Возможность изменения степени сжатия - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания

Впервые мотор с изменяемой степенью сжатия был представлен на Женевском автосалоне в 2000 г. компанией Saab. Пятицилиндровый двигатель объемом 1,6 л развивал чрезвычайно высокую мощность в 225 л. с. и крутящий момент, равный 305 Нм. Расход топлива при средних нагрузках был снижен на 30 %, и в такой же пропорции уменьшилась интенсивность выбросов СО2. Двигатель с изменяемой степенью сжатия был способен работать на различных марках бензина - от А-76 до А-98 - практически без ухудшения характеристик и детонации. Несколько месяцев спустя подобный силовой агрегат представила и компания FEV Motorentechnik. Немного позже в том же году был представлен 1,8-литровый двигатель такого же типа и с подобными характеристиками для Audi A6.

Из-за сложности конструкции эти двигатели не удалость довести до серийного производства, и дальнейшие усилия по совершенствованию двигателей внутреннего сгорания были направлены на внедрение непосредственного впрыска топлива, изменяемой геометрии впускного тракта, турбонагнетателей, гибридных силовых установок и т. д.

Сегодня наиболее близким к осуществлению идеи двигателя с переменной степенью сжатия, никогда не перестававшей интересовать конструкторов и ученых, является проект французской инжиниринговой компании MCE-5 Development. В 2010 г. фирма MCE-5 Development получила серьезную финансовую поддержку консорциума из 12 ведущих европейских автокомпаний и производителей комплектующих - 14 млн долл. США, выделенные группой, будут использованы для вывода мотора MCE-5 VCRi на рынок к 2016-2017 гг.

Разработка представляет собой 4-цилиндровый двигатель рабочим объемом 1,5 л, развивающий мощность 218 л. с. и крутящий момент 300 Нм. Помимо изменяемой степени сжатия, двигатель оснащен непосредственным впрыском, системой изменения фаз газораспределения, что позволяет ему соответствовать всем установленным на перспективу экологическим нормам.

В двигателе MCE-5 степень сжатия может изменяться в интервале от 7:1 до 20:1. Управление степенью сжатия в каждом цилиндре выполняется независимо от остальных цилиндров. Для реализации этой схемы используется довольно сложный механизм. Основной деталью двигателя является срезанное с двух противоположных сторон зубчатое колесо, посаженное на укороченный шатун кривошипно-шатунного механизма. Зубчатое колесо, имеющее форму сектора, одной зубчатой стороной находится в зацеплении с зубчатой рейкой рабочего поршня, а с другой - с зубчатой рейкой управляющего поршня, являющегося рабочим элементом механизма изменения объема камеры сгорания. В этой конструкции двигателя зубчатое колесо на валу коленчатого вала играет роль коромысла. Если это коромысло поворачивать на валу в одну или другую сторону, положение верхней мертвой точки будет смещаться по оси цилиндра также в ту или иную сторону при неизменной величине хода поршня. В свою очередь это приведет к изменению объема камеры сгорания и, соответственно, изменению степени сжатия.

Наклоном коромысла управляет гидромеханическая система, состоящая из поршня с шатуном в виде зубчатой рейки, входящей нижним концом в зацепление с коромыслом с противоположной стороны от рабочего поршня. Камеры над и под управляющим поршнем соединены с системой смазки, а в самом поршне, названном масляным, есть специальный клапан, перепускающий масло из верхней в нижнюю камеру.

Управление клапаном осуществляют с помощью эксцентрикового вала, червячной передачи и электропривода Valvetronic (BMW). Для изменения степени сжатия от 7 до 18 требуется менее 100 мс.

Разработчики заявляют, что наряду с использованием последних разработок для двигателей внутреннего сгорания они стремятся реализовать на своем двигателе процесс HCCI, так как для его осуществления требуется переменная степень сжатия, которую способен развивать MCE-5. В то же время разработчики двигателя отдают себе отчет, что процесс HCCI еще не отлажен и требует много усилий по обеспечению прецизионного управления всеми параметрами, оказывающими влияние на процесс самовоспламенения топлива.

Другой вариант двигателя с изменяемой степенью сжатия разрабатывает производитель спортивных и гоночных машин компания Lotus Cars (Великобритания). Для создания этой силовой установки инженерное бюро компании Lotus объединило свои усилия с известным производителем автомобилей фирмой Jaguar, а также с Королевским университетом в Белфасте.

Авторы новинки утверждают, что, по самым скромным расчетам, двигатель Omnivore будет на 10 % экономичнее лучших образцов бензиновых двигателей с прямым впрыском.

Мотор Omnivore (название происходит от латинского "всеядное животное") представляет собой двухтактный двигатель с прямым впрыском и изменяемой степенью сжатия, способный работать практически на любом виде жидкого топлива - бензине, дизельном и биодизельном топливе, топливном этаноле, спирте и различных их комбинациях.

В верхней части камеры сгорания расположена "шайба" в виде поршня с размещенной в ней свечой зажигания. Принцип действия механизма изменения степени сжатия достаточно прост: шайба, перемещаемая эксцентриковым механизмом, движется вверх или вниз, увеличивая или уменьшая объем камеры сгорания (рис. 8). Такая система позволяет плавно изменять степень сжатия до 40:1, что почти в 4 раза превышает этот показатель для стандартного четырехтактного двигателя (рис. 8). Получить такую высокую степень сжатия позволило, в частности, отсутствие в конструкции двигателя тарельчатых клапанов.

Двухтактные двигатели, которые можно увидеть в любом мотоцикле или мотороллере, обычно обладают малой массой и высокой мощностью. Во многих секторах индустрии мощных спортивных машин эти компактные двигатели были вытеснены более "чистыми" и экономичными четырехтактными моторами. Используя новые технологии, Lotus разрабатывает двигатель, призванный вернуть внимание автомобилестроителей к двухтактным агрегатам.

Концепция Omnivore основана на схеме двигателя с золотниковым газораспределением, однако прямой впрыск, компьютерное управление выпускным клапаном позволяют точно контролировать подачу топлива и рециркуляцию выхлопных газов. В сочетании с высокой степенью сжатия это позволит избавить двухтактные двигатели от характерной для них склонности выбрасывать несгоревшее топливо.

При всей своей перспективности новые силовые агрегаты, несомненно, еще долгое время будут слишком требовательными к обслуживанию и дорогими. Поэтому ожидать запуска двигателей типа DiesOtto в полно масштабное промышленное производство всамом ближайшем будущем не приходится.

Приведенный анализ основных тенденций развития бензиновых двигателей легковых автомобилей дает общее представление о направлении их эволюции и показывает, что потенциал этих силовых установок еще далеко не исчерпан и их совершенствование непрерывно продолжается.

С целью выбора прототипа двигателя для дипломного проекта, мною был сделан краткий обзор характеристик современных бензиновых двигателей в диапазоне мощности 130 - 150 кВт, который приведен ниже.

Похожие статьи




Возможность изменения степени сжатия - Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания

Предыдущая | Следующая