе 1.8 литрового агрегата TSI. Конструкция была удачно протестирована, она оказалась надежной, но в серию мотор так и не пошел.
Saab также решились на проектировании такого мотора, но пошли индивидуальным путем. Здесь за изменение размера камеры сгорания отвечает головка блока цилиндров. ГБЦ, когда это нужно, немного сдвигается. Это был бензиновый агрегат 1.6 литра 20v. Мощность такого турбированного мотора составила 220 “лошадей”, а крутящий момент немного выше 300 Н*м. А вот работать двигатель мог как от 76 бензина, так и на А-100.
Позволило сдвинуть головку блока цилиндров шарнир между блоком и ГБЦ. С одной стороны механизм механический, с другой — оснащен электромотором. К сожалению, серийным мотором не стал, так как оказался абсолютно “сырым”. Французы не остались в стороне, и также предложили свой вариант. Это был полуторалитровый бензиновый турбоагрегат, мощность которого составила 225 л.с, а крутящий момент 420 Н*м. При этом, степень сжатия варьируется от 7:1 до 18:1. Этот агрегат с разделенным шатуном, где его нижняя часть оснащена коромыслом, а крепится шатун к коленвалу при помощи зубчатой планки-рейки. К коромыслу с другой стороны подходила рейка поршня, реализующая управление. Регулировка высоты шатуна здесь определяется давлением масла.
Как видите, изменяемый объем камеры сгорания, уже завтра становится реальностью. Сейчас эта конструкция в стадии зародыша модернизируется, чтобы не терялся ресурс силового агрегата. КПД такого мотора невероятный, особенно если он турбированный, с непосредственным впрыском, изменяемыми фазами ГРМ и коллектора. В сумме при малом объеме двигателя, выдается мощность, как у V-образного 8-цилиндрового агрегата, выпуска конца 90-х годов.
Есть шансы увидеть такие автомобили 2020 году, и это станет началом эпохи нвх моторов.
