В чём сила моторов с изменяемой степенью сжатия
Эпоха двигателей внутреннего сгорания неумолимо подходит к концу. Но эти старички на излёте достигли невероятного технологического совершенства. Рассказываем об одной из самых крутых фишек ДВС – изменяемой степени сжатия.
На протяжении всей истории двигателей внутреннего сгорания разработчики любыми способами пытались выжать из них максимум мощности и крутящего момента на единицу массы и рабочего объёма. Сделать это можно с помощью уймы способов и технических ухищрений. Пожалуй, самый изысканный из них – технология изменения степени сжатия.
Зачем степень сжатия нужно изменять
Обычные бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания имеют фиксированную степень сжатия – величину, определяющую отношение объёма камеры сгорания над поршнем, находящимся в нижней «мёртвой» точке, к объёму, когда поршень находится в верхней «мёртвой» точке. Для бензиновых движков он варьируется в диапазоне от 8 до 14, а для дизелей – от 18 до 23. В теории, чем выше степень сжатия топливовоздушной смеси, тем лучше – это позволяет получить максимальный КПД и увеличить мощность благодаря чрезвычайной эффективности сжигания топлива.
Правда, есть нюанс: на практике чрезмерное повышение степени сжатия приводит к тому, что топливо в цилиндрах двигателя начинает не сгорать равномерно, а взрываться - детонировать. В результате на больших нагрузках и высоких оборотах движок не просто не выдаёт дополнительную мощность, но и напротив теряет эффективность. Более того, ударные нагрузки на поршень и камеры сгорания приводят к быстрому выходу агрегата из строя.
Infiniti
Infiniti
Infiniti
Infiniti
Infiniti
Детонации можно избежать путём увеличения октанового числа бензина (высокооктановое топливо сгорает медленнее) и замедления воспламенения. Помогают в этом датчики детонации и настройки ПО. Ещё больше проблему усугубляет турбонаддув: он дополнительно повышает и без того высокое давление в камере сгорания.
Чтобы добиться от ДВС высокой отдачи, нужно заставить его работать во всех без исключения режимах на самой грани детонации, не допуская этого разрушительного явления – на любых оборотах и под любой нагрузкой. Эффективность сгорания топлива можно изменять увеличением клапанов на цилиндр, изменением графика их работы, оптимизацией места и процесса впрыска топлива и рядом других способов. А можно – и вовсе динамическим изменением степени сжатия. Вот только сделать это технически очень непросто.
Как устроена система
Воплотить технологию динамического изменения степени сжатия двигателей внутреннего сгорания инженеры пытались на протяжении многих десятилетий, однако в металле – на серийных машинах - она воплотилась совсем недавно, в 2016 году. Одной из первых идей реализации изменения степени сжатия ДВС стала система с дополнительным поршнем в камере сгорания. Она оказалась труднореализуемой из-за значительного повышения количества деталей и нарушения оптимальной конфигурации камеры сгорания. Опытные образцы так и остались пылиться в лабораториях.
Второй опробованный конструкторами путь – управление высотой подъёма коленвала. В такой конструкции опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Коленчатый вал может в процессе работы опускаться и подниматься, изменяя тем самым степень сжатия. Опытный образец такого мотора был создан немецким Volkswagen в 2000 году. Технологию даже успели обкатать на Audi A6: с 1,8-литрового турбомотора удалось снять 218 л. с. и 300 Нм крутящего момента. Правда, в серийное производство агрегат так и не пошёл.
Одновременно с Volkswagen над системой динамического изменения степени сжатия работали инженеры Saab. Их технология базировалась на изменении высоты подъёма блока цилиндров и получила имя Saab Variable Compression (SVC). Обкатали технологию на 1,6-литровом пятицилиндровом турбомоторе: агрегат развивал 225 л. с. и 305 Нм крутящего момента. Одной из любопытных особенностей стало то, что «кормить» этот движок можно было любым бензином – от 80-го до 98-го: диапазон степени сжатия изменялся в пределах от 8 до 14. Практика показала, что надёжность у сложного механизма сильно хромала.
Французские инженеры компании MCE-5 Development S.A. явили миру 1,5-литровый турбомотор с изменяемой степенью сжатия от 7 до 18. Со скромного объёма удалось снять 220 л. с. и целых 420 Нм крутящего момента. В системе применялись шатуны сложной формы с зубчатым коромыслом. Управление поднятием поршня осуществлялось посредством специальных масляных клапанов и электропривода. В серию не пошла и такая технология.
Первопроходцем, сумевшим довести изменяемую степень сжатия до серии, стал японский бренд Infiniti. Система Variable Compression Turbo (VC-T) внедрила в конструкцию кривошипно-шатунного механизма мотора дополнительные элементы — коромысла между шатуном и коленвалом. Управляются они с помощью электромоторов, что позволяет изменять диапазон хода поршня на 5 мм. Казалось бы, ничтожная величина на практике позволяет существенно изменять степень сжатия.
При малых нагрузках н мотор, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально. Это позволяет сдвигать назад угол опережения зажигания, что положительно влияет на отдачу. Агрегат получился настолько сбалансированным, что из конструкции были выведены балансировочные валы. Чертовски сложная, но действительно умная и сложная технология. Судите сами: с 2,0-литрового турбомотора Infiniti VC-T производитель с ходу снял 270 л. с. Познакомиться с технологичным агрегатом поближе можно, купив, к примеру, QX50 (его мощность на нашем рынке – 249 л. с.).
Читайте также:
Интересное за неделю