Какими особенностями обладают двигатели с переменной степенью сжатия

Порой создаётся впечатление, что нынешние ДВС уже достигли своего максимума по эффективности, производительности и экономичности. Это конец эволюции, за которым должен начаться виток развития новых моторов.

Но так только кажется. В действительности в настоящее время осуществляется серийный выпуск целого ряда обновлённых и модернизированных ДВС, способных работать на бензине, дизельном топливе, на газе и на комбинированном топливе, что реализовано на гибридных автомобилях.

За последние годы инженерам удалось внедрить систему высокоточного впрыска, увеличить мощность двигателя без увеличения его рабочего объёма, применить системы турбонаддува, повысить численной клапанов, использовать изменение фаз газораспределения и многое другое.

В результате проведённых доработок удалось заметно улучшить параметры работы ДВС, снизить их токсичность, поднять производительность. Параллельно с доработкой существующих моторов, конструкторы пытаются создать нечто новое. Некоторые проекты существуют только на бумаге, а другим удалось успешно реализовать. Именно к последней категории относятся двигатели с изменяемой или переменной степенью сжатия (ПСС).

Зачем используется ПСС

Опытным автомобилистам наверняка знакомо понятие степени сжатия в двигателе. Но стоит уточнить, что это отношение объёма над рабочим поршнем двигателя, который опускается до своей нижней мёртвой точки, к объёму, когда этот поршень достигает уже верхней мёртвой точки.

Для бензиновых силовых установок стандартный показатель степени сжатия составляет от 8 до 14 единиц, а в случае с дизельными ДВС он увеличен до 18-23. Для каждого двигателя значение степени сжатия выступает как фиксированная величина, которую закладывают ещё на этапе создания и разработки мотора. В зависимости от того, какая степень сжатия характерна для того или иного силового агрегата, к двигателю будут предъявляться соответствующие требования по октановому или цетановому числу используемого топлива для бензиновых и дизельных двигателей соответственно. Дополнительно разработчики учитывают фактор наличия или отсутствия в моторе системы турбонаддува. То есть турбированный движок или просто атмосферный.

Если говорить простым языком, то степень сжатия определяет силу сжимания смеси топливо и воздуха в цилиндрах силового агрегата. И тут важно понимать, что при сильном сжатии топливовоздушная смесь способна лучше воспламеняться и полностью выгорать. Увеличивая этот параметр, коэффициент полезного действия ДВС будет расти, улучшится отдача движка, снизится расход топлива.

Но у такого эффекта есть и обратная сторона. Она связана с возможным эффектом детонации. При нормальных условиях топливовоздушная смесь, сжимающаяся в цилиндрах, при воспламенении должна не взрываться, а именно гореть. Параллельно процесс воспламенения должен начинать и заканчиваться строго в определённые моменты времени.

Топливо обладает особой характеристикой, которая называется детонационной устойчивостью. То есть это способность горючего сопротивляться эффекту детонации. Если степень сжатия чрезмерно повысить, бензин или дизель может сдетонировать, то есть взорваться, что происходит в условиях определённых режимов работы ДВС.

Результатом детонации становятся неконтролируемые процессы, при которых топливо в цилиндрах будет сгорать путём взрывов. Это приводит к ускоренному износу компонентов двигателя, создают ударных волн, существенному увеличению температуры ДВС со всеми вытекающими последствиями. В связи с этим создавать для мотора условия, при которых степень сжатия постоянно будет высокой, нельзя.

Единственным объективно эффективным решением сложившейся ситуации становится гибкое изменение параметров в зависимости от конкретного режима работы силовой установки. То есть изменение степени сжатия в тех или иных условиях. Это даёт реальную возможность повысить эффективность мотора, улучшить качество сжигания топливовоздушной смеси, повысить показатели экономичности и добиться лучшей эффективности. А поскольку повышение параметров сжатия происходит кратковременно и только в заданных режимах работы двигателя, никаких разрушительных последствий не наблюдается.

Преимущества моторов с изменяемой степенью сжатия выглядят очевидными. Но на практике создать подобный мотор было крайне сложно. Некоторым автокомпаниям в итоге это удалось. В их числе стоит отметить таких производителей как Infiniti, Peugeot, Saab, Volkswagen и пр.

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.

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.

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.

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.